齊 宏 王炳翔 劉 龍 馮姿悅 孫成會

（東北林業(yè)大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

智能寵物家居作為一個新生產(chǎn)業(yè)，處于一個導入期與成長期的臨界點[1]。該文旨在研究一個寵物產(chǎn)后康復儀。能夠通過多種傳感器感知環(huán)境參數(shù)，通過微控制器處理之后，控制驅(qū)動電路，能實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)反饋、環(huán)境情況自動調(diào)節(jié)、始終維持適合寵物居住的環(huán)境參數(shù)。同時，采用三維的太陽能采光系統(tǒng)進行供電，通過光敏傳感器感知光照射強度的變化，自動調(diào)節(jié)太陽能板采集光強的角度，實時跟隨太陽光，最大限度地收集太陽能，實現(xiàn)對最大光照的調(diào)控采集。在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能板單位面積接收到的光照強度決定了太陽能板吸收的實際能量[2]。通過上位機手機App，實現(xiàn)遠程移動數(shù)據(jù)監(jiān)控各項參數(shù)、寵物健康狀況，遠程控制寵物屋升高室內(nèi)溫度、降低室內(nèi)溫度、升高室內(nèi)濕度、降低室內(nèi)濕度、開啟紫外殺菌等功能。并能對異常數(shù)據(jù)進行反饋報警提示，定期進行紫外線滅菌，對流動空氣進行過濾，使其始終保持在一個有利于動物恢復的環(huán)境。

1 太陽能自動追光裝置的方案設(shè)計

1.1 太陽能自動追光裝置的設(shè)計

太陽能自動追光裝置系統(tǒng)主要由STM32F103C8T6 單片機、4 路環(huán)境光采集電路、二自由度組成的三維舵機控制系統(tǒng)、7.2 V 直流電源系統(tǒng)、單片機電源系統(tǒng)等組成。采用4 路環(huán)境光傳感器采集太陽能板面所接收的光照強度，通過STM32F103C8T6 微控制器進行數(shù)據(jù)處理，控制金屬舵機構(gòu)成的三維機械結(jié)構(gòu)，完成最大的光照采集度。

1.2 太陽能自動追光裝置三維結(jié)構(gòu)設(shè)計

太陽能電池板橫向180°調(diào)節(jié)，4 個角安裝有環(huán)境光傳感器，并分別命名為L1、L2、L3、L4，通過ADC 接口與微控制器進行連接，采集不同光照環(huán)境下的電壓值，再通過濾波算法計算，可以得到精確的光照強度值，同時STM32F103C8T6 控制器控制輸出脈沖寬度調(diào)制（PWM），從而控制金屬舵機0°～180°橫向角度的自由調(diào)節(jié)。

L1、L2、L3、L4 分別為4 個角的環(huán)境光傳感器，太陽能電池板與環(huán)境光傳感器的縱向位置調(diào)節(jié)是通過微控制器輸出脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制，另一個舵機繞中心軸線實現(xiàn)0°～270°轉(zhuǎn)動。

金屬舵機轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)、4 路環(huán)境光傳感器采集電路、太陽能電池板、微控制器驅(qū)動電路等電路共同構(gòu)成了一個二自由度三維自動追光結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)在X 軸、Y 軸、Z 軸三維方向的自動采集，實現(xiàn)最強光照的采集。

電壓值通過一定比例關(guān)系轉(zhuǎn)換即可得到光照強度的數(shù)值。

太陽能電池板的主要作用在于給系統(tǒng)的外設(shè)供電，通過環(huán)境光傳感器感知太陽光照射強度的變化，通過金屬舵機機械結(jié)構(gòu)自動調(diào)節(jié)太陽能板的角度，實時自主跟隨太陽光，最大限度地收集太陽能，保證寵物屋外設(shè)系統(tǒng)的供電穩(wěn)定[3]。

2 裝置主體的方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)主題設(shè)計結(jié)構(gòu)說明

主體部分由單片機控制系統(tǒng)、PC 端上位機、環(huán)境調(diào)控裝置（加熱器、制冷器、霧化器、紫外殺菌裝置）、傳感器檢測反饋系統(tǒng)（二氧化碳濃度檢測、紅外熱成像溫度計、心率檢測傳感器、蜂鳴器報警裝置）、二自由度三維太陽能供電系統(tǒng)、上位機手機App 遠程控制系統(tǒng)等組成。

STM32F103C8T6 微控制器通過脈沖寬度調(diào)制（PWM），控制TB6612 驅(qū)動模塊，進而實現(xiàn)對傳感器的控制。PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過對高分辨率計數(shù)器的使用，被調(diào)制的方波占空比用來對具體模擬信號的電平進行編碼。電壓或電流源以一種通（ON）/斷（OFF）的重復脈沖序列加到模擬控制負載上。接通即直流供電被加到負載上，斷開即供電被斷開。只要帶寬足夠，任何模擬值均可用PWM 編碼。

報警裝置通過單片機GPIO 輸出，模擬高低電平控制三極管導通閉合，實現(xiàn)蜂鳴器發(fā)聲報警提示。其中數(shù)據(jù)檢測采用的是眾數(shù)濾波算法，實現(xiàn)二氧化碳濃度值濾波、心率濾波、溫濕度值濾波。

眾數(shù)濾波是數(shù)理統(tǒng)計中常用的一種數(shù)據(jù)處理辦法，它要求對大量的數(shù)據(jù)進行處理，隨著計算機運算速度的提高以及高速采集模塊的使用，現(xiàn)在的處理周期已縮短到1 s 以內(nèi)[4]。

2.2 子系統(tǒng)模塊設(shè)計說明

圖1 為環(huán)境調(diào)控裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，通過GPIO 與單片機接口進行通信，同時STM32F103C8T6 微控制器通過輸出高低電平與脈沖寬度調(diào)制（PWM）的方式來控制TB6612驅(qū)動模塊，從而控制加熱器、制冷器、霧化器、紫外殺菌裝置進行工作，系統(tǒng)采用12 V 直流電源與太陽能供電。

圖2 為傳感器反饋機制結(jié)構(gòu)圖，通過模擬信號采集電路與單片機ADC 進行數(shù)據(jù)通信，采用濾波算法，得出精確的傳感器數(shù)值，為手機App 端與PC 端提供精確的傳感器數(shù)值，便于微控器更精確的控制各項負載。

圖3 為無線遠程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，智能寵物屋通過單片機采集寵物屋環(huán)境信息，之后生成數(shù)據(jù)包，設(shè)備上報數(shù)據(jù)→運營商IoT 平臺→機智云平臺→手機端App，下發(fā)設(shè)備控制數(shù)據(jù)，進行設(shè)備控制。手機App 端對智能寵物屋的控制流程工作圖：手機App 端→機智云平臺→運營商IoT 平臺→單片機設(shè)備端接收數(shù)據(jù)。

圖1 環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳感器反饋機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖3 無線遠程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

STM32-F103C8T6單片機通過刷寫GAgent固件的ESP8266物聯(lián)網(wǎng)模塊，接入機智云平臺，從而實現(xiàn)遠程的數(shù)據(jù)監(jiān)控、遠程控制操作等功能。STM32F103C8T6 單片機需要寫：定時器在1 ms 中斷、串口發(fā)送、串口中斷接收等程序，最后與ESP8266 進行數(shù)據(jù)通信。

該設(shè)計中的智能寵物休養(yǎng)屋系統(tǒng)主要是針對動物，營造一個動物休養(yǎng)的最適環(huán)境，包括各項指標，例如濕度、溫度、風速、光線等參數(shù)，同時選擇合適的反饋控制，對環(huán)境因素進行動態(tài)監(jiān)測，可根據(jù)其具體情況進行不同的狀態(tài)反饋，從而實時地進行調(diào)節(jié)，該裝置能夠全面地反映系統(tǒng)的內(nèi)部特性，并有效改善系統(tǒng)性能，同時還可以對環(huán)境調(diào)控過程以及變化進行監(jiān)測，統(tǒng)計動物在不同參數(shù)下的恢復速度，進而確定當前各量是否合理以及其調(diào)節(jié)的大體趨勢。在系統(tǒng)調(diào)試過程中，擬采用PID 控制方法，建立完善的反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

通過采用仿真軟件模擬系統(tǒng)運行狀態(tài)，以此來研究算法結(jié)構(gòu)的可行性，并最終尋求系統(tǒng)最優(yōu)結(jié)構(gòu)和算法。擬用半實物仿真的方式，將已選用的傳感器與部分控制組件作為子系統(tǒng)，代替部分計算機仿真模型進行半實物仿真實驗，以提高仿真精度。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計說明

該智能寵物屋系統(tǒng)在設(shè)計過程中，在軟件方面采用Keil5 單片機編程，主要是通過編程控制單片機采集傳感器數(shù)值、控制驅(qū)動芯片，實現(xiàn)對負載操縱。主要用到STM32F103C8T6 控制器的3 個串口、ADC、定時器、中斷、串口通信協(xié)議設(shè)定、GPIO 等外設(shè)資源。而硬件方面則包括機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計、采集電路的設(shè)計、負載驅(qū)動的設(shè)計、控制接口等。將各部分硬件結(jié)構(gòu)搭建完成后，進行軟硬件的結(jié)合，使系統(tǒng)能夠進行數(shù)據(jù)采集與控制等活動，然后進行系統(tǒng)的整體調(diào)試，通過仿真軟件在線仿真，并隨時觀察寄存器數(shù)值的變化，修正軟件仿真與實際應(yīng)用之間存在的差異，從而使系統(tǒng)能夠更好地修改環(huán)境參數(shù)因子、統(tǒng)計傳感器采集到的數(shù)據(jù)和對輸出量的控制，最后與寵物恢復狀態(tài)進行對比分析，完善反饋調(diào)節(jié)機制。

ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)模塊是該設(shè)計的核心部分，也是實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，單片機與物聯(lián)網(wǎng)模塊通過串口進行通信，并且通過配網(wǎng)文件gizwitsSetMode 進行網(wǎng)絡(luò)配置，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入功能。通過UserHandle 函數(shù)完成數(shù)據(jù)采集并上報邏輯、數(shù)據(jù)。單片機串口3 用于與ESP8266 模塊進行數(shù)據(jù)交換，定時器用于毫秒中斷設(shè)定、復位設(shè)定，單片機串口1 用于printf 函數(shù)打印，調(diào)試并觀察數(shù)據(jù)變化，主要用于調(diào)試。通過串口燒錄了GAgent 固件的ESP8266 模塊，接入機智云之后會觸發(fā)gizwits 邏輯，將gizPutData 數(shù)據(jù)發(fā)送至緩沖區(qū)，并抓包解析，進行數(shù)據(jù)分析及中斷事件處理。

4 結(jié)語

該文從機械結(jié)構(gòu)、App 軟件、硬件電路、數(shù)據(jù)處理算法4 個方面完成了自動追光的智能互聯(lián)寵物休養(yǎng)機的系統(tǒng)設(shè)計。在機械設(shè)計方面采用二自由度三維舵機結(jié)構(gòu)，完成太陽能自動采光功能，并給主系統(tǒng)供電。軟件方面優(yōu)化了數(shù)據(jù)處理算法、軟件App 協(xié)議設(shè)定，App 界面設(shè)計、控件設(shè)計。硬件方面包括系統(tǒng)供電電路設(shè)計、傳感器數(shù)據(jù)采集電路、PC 端以及控制接口設(shè)計、物聯(lián)網(wǎng)模塊固件燒錄、驅(qū)動電路設(shè)計等。實現(xiàn)太陽能應(yīng)用與智能寵物屋結(jié)合，尤其是我國的太陽能資源十分豐富，分布范圍廣，充分利用太陽能對解決我國當前的能源問題有著十分重要的能源戰(zhàn)略意義，符合當今社會綠色低碳的發(fā)展要求。