基于STM32的智能寵物喂養系統的設計與實現

沈建強 黃興平 仲崇高 張彬 王瑩瑩

摘要：當今社會，寵物是人們獲得快樂、緩解壓力的一個重要來源，越來越多的人選擇飼養寵物，但在出差和旅游等情況下無法及時地照顧它們，尤其是在飲食方面無法及時顧及寵物，所以人們需要一個有投喂功能的寵物喂養系統能夠幫助他們投喂飼養寵物。文章設計了一種基于STM32的智能寵物喂養系統，該系統在硬件方面使用STM32F103C8T6單片機作為主要控制器，由Wi-Fi模塊、按鍵模塊、投喂模塊、報警模塊等模塊組成。該系統在軟件方面可以通過手機App查看聯機狀態、食物重量、水位高低，以及設定遠程投喂時間和投喂數量。當缺少食物或者缺少水時，手機App會提醒用戶，并且在微信公眾號上也會提醒用戶。

關鍵詞：寵物；投喂；STM32單片機；智慧喂養

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）05-0004-03

0 引言

隨著現代科學技術的進步與發展，物聯網技術的發展給寵物喂食器與飲水機等寵物領域帶來了新的發展機會[1]。本設計基于STM32F103的智能寵物喂養系統，主要分為主控模塊、Wi-Fi模塊、報警模塊、顯示模塊、投喂模塊等模塊。該系統能實現自動投喂功能，因此該系統的設計具有實時性和智能性。

1 系統總體設計

該智能寵物喂養系統采用基于STM32F103的設計方案，旨在實現投喂和提醒功能[2]。各個模塊之間通過STM32F103單片機進行交互和通信。STM32F103 單片機通過傳感器模塊采集數據，對其進行處理并反饋給各模塊，同時各模塊通過與STM32F103單片機連接實現各模塊的互聯互通，從而實現智能寵物喂養系統的投喂與提醒功能[3]。系統框架圖如圖1所示，通過稱重、水量檢測等傳感器采集數據，檢測或者設置系統初始狀態，單片機數據處理并傳給投喂、顯示等模塊，實現系統各模塊的功能。

2 系統硬件設計

系統主要由主控模塊電路設計、按鍵模塊電路設計、Wi-Fi模塊電路設計、報警模塊電路設計、時鐘電路模塊電路設計等部分組成。

2.1 主控模塊電路設計

智能寵物喂養系統最為關鍵的設計在于主控模塊。主控模塊也叫主要控制器模塊，其作用是通過控制其他模塊，以確保整個系統功能的穩定運行。智能寵物喂養系統的主要控制器選用意法半導體公司的STM32F103RCT6超低功耗32位微處理器作為主控芯片。該模塊設計的電路圖如圖2所示。PA8用于連接水量報警傳感器，在缺水時進行報警，PA9、PA10用于連接Wi-Fi模塊，PA11、PA12、PA13用于連接時鐘電路模塊，PA15用于連接蜂鳴器，PB0、PB1、PB2用于連接按鍵模塊，PB5、PB4、PB3 用于連接顯示模塊，PB10、PB11用于連接稱重模塊[4]，PB12、PB13、PB14、PB15用于連接投喂模塊進行投喂飼料。

2.2 按鍵模塊電路設計

在本次設計中使用三個按鍵來設定投喂時間、投喂數量。按鍵分別為S_SET 按鍵、S_UP 按鍵和S_DOWN按鍵，并且采用了獨立按鍵的設計方法。將三個按鍵分別與STM32F103C8T6 單片機的PB0、PB1、PB2的引腳相連接，按下按鍵后，在代碼中增加20ms的延時，保證按鍵操作掃描每20ms更新一次，以便確定能轉到該鍵的功能處理程序。

2.3 Wi-Fi 模塊電路設計

本系統中手機作為一個無線接入點與ESP8266Wi-Fi模塊連接實現數據傳輸，簡單來講就是ESP8266Wi-Fi模塊通過串口與STM32連接，獲取當前水位、食物重量等參數信息，通過Wi-Fi熱點，ESP8266將參數信息傳送給云平臺[5-6]，手機通過云平臺可以顯示相應參數信息，進而實現監測水位與食量等功能，如缺少水或食物時，會在微信公眾號上提醒缺水或食物。

2.4 報警模塊電路設計

智能寵物喂養系統的報警模塊主要是在檢測到水量不足，或者食物缺少的情況下，觸發蜂鳴器報警。該模塊有兩個傳感器用于檢測數據：水量報警傳感器、HX711稱重傳感器。水量報警傳感器采用上拉模式，高電平時使其導通，說明缺少水量。水量報警傳感器與單片機的PA8的引腳相連接。HX711稱重傳感器有2個引腳，即H_DT數據引腳和H_SCK時鐘引腳，分別與單片機的PB10、PB11引腳相連接。

2.5 投喂模塊電路設計

本系統是關于智能喂養的設計，其中投喂模塊電路設計是本系統重要的設計，該模塊需要實現控制投喂飼料的數量。投喂模塊也可以看作步進電機模塊，通過步進電機進行驅動，可以很好地控制出食量。ULN2003驅動器的MOTOR_1、MOTOR_2、MOTOR_3、MOTOR_4引腳分別與STM32F103C8T6 單片機的PB12、PB13、PB14、PB15引腳相連，通過ULN2003驅動器控制步進電機運轉，從而控制出食量，實現投喂功能。

3 終端應用設計

首先初始化各個模塊，比如初始化與LCD1602連接的硬件接口、初始化各個端口、初始化稱重模塊等。之后再利用串口、I/O口，將采集到的數據傳輸給各個模塊，以便進行后續的處理和控制。

3.1 按鍵模塊設計

STM32F103單片機的PB0、PB1、PB2引腳連接了按鍵模塊的S_SET 按鍵、S_UP 按鍵和S_DOWN按鍵，可以設置日期、實時時間、稱重清零、自動投喂時間等參數。通過STM32F103 單片機的PB0、PB1、PB2引腳，將修改的參數傳給相應模塊，完成參數的實時更新。

3.2 Wi-Fi 模塊設計

智能寵物喂養系統需要實現遠程投喂的功能，因此本模塊通過采用一個云平臺作為手機App和ESP8266之間的通信渠道。為了確保硬件和手機可以進行可靠安全的數據傳輸，本方案選擇使用點燈科技平臺[7]。手機、STM32、ESP8266 Wi-Fi模塊之間的通信連接如圖3，本設計選擇AP模式，因為工作在AP模式下的ESP8266就像是一個熱點，手機可以連接到此“熱點”，從而實現手機等設備與ESP8266進行局域網的無線通信。

3.3 報警模塊設計

本模塊需要實現在水量不足或者食物不足的情況下提醒用戶。STM32F103C8T6單片機的PA8引腳連接水量報警傳感器，STM32F103C8T6 單片機的PA15引腳連接蜂鳴器。在缺水或者缺少食物時，蜂鳴器會鳴叫，進行報警，STM32F103C8T6單片機在接收到缺水或缺少食物的提醒時，會通過Wi-Fi模塊與點燈科技平臺進行連接，點燈科技平臺向手機的微信公眾號發送提醒信息，手機App會顯示缺少食物或缺少水。

3.4 投喂模塊設計

本系統中，投喂模塊部分的軟件設計是本系統重要的軟件設計，該模塊需要實現設置投喂時間和投喂數量的功能，此功能通過步進電機的運轉，模擬出將食物投喂給寵物的過程。感應到脈沖信號的輸入后，步進電機會將其轉換成對應的角位移。因此，每個角度的轉動都需要接收到一個脈沖信號。

4 系統功能測試

本智能喂養系統如果在功能測試過程中發現異常，需要調試至正常情況。以下是本系統的硬件測試。

4.1 Wi-Fi 模塊測試

打開手機→設置→個人熱點→WLAN熱點，點擊打開WLAN熱點，進行手機與硬件的連接，若連接失敗，在熱點配置中點擊AP頻段，選擇2.4GHz熱點頻段。連接成功后，設置的個人熱點界面顯示硬件設備名稱，且硬件設備上的數據自動發送和顯示在手機上，手機點燈App的寵物喂養系統會顯示聯機正常。表1為測試表，通過測試可以發現，App上的數據和LCD1602顯示屏上的數據在表1所示的范圍內基本一致。

4.2 按鍵模塊測試

按鍵模塊，設有三個按鍵，分別為設置、增加、減少按鍵，按鍵模塊的測試主要包括設置日月、時分和投喂時間，測試按鍵模塊的數據表結果如圖4所示。設置投喂時間進行測試，通過按下設置按鍵，使光標移動到投喂時間，按下增加按鍵或者減少按鍵可以設置投喂時間，投喂模塊測試可以觀察到投喂時間設置為15：10時，搖臂轉動，投喂成功。

4.3 報警模塊測試

報警模塊，在水量不足或者食物不足時，蜂鳴器會鳴叫，手機App會提醒水位不足或者食物不足，并且會在微信公眾號上提醒。先測試食物低于100g時，報警模塊的狀態，如圖5、圖6所示。

4.4 投喂模塊測試

投喂模塊采用步進電機模擬投喂功能，通過舵機塑料搖臂轉動的圈數模擬投喂次數，搖臂轉動一圈代表一次投喂。在模擬投喂時，搖臂轉動，投喂完成后，搖臂回到初始狀態。投喂方式有兩種，一種是通過按鍵設置，按鍵設置15：05分投喂。另一種是手機自動投喂，見測試表2，離線與在線兩種狀態，在線時手機設置15：10投喂，系統支持投喂功能。

5 結束語

在經過硬件和軟件的測試后，驗證了本設計的功能基本能夠實現，硬件接上電源，Wi-Fi熱點打開，使得硬件與手機能夠數據傳輸。本系統在硬件上，可以顯示具體時間，包括月日時分，也可以顯示食物重量、水位高低、預定投喂時間，并且也可以修改時間、預定投喂時間，在缺少食物或者水量的時候，蜂鳴器會鳴叫，提醒食物或水量不足；本系統在軟件上可以查看具體信息，比如聯機狀態、食物重量、水位高低，也可以設定投喂時間、投喂數量，從而實現遠程投喂的功能。

參考文獻：

[1] 孟艷艷，陳偉海，賈長洪，等.智能寵物喂食喂水系統研究與設計[J].中國高新科技，2020（21）：137-141.

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[3] 魏忠強.智能化的家養寵物喂食器設計要點探討[J].新型工業化，2022，12（4）：18-21，26.

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[5] 管嘉誠，李曉烽，黃志芳，等.基于ESP8266與機智云的物聯網智能家居[J].物聯網技術，2023，13（3）：140-142.

[6] 令曉靜.敏捷分布式WiFi技術研究及應用[J].中國新通信，2021，23（20）：66-67.

[7] 郭佳潤，宮雨夢，劉易坤，等.基于單片機的多功能背包的設計[J].科技創新與生產力，2023（1）：107-109，113.

【通聯編輯：梁書】