基于Arduino的宠物可穿戴设备设计

2019-12-12莫尹宇

魅力中国 2019年46期

莫尹宇

（佛山科学技术学院，广东佛山 525200）

一、设计背景

据2018年《2018年中国宠物行业白皮书》①现中国城镇共有9149万只猫和狗，2018中国宠物（犬猫）市场规模高达1708亿。全年单只宠物平均消费5016元。人们很舍得为萌宠花钱，为宠物市场爆发提供充足的动力。而且养宠物的人群主要集中在高知白领人士，这也为智能设备的推广提供了背景。本文志在探索设计一款集精准定位、健康检测和用户讨论于一体的宠物智能穿戴设备，有效解决宠物丢失，疾病多发等问题。

二、系统设计

（一）系统整体设计方案

设计采用Arduino 作为为处理控制器进行数据传输、数据分析、远距离通信和工作响应。Arduino电路板的设计使用了各种微处理器和控制器，这些电路板配有一组数字和模拟输入/输出（I/O）引脚，可以连接各种扩展板或面包板（屏蔽板）和其他电路。在微处理控制器上通过收集各部分传感器模块的信息和GPRS/Wi-Fi通信，实现定位、健康检测功能，在APP用户层界面可以及时得到反馈信息。系统整体框图设计如下图1。

图1 系统整体框图

(二)系统主要功能实现方法

1.Arduino单片机

Arduino是一个开源软硬件平台生态圈，相对于其他市面上的嵌入系统而言具有操作简单，包含硬件部分各种型号的操作板和软件部分的IDE编程环境。本设计选用低成本、体积小的Arduino uno R3作为核心控制器，它具低功耗的ATmega328内核，集成32KB的flash储存器、1KBEEPROM以及14个IO口满足设计要求。

2.定位功能

本设计通过目前被最广泛应用的GPS定位技术来实现宠物的定位功能，采用U-box公司推出的NEO-6M模块采集数据，NEO-6M不仅低成本而且体积小性能好还自带可充电电池，再掉电时可保留数据。通过其智能化功率管理功能，达到功耗低同时使电池寿命增长。同时NEO-6M所能捕获到的相关引擎数量提升到两百万，再提高微弱信号捕获能力的同时，更大大缩短了定位时间。

当NEO-6M模块接收到定位信息后，将通过串口与Arduino微处理控制器进行通信，接收到定位信息后Arduino单片机再将数据通过串口发送到GSM/Wi-Fi模块上，最终由它们将数据发送到云端服务器，再由云端服务器发送到用户的客户端上，实现获取动物实时定位信息的功能。GPS模块与Arduino的连接如下图2所示

图2 GPS模块与Arduino连接图

3.健康监测

在宠物的各项生物特征中，温度、心率是重要的反映宠物是否健康的参数。设计中采用DS18B20温度传感器和MAX30102心率监测模块，辅之加速度传感器ADXL346，可以记录宠物的日常运动习惯。

DS18B20是现今最常用的数字测温模块，仅需一条I/O线就可以实现与微控制处理器进行串口通信和充电，更拥有体积小、成本低、抗干扰能力强和精读高的特点。它的测温范围在-55℃～125℃，分辨率可达0.0625℃,一般犬猫的体温都在36℃～40℃，传感器符合要求。

MAX30102心率监测模块经常被用在可穿戴设备上，是一种光电反射式模拟传感器。不会对生物体造成伤害，是一种无创式的心率监测模块。它能够实时测量体温，体积微小，精度准确，成本低，具有实际应用价值，符合该设计的定位。

ADXL335加速度传感器是常用的计步模块，它具有小巧纤薄的特点，不容易出现误测。对于运用电池供电的可穿戴设备来说，各部分原件的功耗极其关键，而ADXL335在测量模式的功耗为40微安，待机时更低至0.1微安，功耗极低，符合本设计的要求。

健康监测的各个传感器均能与Arduino进行串口通信，然后再由Arduino将数据传输到GPRS/Wi-Fi模块上上传至云端服务器，再进行信息处理，发送到各个客户端。

4.数据传送

（1）近距离传输

近距离传输采用ESP8266Wi-Fi模块，该模块具有超低功耗的，传输性能稳定等特点。能直接与Arduino进行数据传输，而其所搭载的高速缓存器也可以降低内存。

（2）远距离传输

远距离传输选用SIM300模块，SIM300模块具有低功耗，并且同时具有GSM以及在900MHz、1800MHz以及1900MHz三个频率工作的小体积实时高速传输模块。支持TCP/IP协议栈。再插入SIM卡后，Arduino微控制器可以发送AT指令, 使已经处理好的各传感器数据发送给GPRS，再由GPRS建立TCP/IP连接，向云端服务器发起HTTP请求并发送数据。

5.App用户层

采用Java语言编写App，并通过Socket编程与租用的云服务器进行通信。用户可以通过手机App查询宠物现在的健康信息和定位信息，当发现动物有异常数据时立即发送警告，并自动推送附近的宠物医院。手机App工作流程图3所示。