1.引言
1.1系统设计背景
2008年宠物市场规模仅为64亿元左右，2014年已达到1058亿元，期间同比增速达到惊人的30%，国外的人均养宠率约为中国的5.1倍，横向对比中外宠物行业的细分领域，都能清楚地看到，国内宠物行业的天花板还远未到达。宠物经济背后的动力主要源于3个方面：第一，国民收入提高，消费力增强。国际经验表明，当一个国家人均GDP在3000~8000美元时，宠物行业就会进入一个良好的发展时期，而这个指标我国2010年就已经达到；第二，物质条件丰富的情况下，情感的需求会被激发，宠物恰好符合这一需求；第三，人们个性化需求的大趋势。
宠物越来越多，宠物渐渐变成都市人的一种精神寄托，甚至当作家庭中的一员。国内外已经有资本大举进入宠物社区、宠物电商、宠物医院及宠物食品，而宠物智能硬件则波澜不惊。宠物狗白天被关在家里，可能会乱咬东西，也可能昏昏欲睡，长期以往容易出现抑郁、焦躁、萎靡不振等精神问题；随着生活节奏加快，越来越多的人没时间照顾宠物。如何解决宠物狗的孤独问题成为一个挑战。
据美国透明市场分析，到2024年，全球的宠物电子设备市场规模将至少达到25亿美元，其中中国的市场份额至少占20%。智能宠物产品的需求广泛存在，但是市场上的相关企业刚刚开始，产品都存在需要完善的地方，没有形成规模效应，市场潜力非常巨大。
1.2系统的意义
据统计数据显示，近几年宠物数量的呈直线增长。养猫狗等宠物以寄托情感正成为国人消费和生活习惯中一种越来越强烈的倾向，宠物对于主人的角色也从“附属品”向“陪伴者”转化。在附加情感因素后，主人在宠物用品的选择上，也会更追求质量。
但是由于年轻人的快节奏的生活，老年人外出旅游或者业余活动的丰富，现在“空巢宠物”也越来越多，甚至受疫情影响还有很大一部分宠物面临着断水断粮的危机。如何远程就能便捷、高质量地照顾自己的宠物，是广大宠物主人的刚需。
1.3系统建设目标
智能宠物喂食喂水器能够实现更轻松、更健康的智能宠物喂水喂食和随时随地逗弄陪伴：定时定量喂食喂水，宠物不饿不渴；手机视频监控，宠物器具备语音功能，如在身边般时时陪伴宠物；手机和控制面板都可修改喂食喂水量、时间、水温，使用便捷；一餐多份，每份小量，不浪费食物和水，还能吃饱喝好，健康喂养。
系统设计的实用性非常强、使用便捷，先把宠物饲料和水放入喂食器中，并在LCD屏幕或手机上设置喂食和喂水时间、食物和水量、水温等，喂食喂水器就可自动遵循设定的条件给宠物喂食和喂水，使人们出行没有后顾之忧。系统具有不卡食的特点，且能精准控制食量和水量，并能设置喂养方案，确保宠物不会饿也不会撑、科学健康的喂养。除此以外，喂食喂水器也是很好的智能陪伴硬件，通过视频功能能够实时看到宠物和喂食喂水情况，拖过语音功能能够录音喊食和语音逗宠。具体来说，系统的设计目标如下：
（1）通过手机App不仅可以实时看到宠物的情况和喂食喂水情况，而且能够远程增加喂水喂食，修改喂食量和喂水量以及时间间隔。
（2）通过触摸屏能够能够远程增加喂水喂食，修改喂食量和喂水量以及时间间隔。
（3）通过重力传感器及液位传感器能精确控制喂食和喂水量。
（4）通过温度传感器和加热器能精确的控制水温。
（5）通过科学的喂食喂水算法，控制抽水电机和喂食电机，采取一餐多份的方式，保证饮食饮水，还不浪费。
（6）拖过摄像头和录音播音模块能够实时远程观看和逗弄宠物，情感互动。
2.系统整体设计
2.1系统架构
智能宠物喂食喂水器主要包含以下模块：手机App、萤石云平台、摄像头、Onenet云平台、Wififi模块、STM32单片机系统、重力传感器、液位传感器、抽水电机、喂食电机、LCD屏。系统的总体框如图1所示。
图1 系统的框架图
2.2系统设计原则
（1）应用系统需采用模块化设计，单一模块出现故障应不影响其他模块的正常工作。同时，可以方便地增加新的应用系统。
（2）系统设计时应考虑用户使用便捷的因素，因此要求系统支持互联网、手机等多种应用模式和方式。
（3）系统数据库设计时应考虑数据接口的安全性和统一性，一方面要保证数据的相对安全，另一方面要为以后增加新的应用系统提供便捷的数据接口。同时，数据要建立冗余机制。
（4）系统要有灵活、严格的权限设计，保证管理员对每个用户要能进行灵活的权限分配。同时，要保证没有获得授权的功能绝对不能使用。
（5）统一应用框架要求。应用系统应使用统一的应用支撑平台进行设计和开发，使用统一管理组织和人员、统一应用功能界面组装、统一用户身份验证和统一访问授权控制功能。
（6）统一信息资源编目要求。基于萤石云平台和Onenet云平台，设计统一的信息资源编目组件，为信息资源的抽取、整理、编目、查询提供支撑。应用系统有信息资源编目需求的基于此组件实现。
（7）统一数据共享要求。基础代码等基础数据的统一存放和管理是数据一致性和标准化的基本保障，是数据共享的前提条件。应用系统需要共享的数据通过主数据管理组件进行描述和管理。
2.3系统的技术原则
（1）精准性。通过重力传感器、液位传感器、温度传感器精确检测食物和水的量、水温，通过LCD屏和手机设计喂养方案，真正做到精准监测、科学管理。
（2）实用性。第一，考虑到使用的便捷性，在触摸屏和手机都可以设置喂养食物和水的量、喂养时间、喂养模式；第二，提供摄像头和语音模块，可以实时看到宠物并进行互动。
（3）适用性。系统采用技术成熟、成本易控制的传感、触摸屏、智能手机等其他设备为信息输入端，信息通过互联网、4G信号、无线网络等有序集成。以信息实时采集、后台自动运算与传输为基础；从而实现以自动监测、远程控制、触摸控制为一体的综合管理平台。
（4）共享性。基于云平台，为宠物主人提供信息管理平台数据采集，实现宠物饮食的实时记录，做到精细管理。
（5）扩展性。一方面，系统的硬件部分从数据采集到无线传输部分再到控制部分都采用模块设计，网关部分有丰富的备用接口；另一方面，管理软件部分采用模块设计和接口可扩展等设计原则，保证系统的功能扩展性，支持业务功能和业务规模的增加。
3.系统硬件组成
3.1自动采集模块
采用重力传感器来检测出的食物量，液位传感器来检测出水量，温度传感器检测水温，加热棒来对水进行加热。其中，图2从左到右依次是重力传感器、加热棒、温度传感器。
图2 系统的采集模块
3.2控制和执行模块
控制和执行系统由STM32单片机系统、直流电机驱动控制模块、喂食舵机、喂水电机等组成。用户可以通过手机和LCD显示屏等终端修改喂食量、喂食量、时间间隔、单次出水量、单次出食量、喂养模式，如图3所示。
图3 STM32单片机主控板
3.3云平台及无线通信终端
云平台是基于智能传感器、无线传输技术、大规模数据处理与远程控制等物联网核心技术与互联网、无线通信、云计算大数据技术高度融合开发的一套物联网云服务平台，集设备在线采集、远程控制、无线传输、数据处理、预警信息发布、决策支持、一体化控制等功能于一体的物联网系统。用户及管理人员可以通过手机、平板、计算机等信息终端，实时掌握传感设备信息，及时获取报警、预警信息，并可以手动/自动地调整控制设备，最终实现使以上管理变得轻松简单。选择萤石云平台连接摄像头、Onenet云平台连接STM32单片机系统及其控制执行部分，手机App通过调用API接口的方式与两个云平台连接，STM32系统通过Wififi模块与Onenet云平台通信。
3.4系统硬件实现
本设备的硬件实物由主控STM32f103xc8t6单片机、TFTLCD显示屏、水泵、舵机、电源模块、温度传感器、Wififi模块ATK-ESP8266组成。主控STM32f103xc8t6单片机用于接收云端发来的指令，根据指令控制水泵、舵机等喂食，喂水设备，同时可以将喂水，喂食信息发送到显示屏，整体如图4所示。
图4 系统的整体组成和实物
4.系统软件组成
4.1系统软件实现
喂水喂食策略主要有3种方式：第一种是Rtc时钟定时。当到达显示屏设定的时间时，开启水泵或喂食舵机。第二种是LCD手动控制。通过LCD显示屏的控制界面来手动开启水泵或喂食舵机。第三种是手机终端控制。手机登录App远程开启水泵或喂食舵机。系统的软件框图如图5所示。
图5 系统的软件框图
4.2手机App说明
4.2.1App功能
打开安卓APK后，即来到了智能宠物喂食器安卓APK的主页面（main.xml）。主界面有各种控制按键及参数设置控件。在主页面（main.xml）中点击设置按键打开云端设置界面。云端设置界面有云端连接的各种设置，如图6所示。
图6 App主界面和云端设置界面
4.2.2功能处理
（1）喂食喂水控制。在安卓APK主界面，通过“每次出水量”“出水总次数”“每次出食量”“出食总次数”“设置出水·出食时间间隔”控件，可以设置宠物的喂食喂水量和频率，起到智能控制。
（2）实时图像控制。在安卓APK主界面，通过图6中左图红点，可以实时远程查看宠物状态，起到智能监控。手机客户端通过线程循环从萤石云端获得实时图像，图像获得后通过handle机制将实时图像更新到手机客户端界面。
4.3STM32单片机部分软件说明
STM32单片机主要实现以下的功能：采集传感模块的数据、控制水泵和舵机、完成喂养策略、Wififi模块与云平台通信。单片机控制部分的喂食喂水流程如图7所示。
图7 喂食喂水流程设计
作者：孟艳艳1 陈伟海2 贾长洪1 赵敬芬1（[1]齐鲁师范学院；[2]北京航空航天大学）
本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第21期
（转载请注明来源）
