叶军　华旭奋　孙晓艳

摘  要：针对目前宠物管理系统功能设计单一的现状，基于以用户体验为中心设计一种多功能宠物管理系统。该系统通过人机交互界面、互联网平台对宠物进行智能化系统管理，运用Arduino单片机与ESP8266、HMI、手机APP的多重结合实现不同用户均可控制宠物管理系统的多用户需求。该系统可以实现远近程实时管理宠物，包括宠物投食、喂水、体重监测、粪便处理，从根本上解决了因某些原因不能实时实地管理宠物、特殊人群不会控制宠物管理系统的问题。

关键词：用户体验;互联网+;宠物管理

中图分类号：TN99 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）31-0087-03

Abstract： In view of the current situation of single functional design of pet management system， a multi-functional pet management system is designed based on user experience. The system carries on the intelligent system management to the pet through the man-machine interface and the Internet platform， and uses the multiple combination of Arduino single chip microcomputer and ESP8266， HMI， mobile phone APP to realize that different users can control the multi-user needs of the pet management system. The system can realize the real-time pet management in long and short ranges， including pet feeding， water feeding， weight monitoring and fecal disposal， which fundamentally solves the problems， e.g. pets can not be managed in real time for some reasons， and special people can not control the pet management system.

Keywords： user experience; Internet Plus; pet management

引言

目前市场上的宠物管理系统的管理方法大多是手动和半自动的，产品较单一，其价格也是非常的昂贵，普通人群无法接受其价格在一定程度上根本无法满足我们的需求。体验经济正促使传统的产品设计思想革新，一种全新的设计理念——“以用户为中心”的设计已经得到了广泛认同[1]。针对目前的需求，整合市场上部分单一产品的优点，不同类型的用户就有不同的需求，他们的体验也就不同。而产品作为唤起人们体验经历的“道具”，这就要求产品设计向着更高层次发展，设计的重心由产品功能性和可用性扩展到关注产品的用户体验及产品与用户间的互动、产品与所在环境之间的交互以及产品对消费者生活形态的相互影响等[2]。基于宠物饲养者和宠物之间的双重视角，在此基础上设计既能满足宠物基本的生理需求，也要体现饲养宠物对人类身心健康带来积极影响。

1 系统架构

宠物管理系统主要由4个板块构成，分别是宠物屋板块，集智能宠物屋、智能投食喂水器、监控等设备于一体。自动化投喂板块，WIFI模块连接外部投食机，可定时，定量投食、喂水，语音呼唤宠物进食。人机交互触控屏板块，主要便于老人、小孩操作，无缝对接主人与宠物。智能铲屎板块，主要用于除味铲屎，对粪便物自动打包处理。

系统总体架构如图1所示，这4个板块主要由HMI模块、电源模块、传感器模块、WIFI模块、喂食模块、摄像头模块组成。

图1 系统总体架构

人机交互触控屏方便老人与小孩在家看护宠屋，所有信息都呈现在触控屏上，老人或小孩可通过简单的培训学会触摸屏的使用，查看相关信息，方便部分不会使用智能手机的老人和小孩操作。专门为特殊儿童设计播放器，播放音乐时训练宠物与特殊儿童玩耍，以缓解特殊小孩内心的孤寂感。传感器模块获得宠物屋温湿度、宠物体重等数据。摄像头模块实时查看宠物屋内的实景，观看宠物状态。电机模块用于自动化宠物粪便清理装置，控制过滤网翻转上下的移动。

2 传感器的选择

2.1 压力传感器

主要用于给宠物称量体重以推测健康情况，从成本考虑选用了具有5kG范围的压力传感器，一般情况下足够适用。通过搜索发现了一款HX711的压力传感器。外部给定一个压力，压力传感器就可以通过转换这个压力变成模拟量输出。通过更换应变片能实现多量程的转化，而且校准很轻松。输出的数值可达小数点后两位，满足系统的要求。

2.2 温湿度传感器

温湿度传感器用来监视宠物屋内的温度和湿度的变化，并将测量得到的数据实时发送到显示屏和手机APP端，以供主人参考，若温度过高，可开启超声波雾化片和小风扇进行加湿降温;若温度过低，将提醒主人注意宠物的保暖，以防宠物在长时间温度低的环境下被冻伤。

选用一般常用的DHT11。DHT11和 DS18B20一样都是采用单总线数据格式，沒有复杂的外围电路[3]。板载温度传感器和湿度传感器，可以直接接在8位单片机上。通过一部分电路连接，可以实时测量出当下环境中的局部湿度和温度。

3 软件设计

软件部分的设计是整个宠物管理系统的技术核心，如图2软件结构图，此系统可以在手机和触摸屏2个终端进行控制，采用的方法是ESP8266、HMI、OneNET平台和Arduino的多重结合。

图2 软件结构图

3.1 APP控制

首先将手机和ESP8266同时搭载在OneNET平台上，在电脑端点开串口调试助手， 按照下面的顺序指令发送AT指令配置完成WIFI模组。

（1）首先对模式进行选择，要想选择STA模式，就要使AT+CWMODE=1。

（2）然后对系统进行复位操作，命令为AT+RST。

（3）将WIFI模块与现有局域网相连接，比如：AT+CWJAP=“ZHINENG”。

（4）传送AT+CIPMUX=1的指令启用多连接的功能。

（5）使用服务器功能，确定其端口号，AT+CIPSERVER=1，8080。

（6）通過AT+CIFSR的指令，调看当前模式下的IP地址，比如：STAIP，“192.16

8.0.003”。

（7）在手机端的“EasyTCP_20”，进行IP地址和对应端口号的配置。

（8）长按APP界面中的对应块，输入命令及其对应的功能。如图3输入指令界面，A00101A2是使继电器吸合，A00100A1使是继电器断开。

（9）点击相应块即可通过终端输送

不同串口指令控制继电器。

将Arduino的IO口与之对应的控制口相结合就可以实现通过一个ESP8266控制多个继电器的通断。

3.2 HMI控制

HMI智能串口屏是可编辑的智能LCD触摸显示屏，拥有先进的人机界面处理系统和美观的嵌入式图形界面[4]。单片机的RX接屏的TX，单片机的TX接屏的RX。如图3HMI编辑工具界面所示单片机的通信波特率要和屏的一致，据了解，电容屏的默认波特率是9600，数据格式有4位。单片机控制屏的指令格式，一条控制指令，一条结束符，控制指令见指令集的指令，结束符是16进制的3个FF。界面上的控件使用UTF-8编码的字库，然后在页面初始化里根据不同语言为控件的txt属性赋不同的值。

HMI通过串口传输将按钮按下所产生的数据信息传给单片机处理，单片机通过对其处理再来控制相关元器件的闭合。Arduino的IO口发送相关信号控制相关器件的通断，通过这种方式导入编写到HMI中，就可以在触摸屏上进行器件的通断操作。

对所有的控件进行定义完成后，如图4所示与传统的机械按钮相比，电容式触摸感应技术有助于创造出更为优雅的触摸界面[5]。

3.3 Arduino编程

Arduino单片机的编程语言简单清晰，它所有的库函数都是开源的，开发者可以根据自身的需求对相应的库函数进行修改[6]。编程语法类似于C语言，最重要的是它是一个跨平台的环境，支持windows、Linux和Mac操作系统，它还可以添加C++库来增强编程选项[7]。如图5，Arduino编程架构一般为系统的初始化、串口通讯的设置、函数调用、设置引脚状态。

图5 Arduino编程架构

4 测试

如图6所示，电源给Arduino单片机供电，Arduino单片机对LED灯进行控制。LED灯根据光照传感器的光照模拟量大小自动实现光照强度的变化，光照传感器的光照模拟量传输到Arduino单片机上。Arduino单片机上采集到的模拟量将全部实时显示在电容触摸屏上，包括当前光照量、温湿度、时间、宠物门状态、摄像头状态、宠物体重的状态。通过电容触摸屏可以对LED灯、摄像头、水泵进行操作。当宠物屋不干净时，通过Arduino单片机对水泵的控制。将水从水箱中抽出，输送到三个喷水头处。实现清洁宠物屋的作用。当宠物屋温度过高时，超声波雾化器通过频率改变震动使水变成水雾，将水雾化完后有小风扇吹出的风将雾吹至宠物屋里，可以起到降温、除异味的功能，营造舒适的环境。

压力传感器的模拟量通过WIFI模块传输到手机App上，通过Arduino单片机传输到电容触摸屏上。在手机App上和电容触摸屏上均可对自动门进行控制。

电源连接电容触摸屏、LED灯、光照传感器、WIFI模块、Arduino单片机、水泵、压力传感器、自动门。水箱连接水泵和喷水头。电源在水箱后面。摄像头在宠物屋的左上角。电容触摸屏通过电线连接位于宠物屋的上面。

宠物投食机放在宠物屋中，受触摸屏和手机App控制。电源连接Arduino单片机、LED灯、摄像头、WIFI模块、加热管、电磁阀。

食物储存仓与饮用水储存仓分别储存食料和饮用水。加热管1与加热管2分别用来单独使食料和饮用水加热，电磁阀1与电磁阀2分别控制食物输送管和饮用水输送管的通断。

电源给Arduino单片机供电，单片机连接WIFI模块，WIFI模块通过手机App端控制电磁阀1和电磁阀2的通断，当宠物需要进食时，电磁阀1打开，食料通过食物输送管输送适量食物到食物槽中，当宠物需要喝水时，电磁阀2打开饮用水将通过饮用水输送管分别输送到饮用水槽中。冬天时，通过手机App控制加热管1和2的通断对食物输送管和饮用水输送管中的食料和饮用水进行加热。温度传感器检测到适当温度，温度模拟量发送到App端，并切断加热管加热实现自动加热。

夜间时，通过WIFI模块远程点亮LED灯，LED灯将照亮食物槽和饮用水槽使宠物夜间也能进食与饮水。食物残渣落到挡板上。将挡板平行抽出，食物残渣将掉到残渣储存盒中。

5 结束语

本课题设计了一个宠物管理系统，众多家庭把宠物当成一员，高效便捷的管理宠物需求也越来越多。本系统可面向多个对象使用，简单易上手，但其仍然还存在着许多问题，面临着系统优化、成本降低等问题。未来，智能制造趋势向好，期待未来的宠物管理产品可以更加智能化、集成化。

参考文献：

[1]钟明.交互设计中基于用户目标的任务分析方法及流程研究[D].湖南大学，2009.

[2]华梅立.交互设计中的原型构建研究[D].江南大学，2009.

[3]李博，尹礼鹏.基于STM32的智能家居的电路与设计[J].电子设计工程，2020，28（07）：177-180.

[4]刘寺杰，徐敏，张晨宇，等.基于HMI智能串口屏显示的温湿度测量系统[J].科教导刊（下旬），2018（08）：59-60+84.

[5]YIDING LUO.HMI：设计电容式触摸传感界面的注意事项[J].今日电子，2018（06）：39-40.

[6]王兵.基于Arduino单片机的半导体制冷箱设计[D].西南交通大学，2019.

[7]Njekwa Kota Sawekema. A Cost Efficient Wireless Sensor Network for Grain Storage and Environmental Monitoring Based on Zigbee and Arduino[D].华南理工大学，2018.