自动追光的智能互联宠物休养机系统设计

齐 宏 王炳翔 刘 龙 冯姿悦 孙成会

（东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

智能宠物家居作为一个新生产业，处于一个导入期与成长期的临界点[1]。该文旨在研究一个宠物产后康复仪。能够通过多种传感器感知环境参数，通过微控制器处理之后，控制驱动电路，能实现环境参数反馈、环境情况自动调节、始终维持适合宠物居住的环境参数。同时，采用三维的太阳能采光系统进行供电，通过光敏传感器感知光照射强度的变化，自动调节太阳能板采集光强的角度，实时跟随太阳光，最大限度地收集太阳能，实现对最大光照的调控采集。在太阳能发电系统中，太阳能板单位面积接收到的光照强度决定了太阳能板吸收的实际能量[2]。通过上位机手机App，实现远程移动数据监控各项参数、宠物健康状况，远程控制宠物屋升高室内温度、降低室内温度、升高室内湿度、降低室内湿度、开启紫外杀菌等功能。并能对异常数据进行反馈报警提示，定期进行紫外线灭菌，对流动空气进行过滤，使其始终保持在一个有利于动物恢复的环境。

1 太阳能自动追光装置的方案设计

1.1 太阳能自动追光装置的设计

太阳能自动追光装置系统主要由STM32F103C8T6 单片机、4 路环境光采集电路、二自由度组成的三维舵机控制系统、7.2 V 直流电源系统、单片机电源系统等组成。采用4 路环境光传感器采集太阳能板面所接收的光照强度，通过STM32F103C8T6 微控制器进行数据处理，控制金属舵机构成的三维机械结构，完成最大的光照采集度。

1.2 太阳能自动追光装置三维结构设计

太阳能电池板横向180°调节，4 个角安装有环境光传感器，并分别命名为L1、L2、L3、L4，通过ADC 接口与微控制器进行连接，采集不同光照环境下的电压值，再通过滤波算法计算，可以得到精确的光照强度值，同时STM32F103C8T6 控制器控制输出脉冲宽度调制（PWM），从而控制金属舵机0°～180°横向角度的自由调节。

L1、L2、L3、L4 分别为4 个角的环境光传感器，太阳能电池板与环境光传感器的纵向位置调节是通过微控制器输出脉冲宽度调制（PWM）控制，另一个舵机绕中心轴线实现0°～270°转动。

金属舵机转动结构、4 路环境光传感器采集电路、太阳能电池板、微控制器驱动电路等电路共同构成了一个二自由度三维自动追光结构，可以实现在X 轴、Y 轴、Z 轴三维方向的自动采集，实现最强光照的采集。

电压值通过一定比例关系转换即可得到光照强度的数值。

太阳能电池板的主要作用在于给系统的外设供电，通过环境光传感器感知太阳光照射强度的变化，通过金属舵机机械结构自动调节太阳能板的角度，实时自主跟随太阳光，最大限度地收集太阳能，保证宠物屋外设系统的供电稳定[3]。

2 装置主体的方案设计

2.1 系统主题设计结构说明

主体部分由单片机控制系统、PC 端上位机、环境调控装置（加热器、制冷器、雾化器、紫外杀菌装置）、传感器检测反馈系统（二氧化碳浓度检测、红外热成像温度计、心率检测传感器、蜂鸣器报警装置）、二自由度三维太阳能供电系统、上位机手机App 远程控制系统等组成。

STM32F103C8T6 微控制器通过脉冲宽度调制（PWM），控制TB6612 驱动模块，进而实现对传感器的控制。PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过对高分辨率计数器的使用，被调制的方波占空比用来对具体模拟信号的电平进行编码。电压或电流源以一种通（ON）/断（OFF）的重复脉冲序列加到模拟控制负载上。接通即直流供电被加到负载上，断开即供电被断开。只要带宽足够，任何模拟值均可用PWM 编码。

报警装置通过单片机GPIO 输出，模拟高低电平控制三极管导通闭合，实现蜂鸣器发声报警提示。其中数据检测采用的是众数滤波算法，实现二氧化碳浓度值滤波、心率滤波、温湿度值滤波。

众数滤波是数理统计中常用的一种数据处理办法，它要求对大量的数据进行处理，随着计算机运算速度的提高以及高速采集模块的使用，现在的处理周期已缩短到1 s 以内[4]。

2.2 子系统模块设计说明

图1 为环境调控装置的系统结构图，通过GPIO 与单片机接口进行通信，同时STM32F103C8T6 微控制器通过输出高低电平与脉冲宽度调制（PWM）的方式来控制TB6612驱动模块，从而控制加热器、制冷器、雾化器、紫外杀菌装置进行工作，系统采用12 V 直流电源与太阳能供电。

图2 为传感器反馈机制结构图，通过模拟信号采集电路与单片机ADC 进行数据通信，采用滤波算法，得出精确的传感器数值，为手机App 端与PC 端提供精确的传感器数值，便于微控器更精确的控制各项负载。

图3 为无线远程控制系统结构图，智能宠物屋通过单片机采集宠物屋环境信息，之后生成数据包，设备上报数据→运营商IoT 平台→机智云平台→手机端App，下发设备控制数据，进行设备控制。手机App 端对智能宠物屋的控制流程工作图：手机App 端→机智云平台→运营商IoT 平台→单片机设备端接收数据。

图1 环境调控系统结构图

图2 传感器反馈机构结构图

图3 无线远程控制系统结构图

STM32-F103C8T6单片机通过刷写GAgent固件的ESP8266物联网模块，接入机智云平台，从而实现远程的数据监控、远程控制操作等功能。STM32F103C8T6 单片机需要写：定时器在1 ms 中断、串口发送、串口中断接收等程序，最后与ESP8266 进行数据通信。

该设计中的智能宠物休养屋系统主要是针对动物，营造一个动物休养的最适环境，包括各项指标，例如湿度、温度、风速、光线等参数，同时选择合适的反馈控制，对环境因素进行动态监测，可根据其具体情况进行不同的状态反馈，从而实时地进行调节，该装置能够全面地反映系统的内部特性，并有效改善系统性能，同时还可以对环境调控过程以及变化进行监测，统计动物在不同参数下的恢复速度，进而确定当前各量是否合理以及其调节的大体趋势。在系统调试过程中，拟采用PID 控制方法，建立完善的反馈调节系统。

通过采用仿真软件模拟系统运行状态，以此来研究算法结构的可行性，并最终寻求系统最优结构和算法。拟用半实物仿真的方式，将已选用的传感器与部分控制组件作为子系统，代替部分计算机仿真模型进行半实物仿真实验，以提高仿真精度。

3 系统整体设计说明

该智能宠物屋系统在设计过程中，在软件方面采用Keil5 单片机编程，主要是通过编程控制单片机采集传感器数值、控制驱动芯片，实现对负载操纵。主要用到STM32F103C8T6 控制器的3 个串口、ADC、定时器、中断、串口通信协议设定、GPIO 等外设资源。而硬件方面则包括机械结构的设计、采集电路的设计、负载驱动的设计、控制接口等。将各部分硬件结构搭建完成后，进行软硬件的结合，使系统能够进行数据采集与控制等活动，然后进行系统的整体调试，通过仿真软件在线仿真，并随时观察寄存器数值的变化，修正软件仿真与实际应用之间存在的差异，从而使系统能够更好地修改环境参数因子、统计传感器采集到的数据和对输出量的控制，最后与宠物恢复状态进行对比分析，完善反馈调节机制。

ESP8266 物联网模块是该设计的核心部分，也是实现联网的基础，单片机与物联网模块通过串口进行通信，并且通过配网文件gizwitsSetMode 进行网络配置，实现网络接入功能。通过UserHandle 函数完成数据采集并上报逻辑、数据。单片机串口3 用于与ESP8266 模块进行数据交换，定时器用于毫秒中断设定、复位设定，单片机串口1 用于printf 函数打印，调试并观察数据变化，主要用于调试。通过串口烧录了GAgent 固件的ESP8266 模块，接入机智云之后会触发gizwits 逻辑，将gizPutData 数据发送至缓冲区，并抓包解析，进行数据分析及中断事件处理。

4 结语

该文从机械结构、App 软件、硬件电路、数据处理算法4 个方面完成了自动追光的智能互联宠物休养机的系统设计。在机械设计方面采用二自由度三维舵机结构，完成太阳能自动采光功能，并给主系统供电。软件方面优化了数据处理算法、软件App 协议设定，App 界面设计、控件设计。硬件方面包括系统供电电路设计、传感器数据采集电路、PC 端以及控制接口设计、物联网模块固件烧录、驱动电路设计等。实现太阳能应用与智能宠物屋结合，尤其是我国的太阳能资源十分丰富，分布范围广，充分利用太阳能对解决我国当前的能源问题有着十分重要的能源战略意义，符合当今社会绿色低碳的发展要求。