宠物数量的增多势必会带动宠物用品行业的发展,文章就基于Arduino和机智云物联网平台的智能宠物屋进行研究。多功能智能宠物屋通过引入Arduino和物联网技术,具备了监测温湿度与调节、监测宠物休憩、杀菌消毒、监控系统、喂食喂水、排泄物清理和空气净化等功能,使用机智云平台开发App,为未来并入智能家居提供了可能。
1、研究目的
近年来养宠物的人越来越多,相信每位主人都不希望自己的爱宠受到伤害,设计本产品的目的是给宠物提供干净、舒适、安全的生存环境,帮助主人更加方便和更好地照料宠物。
当主人上班、出差或旅游时,宠物的生存就无法得到保障,因此本文就基于Arduino和机智云平台的智能宠物屋进行研究,帮助主人解决短期或长期不在家时无法照料宠物的问题。随着智能家居的快速发展,未来的某一天智能宠物屋也会并入智能家居,让宠物也能感受到智能化带来的舒适和便利。本文是以宠物猫作为对象而研究的一款智能宠物屋。
2、用户需求分析
2.1 功能需求
目前市场上宠物屋的功能比较单一,无法全面地照顾宠物。市场上现有的宠物屋实现了监测温湿度、喂食器和铲屎装置,并没有除异味、杀菌消毒、监测宠物睡眠质量情况以及监控功能。本文所设计的产品都是根据用户的需求而设计的,以监测温湿度并调节、杀菌消毒、监测宠物的睡眠质量情况以及监控功能作为基本功能,喂食器和铲屎装置作为附加装置,不仅可以减轻用户的成本负担,而且也可以根据用户的需求定制产品。
2.2 安全需求
现有的宠物屋具有不通风的缺陷。本文设计的产品从宠物和产品两方面来考虑
1)外壳前后都需要预留鸡蛋大的洞口,以防宠物在里面呼吸不畅,重者导致死亡;(2)用橡胶制品以三角形的形式放置产品底部,然后再设计一个圆盘放在橡胶制品底下,一方面可以固定宠物屋,另一方面也可以移动宠物屋,方便用户打扫卫生;(3)喂食器要降低重心,以防宠物将食物和水打翻,伤及宠物自身和他人。
3、宠物屋功能设计及工作原理
3.1 采集温湿度并调节温湿度功能
本产品智能宠物屋系统采用DHT11数字温湿度传感器来监测温湿度[1]。DHT11温湿度传感器从功能需求上来说是一种已经经过校准的数字型温湿度传感器,应用数字模块采集技术和温湿度传感技术,能够保证产品测量温湿度时具有较高的可靠性和稳定性。
温湿度传感器可实现温度和湿度的实时采集,用来采集宠物屋内的温湿度,并在显示屏和App上面显示温湿度的具体数值。用户可在机智云App上面设定目标温度,然后驱动制热或制冷装置使宠物屋内达到合适的温度。
3.2 红外感应监测宠物休憩
红外线感应传感器可以监测宠物红外信号的有无。当宠物猫进入宠物屋时,红外线感应传感器将收集到的信号传递给Arduino主控芯片,单片机将数据进行分析处理并通过Wi Fi模块传到机智云App端,机智云App端可以记录宠物的睡眠质量状态和睡眠时间。
3.3 杀菌消毒功能
本产品智能宠物屋采用UV紫外线发光二极管做成一款杀菌消毒灯。由于紫外线具有很强的除菌消毒能力,所以将紫外线杀菌消毒灯放置在宠物屋内围绕成一圈,实现宠物屋内无死角除菌消毒,紫外线光束越集中,宠物屋内除菌效果越好。当宠物猫离开宠物屋时,用户可通过机智云App打开UV紫外线杀菌消毒灯进行杀菌消毒。
3.4 监控功能
监控功能的实现装置主要由3部分组成:esp32CAM摄像头、电源模块和机智云App。在宠物屋正上方安装SG90舵机调整esp32CAM摄像头的角度查看宠物的实时状态、喂食器和铲屎装置,通过蓝牙通信将画面传送到机智云App的人机界面控制端。
3.5智能喂食喂水
喂食器是智能宠物屋的附加装置,根据用户的需求选择是否安装智能喂食器装置。智能喂食器装置包括主控芯片Arduino、压力传感器、esp8266WiFi芯片和SG90舵机。
该功能是通过压力传感器实时检测猫盆的重量,当猫盆食物的重量低于系统设定值时,压力传感器将信号传递给Arduino主控芯片,主控芯片对收到的信号进行分析和处理,然后驱动SG90舵机打开阀门释放食物或水。用户也可以查看监控操作机智云App手动喂食喂水。
3.6 宠物排泄物清理和空气净化功能
铲屎装置也是该宠物屋的附加装置,用户可根据实用性和需求选择是否安装铲屎装置,当宠物排便后,驱动电机带动挡板将体积大的猫砂块从左到右推进垃圾桶;若空气中出现臭味,空气质量传感器检测到臭味,就会将数据反馈给单片机,Arduino主控芯片处理数据之后直接启动负离子空气净化器。
负离子空气净化器含有活性炭过滤层,不但可以吸附有害气体,还可以除异味,从而改善空气质量[2]。铲屎装置和空气净化功能不但解决了宠物的居住环境问题,同时也减轻了主人的负担。
3.7机智云App远程操控
宠物屋的软件部分是利用机智云开发的一款App,用户可以通过机智云App的监控界面实时查看宠物的当前情况、查看宠物屋的温湿度数值等,通过监控查看喂食器确定是否需要喂食和喂水,同时还可以通过监控查看铲屎装置是否需要清理宠物的排泄物,这一系列操作可以实现远程操控,即使用户在上班、出差和旅游时,也不用担心宠物在家里无人照顾。
4、宠物屋系统总体架构
智能宠物屋系统总体架构由两部分组成。一部分是硬件系统,另一部分是软件系统。
4.1 硬件系统
本产品是一款主要由宠物屋、喂食器、铲屎装置和监控组成的智能宠物屋。宠物屋、喂食器和铲屎装置这3个部分主要是以Arduino作为主控芯片,通过esp8266WiFi模块将软件和硬件连接起来。用户可使用软件实现设定温度值、调节宠物屋内的温度、杀菌消毒、记录宠物的睡眠状态、喂食、喂水、铲屎等功能;监控设备可实时监控宠物的动态。
硬件系统架构主要由Arduino单片机、esp32CAM摄像头、esp8266WiFi模块、电源系统模块、继电器模块、负离子发生器、DHT11温湿度传感器、SG90舵机、红外感应传感器、空气质量传感器、12864OLED显示屏、UV紫外线发光二极管和LED发光二极管组成。硬件系统架构如图1所示
图1 硬件系统架构
4.2软件系统
软件系统设计如图2所示。软件系统开发首先搭建机智云开发环境,利用机智云平台上的App代码赛博坦工具开发智能宠物屋App[3],并使用机智云平台的TCP/IP通信协议[4],实现机智云的物联网功能,通过服务器使软件和硬件连接起来。
在做软件系统的过程中,程序员首先要定义模组信息,利用机智云自带的一些组件设计软件界面,然后为各个模块编写代码,通过Wi Fi模块与云平台和产品设备进行数据传输,使每个模块都能够实现相应的功能,最后对机智云App进行测试。
5系统测试
(1) App和硬件设备通过esp8266Wi Fi模块连接之后,打开软件界面就可以看到摄像头拍摄的画面,通过舵机就可以调节摄像头的角度,能够实时监测宠物的动态[5];
(2) 宠物屋内的温湿度传感器监测温湿度并温度比较低的时候,可以输入具体数值驱动加热片升高宠物屋内的温度;
(3) 红外感应传感器检测到宠物离开宠物屋就会显示宠物的睡眠时间;
(4) 宠物离开宠物屋后可以启动杀菌消毒功能;
(5) 如果宠物想要吃食物喝水,用户可以打开舵机阀门释放食物和水;
(6)除此之外,负离子空气净化器不需要软件的控制,当空气质量传感器检测到异味,可以自动开启负离子空气净化器。经过多次实验测试,该产品最终达到了预期的实验效果。
图2 软件系统设计
6 结语
本文研究了基于Arduino和机智云平台的智能宠物屋系统,利用机智云平台、Wi Fi模块、Arduino单片机和相关传感器所设计了一款智能宠物屋。本产品还有需要改进的地方,比如功耗问题,上班族为宠物购买智能宠物屋,本身就是一笔大的开销,如果功耗比较大,对用户而言也是一种用电负担。
日后会基于功耗问题对宠物屋进行改进,同时也要规划智能宠物屋并入智能家居,让宠物也能感受到智能化产品带来的舒适性,减轻用户的负担,解决宠物在无人照料的情况也能够生存的问题。
