基于机智云技术的智能宠物管理系统

摘要：为了方便人们更好地管理宠物，设计基于stm32和机智云sdk进行二次开发的安卓app宠物管理系统。该系统整合wifi联网模块和传感器技术，实现随时随地远程观察宠物状况、控制管理宠物喂食以及清理等服务，从根本上解决由于时间距离关系不能更好地照顾宠物的需求。机智云物联网开发平台操作简单方便，兼容性好，系统安全性能高。
引言
在我国，饲养的宠物越来越多，但人们由于工作、生活的原因没有更多的时间更好地照顾管理宠物，因此对饲养宠物工具的要求也越来越高。目前在市场上宠物喂食系统部分是人工喂养，多半是半自动喂养，产品比较单一，在一定程度上无法满足人们的需求。针对目前市场的需求，整合市场上单一产品的优点，设计实现基于机智云技术的智能宠物管理系统。本系统以cortex-m4为内核的stm32f429芯片为核心，通过机智云整合单片机、wifi物联网实现对宠物智能喂养与管理的功能。
1 、机智云技术
从2014年推出的机智云1.0到现在的机智云3.0，机智云实现了技术积累，提供物联网云平台、硬件通信、终端app一体化产品服务和云服务，为有物联网管理需求的客户提供连接、运营管理、数据分析等服务。用户可以自定义统计分析，对机智云sdk进行二次开发，使智能硬件设备接入机智云后的功能更加完善，更加便于管理。
机智云的功能可以概括为连接硬件设备，存储分析数据并保证数据的安全性，通过唯一的标识码链接主控设备后控制设备。物联网的价值源于万物互联的“智能化”，机智云为企业提供智能硬件自助开发工具（paas）及物联网行业解决方案（saas），走在了物联网云服务市场的前列。机智云开发系统示意图如图1所示。
2 、总体设计
宠物管理系统由硬件系统、软件系统组成。硬件系统包括主控模块、电机模块、液晶屏显示操作模块、传感器模块、电源模块和摄像头模块。软件系统首先要开发环境搭建，、完成mdk软件安装、usb串口驱动安装、st-link安装，采用c++/c语言和单片机c51等语言来编写模块化程序。
软件系统主要实现机智云物联网功能，并在手机开发相应app系统。机智云物联网平台的系统，一方面远程控制移动终端，利用网络和底层控制相关功能，实物搭建完毕和下载好程序，上传好数据，就可以通过液晶屏、自动检测、安卓手机进行发送指令；另一方面把数据上传到机智云端，机智云的服务器就会对收到的数据进行处理和分析，将结果上传到控制终端，并在终端中显示，这种形式克服了时间和区域问题，能精确地知道宠物的活动状况［1］。系统设计如图2所示。
3、硬件系统设计
本文的控制系统以cortex-m4为内核的stm32f429芯片为控制核心，通过温湿度传感器对宠物屋的空气温度、湿度实现实时监测，利用嵌入式与物联网技术，通过温湿度传感器和激光传感器的应用，并借助andriod app终端实现对宠物的远程观察。该系统可以实时监测相关参数，并以此判断当前的物理环境状况，自动调节温度、湿度以及投放食物量等相关操作。
主控模块使用了arm公司的stm32f429芯片、ch340g芯片、at24c02芯片。电机模块使用了realplay品牌的微型130小电机来控制风扇转动，使用立式的型号为zga37rh电机控制喂食的阀门和清理粪便。液晶显示屏模块用于显示温湿度和激光测量距离实物的高度等。传感器模块由温度传感器、湿度传感器组成。电源模块有两种供电模式：usb供电模式和电池供电模式。摄像头模块用于观察宠物的活动状况，应用市场上成本较低但比较成熟的摄像头。
3.1 wifi模块
wifi联网属于办公和家庭使用的短距离无线技术，具有速度快、可靠性高等特点。在开放性区域，通信距离可达300 m左右;在封闭性区域，其通信距离为100 m左右，组网的成本低。该系统选用的esp8266 wifi模块芯片是一款串口转无线芯片模块，内部自带固件，用户操作简单，无需编写时序信号。esp8266 wifi模块内部配置tcp/ip协议，支持smart config功能;支持spi，uart，i2c，i2s，pwm，gpio，ir远程控制功能，以及2 ms唤醒，连接并传递数据开发包的特性
3.2 传感器模块
温湿度传感器模块包括温湿度显示、自动调节温湿度、人工调节温湿度等。它有三大执行元件：dth11温湿度传感器、5 v电热片和5 v/1 a直流小电机。本设计中，当dth11温湿度传感器给主控系统传输的数据高于设定值时，主控系统发送一个信号使直流小电机开始工作降温;当数据低于设定值时，主控系统发送一个信号使电热片工作升温。
为了防止电热片与直流小电动机启动和关闭时，电流过大影响芯片和dth11温湿度传感器，本系统采用分开供电模式：dth11的电源来自于主控板阿波罗stm32f429igt开发板的电源端口，而电热片和直流小电动机的电源直接采用18650锂电池来供电。
电热片和直流小电动机均采用pwm脉冲信号控制，但不是直接使用pwm脉冲信号控制，而是使用两个小继电器单独控制电热片和直流小电动机。主控模块用pwm脉冲信号来控制继电器，从而间接控制电热片和直流小电动机的启动和关闭。采用继电器来控制的方案是经过综合考虑的，这样不仅经济、安全，而且使用简单。
4 、软件系统设计
整个软件系统设计是基于μc/os-ⅲ操作系统和stemwin图形界面系统进行设计。首先，对μc/os-ⅲ操作系统和stemwin图形系统移植；接着，编写各个模块的驱动代码，为每个模块开启相应的任务，分配好栈和优先级，同时利用仿真器制作相应的按钮控件，并在visual c++6.0上进行测试；最后，将测试好的控件代码移植到工程中，这样就可以通过μc/os-ⅲ对图形界面的相关控件任务进行调用并显示，根据宠物家园的硬件系统进行模块化编写，而程序使用iar软件进行编写。
4.1 机智云物联网
在该系统应用的物联网技术是市面上的智能喂食系统版和集合版，把单一的宠物喂食系统的优点结合起来，设计一个更加完美和符合市场需求的产品，是原来产品的升级版，实现对宠物远程实时监控的功能。宠物管理系统远程实时监控主要功能有两点：用户手机app软件与喂养装置和清理粪便装置进行通信;在安卓app上随时都可以观察宠物的活动状态。
物联网网络架构分为应用层、网络层、感知层。通过上面分析，通信模块主要是基于ieee 802.11协议的wifi低功耗soc广域网，工作在2.4 ghz/5 ghz频段，可以借助于互联网、云概念和智能终端，更加方便地对任何物体进行连接。物联网对所连接的设备的通信协议要求有以下三点：联网的每一物件均可寻址；联网的每一物件可通信；联网的每一物件可控制［2］。为满足以上要求，该系统采用wifi联网的方式，使硬件系统成为可通信可控制的网络体。机智云物联网网络架构如图3所示。
4.2 手机app开发
本系统所用远程控制的客户端是基于机智云开发的安卓app控制。根据机智云部署步骤和调试步骤，在机智云平台开发soc模式，创建安卓app的操作步骤如图4所示，成功地把硬件系统接入到机智云服务。
在创建机智云服务之前需要先下载安卓app开源框架，并准备好eclipse开源框架编译环境。导入项目到eclipse工程后，根据开源框架包结构的说明，修改uiconfig.json文件，在这里可以配置工程的配置信息。正确填写机智云的product key、app id、app secret后，工程就可以部署运行。
云端会自动生成一个仿真设备，可模拟真实设备上报数据的行为。在实体设备还未开发完成的情况下，开发者可以利用机智云提供的虚拟设备工具进行app调试，测试远程控制设备的功能。
其中，在wifi链接模式时，当wifi通信在无优先级或者bt/zb优先级较高的情况下，可以人为中断wifi工作，只需通过gpio口来区分各个通信的优先级。利用联网的ip地址与安卓app连接，通过该端口发送参数信息，，并通过app界面显示。
要实现机智云app与硬件设备联调，首先要使手机和硬件设备连接到同一个网络上，通过网络向服务器发出请求，并且获得相应的信息。信息的传递是双向的，机智云app可以控制硬件设备，若手动操作硬件设备，app界面上相应的数据也会变化。该系统相应的安卓app界面如图5所示。
安卓app页面：
5 测试
（1）首先在机智云平台上的开发者中心打开已经开发的android app—宠物管理系统，依次点击“在线调试设备”“启动虚拟设备”。在页面上有生成已开发的宠物管理系统的二维码，手机下载机智云，进入机智云app扫描二维码进行绑定。然后进行电脑模拟虚拟设备控制和手机app操作按钮进行测试。在模拟设备和手机app上操作有数据并且在仿真软件无误显示的话，证明在线测试成功。
（2）把手机app与实物进行连接，宠物家园系统处于启动状态，在手机终端app添加实物设备。进行一键配置时，尝试多次配置并失败。排查网络问题，随后分别连接wifi和4g网络进行配置，配置并没成功。最后更换安卓手机后，配置成功。开始进行远程控制各个模块。
（3）远程控制时发现手机app中显示温湿度与硬件设备液晶显示屏上数值不对应，手机app中需要延时很长时间，数值才更新，并且多个按钮没有添加松手检测，以至于要一直按着按钮才能使其工作。
（4）排查代码的不严谨而导致的延时问题，经过优化代码后，调试成功。其中，进行app调试时开发app是难点；对java语言不太熟悉的情况下，应用wifi连接设备和app的连接调试，要花不少时间。
6 结语
本文所述宠物管理系统可以通过安卓手机app远程观察宠物的活动，随时随地通过手机进行投食、清理粪便，实时显示温湿度并可调节温度。该系统具有操作简单、易懂、方便等优点，且安全性、稳定性、智能性较高。但是，该系统还存在几个可以优化地方：增加语音提示功能、增加远程故障短信通知等功能，有待进行下一步研究。
原文标题：机智云技术在宠物管理系统中的应用
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