在我國飼養寵物的人越來越多，但忙碌于工作、生活等原因沒有更多的時間，以更好照顧管理寵物，因此對飼養寵物工具的要求也越來越高。目前在市場上寵物喂食系統部分是人工喂養，多半是半自動喂養，產品比較單一，在一定程度上無法滿足人們的智能化需求。

針對目前市場的需求，整合市場上單一產品的優點，本文基于機智云平臺技術設計了一款智能寵物管理系統。本系統以 Cortex-M4 為內核的 STM32F429 芯片為核心，通過機智云整合單片機、WiFi 物聯網實現對寵物智能喂養與管理的功能。

機智云平臺技術在我國飼養寵物的人越來越多，但忙碌于工作、生活等原因沒有更多的時間，以更好照顧管理寵物，因此對飼養寵物工具的要求也越來越高。目前在市場上寵物喂食系統部分是人工喂養，多半是半自動喂養，產品比較單一，在一定程度上無法滿足人們的智能化需求。

針對目前市場的需求，整合市場上單一產品的優點，本文基于機智云平臺技術設計了一款智能寵物管理系統。本系統以 Cortex-M4 為內核的 STM32F429 芯片為核心，通過機智云整合單片機、WiFi 物聯網實現對寵物智能喂養與管理的功能。

機智云平臺技術

從 2014 年推出的機智云，為開發者提供物聯網云平臺、硬件通信、終端 APP 一體化產品服務和云服務，為有物聯網管理需求的客戶提供連接、運營管理、數據分析等服務。用戶可以自定義統計分析，對機智云 SDK 進行二次開發，使智能硬件設備接入機智云后的功能更加完善，更加便于管理。

機智云的功能可以概括為連接硬件設備，存儲分析數據并保證數據的安全性，通過唯一的標識碼鏈接主控設備后控制設備。物聯網的價值源于萬物互聯的“智能化”，機智云為企業提供智能硬件自助開發工具及物聯網行業解決方案。機智云開發系統示意圖如圖1所示。

寵物管理系統總體設計

寵物管理系統由硬件系統、軟件系統組成。硬件系統包括主控模塊、電機模塊、液晶屏顯示操作模塊、傳感器模塊、電源模塊和攝像頭模塊。軟件系統首先要開發環境搭建，完成MDK 軟件安裝、USB 串口驅動安裝、ST-LINK安裝，采用 C++/C 語言和單片機 C51 等語言來編寫模塊化程序。

軟件系統主要實現機智云物聯網功能，并在手機開發相應 APP系統。機智云物聯網系統一方面遠程控制移動終端，利用網絡和底層控制相關功能，實物搭建完畢和下載好程序，上傳好數據，就可以通過液晶屏、自動檢測、手機 APP 進行發送指令；另一方面把數據上傳到機智云端，機智云的服務器就會對收到的數據進行處理和分析，將結果上傳到控制終端，并在終端中顯示，這種形式克服了時間和區域問題，能精確地了解寵物的活動狀況。系統設計如圖2所示。

硬件系統設計

本文的控制系統以Cortex-M4 為內核的 STM32F429 芯片為控制核心，通過溫濕度傳感器對寵物屋的空氣溫度、濕度實現實時監測 ；利用嵌入式與物聯網技術，通過溫濕度傳感器和激光傳感器的應用，并借助 Andriod APP 終端實現對寵物的遠程觀察。該系統可以實時監測相關參數，并以此判斷當前的物理環境狀況，自動調節溫度、濕度以及投放食物量等相關操作。

主控模塊使用了STM32F429 芯 片、CH340G 芯片、AT24C02 芯片；電機模塊使用了微型130小電機來控制風扇轉動，使用立式的型號為ZGA37RH 電機控制喂食的閥門和清理糞便；液晶顯示屏模塊用于顯示溫濕度和激光測量距離實物的高度等；傳感器模塊由溫度傳感器、濕度傳感器組成；電源模塊有兩種供電模式，USB 供電模式和電池供電模式；攝像頭模塊用于觀察寵物的活動狀況。

? WiFi 通信模塊

WiFi 聯網屬于辦公和家庭使用的短距離無線技術，具有速度快、可靠性高等特點。本系統選用的 ESP8266 WiFi 模塊芯片是一款串口轉無線芯片模塊，內部自帶固件，用戶操作簡單，無需編寫時序信號。

? 傳感器模塊

溫濕度傳感器模塊包括溫濕度顯示、自動調節溫濕度、人工調節溫濕度等，有三大執行元件，DTH11 溫濕度傳感器、5V 電熱片和 5V/1A 直流小電機 ZGA37RH。本設計中，當DTH11 溫濕度傳感器給主控系統傳輸的數據高于設定值時，主控系統發送一個信號使直流小電機開始工作降溫；當數據低于設定值時，主控系統發送一個信號使電熱片工作升溫。

? 供電模式選擇

為了防止電熱片與直流小電動機啟動和關閉時，電流過大影響芯片和溫濕度傳感器，系統采用分開供電模式 。

DTH11 的電源來自于主控板 STM32F429IGT 開發板的電源端口，而電熱片和直流小電動機的電源直接采用 18650 鋰電池來供電。電熱片和直流小電動機均采用PWM 脈沖信號控制，但不是直接使用 PWM 脈沖信號控制，而是使用兩個小繼電器單獨控制電熱片和直流小電動機。主控模塊用 PWM脈沖信號來控制繼電器，從而間接控制電熱 片和直流小電動機的啟動和關閉。采用繼電器來控制的方案是經過綜合考慮的，不僅經濟、安全，且使用簡單。

軟件系統設計

整個軟件系統設計是基于 μC/OS- Ⅲ 操作系統和STemWin圖形界面系統進行設計。首先對 μC/OS-Ⅲ 操作系統和 STemWin 圖形系統移植；接著編寫各個模塊的驅動代碼，為每個模塊開啟相應的任務，分配好棧和優先級，同時利用仿真器制作相應的按鈕控件，并在 Visual C++ 6.0上進行測試 ；最后將測試好的控件代碼移植到工程中，這樣就可以通過μC/OS-Ⅲ對圖形界面的相關控件任務進行調用并顯示，根據寵物家園的硬件系統進行模塊化編寫，而程序使用 IAR 軟件進行編寫。

? 機智云物聯網

在該系統應用的物聯網技術是市面上的智能喂食系統版和集合版，把單一的寵物喂食系統的優點結合起來，設計一個更加完美和符合市場需求的產品，即原來產品的升級版，以實現對寵物遠程實時監控的功能。寵物管理系統遠程實時監控主要功能有兩點，包括用戶手機 APP軟件與喂養裝置和清理糞便裝置進行通信；在安卓 APP上隨時都可以觀察寵物的活動狀態。

物聯網網絡架構分為應用層、網絡層、感知層。通過上面分析，通信模塊主要是基于 IEEE 802.11 協議的 WiFi 低功耗SoC廣域網，工作在 2.4 GHz/5 GHz頻段，可以借助于互聯網、云概念和智能終端，更加方便地對任何物體進行連接。

物聯網對所連接的設備的通信協議要求有以下三點：

* 聯網的每一物件均可尋址；

* 聯網的每一物件可通信；

* 聯網的每一物件可控制。

為滿足以上要求，該系統采用 WiFi聯網的方式， 使硬件系統成為可通信可控制的網絡體。機智云物聯網網絡架構如圖3所示。

? 手機APP開發

本系統所用遠程控制的客戶端是基于機智云開發的安卓APP控制。根據機智云部署步驟和調試步驟，在機智云平臺開發 SoC 模式，創建安卓APP的操作步驟如圖4所示，成功地把硬件系統接入到機智云服務。

在創建機智云服務之前需要先下載機智云安卓 APP 開源框架， 并準備好 Eclipse 開源框架編譯環境。導入項目到 Eclipse 工程后，根據開源框架包結構的說明，修改 UIConfig.json 文件，在這里可以配置工程的配置信息。正確填寫機智云的 Product Key，APP ID，APP Secret 后，工程就可以部署運行。云端會自動生成一個仿真設備，可模擬真實設備上報數據的行為。

在實體設備還未開發完成的情況下，開發者可以利用機智云提供的虛擬設備工具進行 APP 調試，測試遠程控制設備的功能。其中，在 WiFi 鏈接模式時，當 WiFi 通信在無優先級或者 BT/ZB 優先級較高的情況下，可以人為中斷 WiFi 工作，只需通過 GPIO 口來區分各個通信的優先級。利用聯網的 IP 地址與安卓 APP 連接，通過該端口發送參數信息，并通過 APP 界面顯示。

要實現機智云 APP 與硬件設備聯調，首先要使手機和硬件設備連接到同一個網絡上，通過網絡向服務器發出請求，并且獲得相應的信息。信息的傳遞是雙向的， 機智云 APP 可以控制硬件設備，若手動操作硬件設備，APP 界面上相應的數據也會變化。該系統相應的安卓 APP 界面如圖5所示。

系統測試

系統測試過程如下：

1）首先在機智云平臺上的開發者中心打開開發完成的 Android APP—寵物管理系統，依次點擊“在線調試設備”“啟動虛擬設備”。在頁面上有生成已開發的寵物管理系統的二維碼，手機下載機智云，進入機智云 APP 掃描二維碼進行綁定。進行電腦模擬虛擬設備控制和手機 APP 操作 按鈕進行測試。在模擬設備和手機 APP 上操作有數據并且在仿真軟件無誤顯示的話，證明在線測試成功。

2）把手機 APP 與實物進行連接，寵物家園系統處于啟動狀態，在手機終端 APP 添加實物設備。進行一鍵配置時，嘗試多次配置并失敗。排查網絡問題，隨后分別連接 WiFi 和 4G 網絡進行配置，配置并沒成功。最后更換安卓手機后，配置成功，開始進行遠程控制各個模塊。

3）遠程控制時發現手機 APP 中顯示溫濕度與硬件設備液晶顯示屏上數值不對應，手機 APP 中需要延時很長時間，數值才更新，并且多個按鈕沒有添加松手檢測，以至于要一直按著按鈕才能使其工作。

4）排查代碼的不嚴謹而導致的延時問題，經過優化代碼后，調試成功。其中，進行 APP 調試時開發 APP 是難點；個人對 Java 語言不太熟悉的情況下，應用 WiFi 連接設備和 APP 的連接調試，花費不少時間。

系統總結

為了方便人們更好地管理寵物，設計基于 STM32 和機智云平臺進行二次開發的智能寵物管理系統。該系統整合 WiFi 聯網模塊和傳感器技術，實現隨時隨地遠程觀察寵物狀況、控制管理寵物喂食以及清理等服務，從根本上解決由于時間距離關系不能更好地照顧寵物的需求。機智云開發平臺操作簡單方便，兼容性好，系統安全性能高。

從 2014 年推出的機智云，為開發者提供物聯網云平臺、硬件通信、終端 APP 一體化產品服務和云服務，為有物聯網管理需求的客戶提供連接、運營管理、數據分析等服務。用戶可以自定義統計分析，對機智云 SDK 進行二次開發，使智能硬件設備接入機智云后的功能更加完善，更加便于管理。

機智云的功能可以概括為連接硬件設備，存儲分析數據并保證數據的安全性，通過唯一的標識碼鏈接主控設備后控制設備。物聯網的價值源于萬物互聯的“智能化”，機智云為企業提供智能硬件自助開發工具及物聯網行業解決方案。機智云開發系統示意圖如圖1所示。

寵物管理系統總體設計

寵物管理系統由硬件系統、軟件系統組成。硬件系統包括主控模塊、電機模塊、液晶屏顯示操作模塊、傳感器模塊、電源模塊和攝像頭模塊。軟件系統首先要開發環境搭建，完成MDK 軟件安裝、USB 串口驅動安裝、ST-LINK安裝，采用 C++/C 語言和單片機 C51 等語言來編寫模塊化程序。

軟件系統主要實現機智云物聯網功能，并在手機開發相應 APP系統。機智云物聯網系統一方面遠程控制移動終端，利用網絡和底層控制相關功能，實物搭建完畢和下載好程序，上傳好數據，就可以通過液晶屏、自動檢測、手機 APP 進行發送指令；另一方面把數據上傳到機智云端，機智云的服務器就會對收到的數據進行處理和分析，將結果上傳到控制終端，并在終端中顯示，這種形式克服了時間和區域問題，能精確地了解寵物的活動狀況。系統設計如圖2所示。

硬件系統設計

本文的控制系統以Cortex-M4 為內核的 STM32F429 芯片為控制核心，通過溫濕度傳感器對寵物屋的空氣溫度、濕度實現實時監測 ；利用嵌入式與物聯網技術，通過溫濕度傳感器和激光傳感器的應用，并借助 Andriod APP 終端實現對寵物的遠程觀察。該系統可以實時監測相關參數，并以此判斷當前的物理環境狀況，自動調節溫度、濕度以及投放食物量等相關操作。

主控模塊使用了STM32F429 芯 片、CH340G 芯片、AT24C02 芯片；電機模塊使用了微型130小電機來控制風扇轉動，使用立式的型號為ZGA37RH 電機控制喂食的閥門和清理糞便；液晶顯示屏模塊用于顯示溫濕度和激光測量距離實物的高度等；傳感器模塊由溫度傳感器、濕度傳感器組成；電源模塊有兩種供電模式，USB 供電模式和電池供電模式；攝像頭模塊用于觀察寵物的活動狀況。

? WiFi 通信模塊

WiFi 聯網屬于辦公和家庭使用的短距離無線技術，具有速度快、可靠性高等特點。本系統選用的 ESP8266 WiFi 模塊芯片是一款串口轉無線芯片模塊，內部自帶固件，用戶操作簡單，無需編寫時序信號。

? 傳感器模塊

溫濕度傳感器模塊包括溫濕度顯示、自動調節溫濕度、人工調節溫濕度等，有三大執行元件，DTH11 溫濕度傳感器、5V 電熱片和 5V/1A 直流小電機 ZGA37RH。本設計中，當DTH11 溫濕度傳感器給主控系統傳輸的數據高于設定值時，主控系統發送一個信號使直流小電機開始工作降溫；當數據低于設定值時，主控系統發送一個信號使電熱片工作升溫。

? 供電模式選擇

為了防止電熱片與直流小電動機啟動和關閉時，電流過大影響芯片和溫濕度傳感器，系統采用分開供電模式 。

DTH11 的電源來自于主控板 STM32F429IGT 開發板的電源端口，而電熱片和直流小電動機的電源直接采用 18650 鋰電池來供電。電熱片和直流小電動機均采用PWM 脈沖信號控制，但不是直接使用 PWM 脈沖信號控制，而是使用兩個小繼電器單獨控制電熱片和直流小電動機。主控模塊用 PWM脈沖信號來控制繼電器，從而間接控制電熱 片和直流小電動機的啟動和關閉。采用繼電器來控制的方案是經過綜合考慮的，不僅經濟、安全，且使用簡單。

軟件系統設計

整個軟件系統設計是基于 μC/OS- Ⅲ 操作系統和STemWin圖形界面系統進行設計。首先對 μC/OS-Ⅲ 操作系統和 STemWin 圖形系統移植；接著編寫各個模塊的驅動代碼，為每個模塊開啟相應的任務，分配好棧和優先級，同時利用仿真器制作相應的按鈕控件，并在 Visual C++ 6.0上進行測試 ；最后將測試好的控件代碼移植到工程中，這樣就可以通過μC/OS-Ⅲ對圖形界面的相關控件任務進行調用并顯示，根據寵物家園的硬件系統進行模塊化編寫，而程序使用 IAR 軟件進行編寫。

? 機智云物聯網

在該系統應用的物聯網技術是市面上的智能喂食系統版和集合版，把單一的寵物喂食系統的優點結合起來，設計一個更加完美和符合市場需求的產品，即原來產品的升級版，以實現對寵物遠程實時監控的功能。寵物管理系統遠程實時監控主要功能有兩點，包括用戶手機 APP軟件與喂養裝置和清理糞便裝置進行通信；在安卓 APP上隨時都可以觀察寵物的活動狀態。

物聯網網絡架構分為應用層、網絡層、感知層。通過上面分析，通信模塊主要是基于 IEEE 802.11 協議的 WiFi 低功耗SoC廣域網，工作在 2.4 GHz/5 GHz頻段，可以借助于互聯網、云概念和智能終端，更加方便地對任何物體進行連接。

物聯網對所連接的設備的通信協議要求有以下三點：

* 聯網的每一物件均可尋址；

* 聯網的每一物件可通信；

* 聯網的每一物件可控制。

為滿足以上要求，該系統采用 WiFi聯網的方式， 使硬件系統成為可通信可控制的網絡體。機智云物聯網網絡架構如圖3所示。

? 手機APP開發

本系統所用遠程控制的客戶端是基于機智云開發的安卓APP控制。根據機智云部署步驟和調試步驟，在機智云平臺開發 SoC 模式，創建安卓APP的操作步驟如圖4所示，成功地把硬件系統接入到機智云服務。

在創建機智云服務之前需要先下載機智云安卓 APP 開源框架， 并準備好 Eclipse 開源框架編譯環境。導入項目到 Eclipse 工程后，根據開源框架包結構的說明，修改 UIConfig.json 文件，在這里可以配置工程的配置信息。正確填寫機智云的 Product Key，APP ID，APP Secret 后，工程就可以部署運行。云端會自動生成一個仿真設備，可模擬真實設備上報數據的行為。

在實體設備還未開發完成的情況下，開發者可以利用機智云提供的虛擬設備工具進行 APP 調試，測試遠程控制設備的功能。其中，在 WiFi 鏈接模式時，當 WiFi 通信在無優先級或者 BT/ZB 優先級較高的情況下，可以人為中斷 WiFi 工作，只需通過 GPIO 口來區分各個通信的優先級。利用聯網的 IP 地址與安卓 APP 連接，通過該端口發送參數信息，并通過 APP 界面顯示。

要實現機智云 APP 與硬件設備聯調，首先要使手機和硬件設備連接到同一個網絡上，通過網絡向服務器發出請求，并且獲得相應的信息。信息的傳遞是雙向的， 機智云 APP 可以控制硬件設備，若手動操作硬件設備，APP 界面上相應的數據也會變化。該系統相應的安卓 APP 界面如圖5所示。

系統測試

系統測試過程如下：

1）首先在機智云平臺上的開發者中心打開開發完成的 Android APP—寵物管理系統，依次點擊“在線調試設備”“啟動虛擬設備”。在頁面上有生成已開發的寵物管理系統的二維碼，手機下載機智云，進入機智云 APP 掃描二維碼進行綁定。進行電腦模擬虛擬設備控制和手機 APP 操作 按鈕進行測試。在模擬設備和手機 APP 上操作有數據并且在仿真軟件無誤顯示的話，證明在線測試成功。

2）把手機 APP 與實物進行連接，寵物家園系統處于啟動狀態，在手機終端 APP 添加實物設備。進行一鍵配置時，嘗試多次配置并失敗。排查網絡問題，隨后分別連接 WiFi 和 4G 網絡進行配置，配置并沒成功。最后更換安卓手機后，配置成功，開始進行遠程控制各個模塊。

3）遠程控制時發現手機 APP 中顯示溫濕度與硬件設備液晶顯示屏上數值不對應，手機 APP 中需要延時很長時間，數值才更新，并且多個按鈕沒有添加松手檢測，以至于要一直按著按鈕才能使其工作。

4）排查代碼的不嚴謹而導致的延時問題，經過優化代碼后，調試成功。其中，進行 APP 調試時開發 APP 是難點；個人對 Java 語言不太熟悉的情況下，應用 WiFi 連接設備和 APP 的連接調試，花費不少時間。

系統總結

為了方便人們更好地管理寵物，設計基于 STM32 和機智云平臺進行二次開發的智能寵物管理系統。該系統整合 WiFi 聯網模塊和傳感器技術，實現隨時隨地遠程觀察寵物狀況、控制管理寵物喂食以及清理等服務，從根本上解決由于時間距離關系不能更好地照顧寵物的需求。機智云開發平臺操作簡單方便，兼容性好，系統安全性能高。