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摘要：针对目前市场上宠物投食器产品功能单一、智能化不足的特点，本文设计了一种基于单片机与人工智能云平台相融合的智能宠物投食器。利用单片机自动处理和控制温湿度、压力、摄像头、报警器、舵机等多传感器设备，通过Wifi模块实现与人工智能云平台的数据交互。测试表明，该设备既能实现本地的自动投食喂养，又能通过远程实时监测与智能控制，从而保证宠物在无人照看时的智能化喂养。
关键词：嵌入式系统；宠物投食器；单片机；云平台
1引言
物联网技术的迅速发展，给人们的生活方式带来了许多变革和便利[1]。在生活中，宠物主人常常因工作忙碌或外出远行而无法按时喂养宠物，导致宠物无法正常进食，影响宠物健康及生命安全。智能化的宠物投食器能够有效减轻宠物喂养的负担，从而得到人们的关注。相比于传统的宠物喂养方式的弊端，智能宠物投食器是一种采用单片机技术来实现自动投食和主动喂养的嵌入式设备，给宠物爱好者和小型饲养的企业带来了很大的便利[2-5]。目前，市面上存在的宠物自动喂食机大多数只具备定时喂食的功能[6]。这些自动投食常常不会根据宠物的实际情况进行喂食，一旦宠物生病或不想进食，食物易回潮、变质。宠物喂养者已不满足于简单的宠物定时喂养，在外出时需要远程智能监测并了解宠物进食与健康状态，甚至能与宠物互动交流[7-10]。为此，本文利用单片机与人工智能云平台技设计了一种功能丰富的远程实时智能喂养系统。
2系统结构原理
宠物智能喂食系统的设计原理及创新之处在于，单片机C51采集多传感器数据通过esp8266-Wifi模块实时上传到人工智能云平台实现宠物投食和健康数据的分析处理[10]，对异常数据设置报警功能，及时远程提醒宠物主人。同时用户可以使用手机APP、计算机等移动终端，通过因特网远程控制宠物喂食并监控宠物进食和活动情况。如图1所示，投食器的主控单片机采集控制多传感器数据，包括压力传感器、蜂鸣器、摄像头、舵机、温湿度传感器、语音控制模块等设备。实现多传感器的联通和自动处理，同时数据上传到网络和用户APP，能有效帮助宠物主人进行分析并判断是否该给宠物投喂食物。人工智能云平台的主要作用是设置异常数据报警，如宠物体温异常、厌食或进食异常时会及时提醒主人主动监控。
3系统设计
3.1电路设计
单片机电路原理如图2所示。
3.2硬件设计
压力传感器负责检测总食物盘中的总剩余食物含量。它由压力敏感元件和信号处理元件组成。通过敏感元件采集压力信号，信息处理元件将压力信号转换成可用的输出电信号的器件或装置。按不同的测试压力类型，压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。蜂鸣器负责在机器自动投喂结束后发出声音吸引宠物过去食用。蜂鸣器采用压电式蜂鸣器采集信号。摄像头主要用于观察食物剩余含量以及投喂器周边状况，例如宠物在吃饭或进行其他休闲活动时主人想看则能够打开APP查看。舵机是用于操纵投食器装置转动的一种执行部件，由电动机、传动部件和离合器组成。舵机通过各传感器参数情况来选择投喂食物的量，如果上顿宠物不够吃，下顿可以稍微增加一些（舵机开放的时间长一些），如果上顿有剩余，则下顿可适当减少食量。语音模块负责用户在外时通过语音模块和宠物交流和互动，帮助宠物们解闷。
3.3系统结构设计
系统的内部结构见图3，包括储粮区与出粮口。出粮口处设置有舵机，并焊接在一小块可移动的挡板，在舵机发生转动时带动挡板，实现自动出粮；而储粮容器使用密封性好、遮光性强的材质，以达到更好地储存宠物粮食，避免密封性不好导致粮食变质，影响宠物的健康。宠物的盛食容器内部还设有压力传感器，能够精确测量出食物的份量，帮助宠物合理饮食。其外部结构包括音响、摄像头、食物容器及宠物笼及Wifi模块等，如图4所示。
3.4系统软件流程
本系统的软件设计包含传感器数据采集模块、单片机固件控制模块、ESP8266Wifi模块、智能云平台节点、手机APP模块等内容。其远程控制的流程如图5所示。
4测试方法
4.1传感器硬件测试
零点的检测，用万用表的电压档检测在没有施加压力的条件下，传感器的零点输出。这样保证传感器的零点偏差在正常范围之内。惠斯通全桥电路检测，主要检测传感器的电路是否正确。利用万用表的欧姆档，测量输入端与输出端的阻抗。这两个阻抗就是压力传感器的输入、输出阻抗。检测传感器是否正常。加压检测，给传感器供电，人工加压后检测传感器输出端的电压变化，并调整传感器参数。采用直流激励法对舵机的自然频率、灵敏程度、直流电阻等参数进行测试。通过测试可以发现舵机在转动时会有一点点的延迟现象，从而计算出转动之前所需要的反应时间。过期的转动可以设定转动的角度。在转动后还可以设定舵机返回原位时所需要的时间。这样舵机就能够实现定时发生角度的转动和定时返回原来的角度。也可以通过APP用手机来人工控制舵机的转动。
4.2ESP8266接入智能云平台测试
ESP8266模块包含VCC、EN、GND、UTXD、URXD等基本引脚。通过串口连接USB-TTL下载工具，写入连接开放的智能云平台（如机智云、阿里云）等服务器地址、端口以及连接密钥等相关参数[11-12]。ESP8266也可以采用AT指令模式完成网络连接功能，通过MQTT协议实现与智能云平台的数据传输测试。硬件采集的数据上传至智能云平台完成数据处理。在智能云平台上设置温湿度、压力、食物用量等数据异常的报警功能。
4.3APP测试
图6宠物投食远程监控APP手机端APP实现实时数据的传递。用户也可主动使用APP登录智能云平台实时监测或操控并分析各种传感器数据，及时了解食物是否剩余过多或者食用完毕。智能投食器的定时投喂能够很好地解决宠物主人们忘记喂食；摄相头和语音模块的添加实现了主人与宠物们进行互动。智能宠物远程监测的APP功能模块如图6所示。
5结语
本文设计了一种基于单片机(C51、STM32)和云平台的智能宠物投食器。单片机连接传感器采集的数据通过串口连接ESP8266模块实现数据通讯；WiFI模块通过烧录固件后连接到智能云平台节点实现数据的远程交互功能。在此基础上设计了手机APP，方便用户远程对宠物进行定时、定量、自动投食喂养。在单片机自动控制的基础上融合了开源的智能云平台技术，可以对宠物健康数据和进食状态进行实时监控和双向互动，是一种功能较丰富的智能化投食器。
参考文献
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[12]张珩,李敏.基于机智云的环境数据采集系统设计.物联网技术,2020,10(12):106-108
作者：黄万转 吴晓刚 单位：兴义民族师范学院信息技术学院