基于树莓派的智能宠物屋的设计与实现_邓悦.pdf

邓悦喻恒王永涛（平顶山学院信息工程学院，河南 平顶山467000）随着社会经济的发展和城市化进程的加速，居民饲养宠物的需求及观念也在不断迭代，宠物市场也逐渐兴起1。很多时候人们由于工作繁忙无暇顾及家中的宠物，缺少食物或水2、宠物身体不适、室内温湿度不宜居住等。面对大多数饲养者早出晚归和经常出差的工作现状，人们对于宠物饲养的自动化和智能化的需求也越来越迫切。本文设计实现的智能宠物屋更加方便快捷，节省时间的同时也给饲养者增加生活的趣味性和舒适性，同时也提升宠物的生活质量。1智能宠物屋总体设计智能宠物屋总体上可以分为三部分，智能宠物屋、客户端、云服务器。智能宠物屋部分主要由树莓派、传感器模块及电机模块构成。树莓派通过传感器模块监测宠物屋环境状态并且能够响应远程设备的控制，主要实现数据采集与云服务器数据交互。采集到的数据信息会上传到客户端，方便客户实时察看宠物屋内状态3，同时也可以直接在客户端对终端设备进行控制。总体结构设计如图1所示：图1总体结构设计图2智能宠物屋总体功能设计该智能宠物屋主要包括数据采集功能、设备控制功能、信息显示功能三大部分。系统功能模块设计如图2所示：图2系统结构总体框图2.1数据采集功能数据采集功能实现了系统对宠物屋内环境温湿度、投食器内食物余量、宠物的体表温度的监测与采集，是实现设备控制功能和信息显示功能的基础。数据采集功能流程图如图3所示。2.1.1温湿度数据采集温湿度数据采集是利用DHT11温湿度传感器，DHT11传感器输出的 数 字 信 号 都 是 经 过 校 准 的4，DHT11与 树 莓 派 的 接 线 简 单，DHT11的正极接VCC，DHT11的负极接GND，DHT11的DATA口（数据传输口）接到树莓派的GPIO口，通Adafruit_DHT.read()方法的返回值就能获取宠物屋内的温湿度数据。DHT11上电后，通过Adafruit_DHT类的read()方法的返回值获取宠物屋内的温湿度并记录，此时DATA（数据传输口）引脚处于高电平输入状态，DHT11并不会向树莓派上报数据。树莓派的GPIO口设置为低电平输出状态，此状态时间不能少于18 ms，然后将GPIO口设置为输入状态，开始请求数据。传感器接收此该信号后，将DHT11的数据传输引脚设置为输出状态，然后发送80 s的低电平信号作为应答，随后发送80 s的高电平信号给树莓派，通知树莓派准备接收数据。树莓派通过GPIO口会接收到DHT11的40位数据，然后根据通信的数据格式将数据解析出来5。在采集完温湿度数据之后，将使用TCP/HTTP协议将数据实时的发送给云服务器。云端服务器对数据进行存储分析，将数据显示到用户客户端。2.1.2食物余量和水余量数据采集饮食余量的数据采集是利用HX711模块压力传感器实现的。压力传感器的输出量为模拟电压量，本质上是一种将物体的重量信息转换为可测量的电信号的输出装置6。系统工作时，树莓派主控芯片通过I/O口模拟芯片所需时序，对HX711芯片内部寄存器读写，实现数据采集，程序通过Hx711模块的check()方法获取当前采样的重量值。2.1.3宠物体表温度数据采集宠物的体表温度的监测采用MLX90614红外测温传感器，MLX90614传感器集成了两个专用于处理红外传感器输出信号的芯片7。MLX90614传感器具有一个特制光过滤器，可以让5.5149 m以外的光在探头接收辐射时不被采集到，这样可以得到精确的体温值。程序通过调用MLX90614()库中的read_reg()方法读取数据，调用get_obj_temp()返回温度值。得到温度值，上传至云服务器，最终在Web界面端界面显示。基于树莓派的智能宠物屋的设计与实现摘要：随着宠物饲养逐渐深入居民日常生活，人们对于宠物饲养的自动化和智能化要求也越来越高。主要设计了一款基于树莓派的智能宠物屋，采用树莓派4B作为核心板，利用嵌入式技术、传感器技术、网络通信技术等设计实现智能投食喂水、实时监测并调节宠物屋温湿度、监测宠物体温、宠物屋空气净化、杀菌消毒等功能，从而帮助饲养者远程或近程照顾宠物的日常生活，减轻饲养员的负担。关键词：宠物；温湿度；树莓派；传感器；Vue.js图3数据采集功能流程图基于树莓派的智能宠物屋的设计与实现22工业控制计算机2023年第36卷第1期2.2设备控制功能模块设备控制功能模块实现了系统对舵机、继电器、风扇、加热板、空气净化器、紫光二极管等终端设备的控制，可以使用户随时随地调节宠物屋的环境参数。2.2.1自动控制自动控制方面，对于饮食的自动控制，压力传感器通过check()方法获取当前压力值，然后通过get_data()的返回值得到设置的阈值信息，并和当前压力值进行比对，当压力值低于设定阈值时，HRELAY类中的run()方法的参数值返回True，控制舵机工作实现电工推杆的下降，食物流入餐盘，当压力达到设置的阈值时，HRELAY类中的run()方法的参数值返回False，控制舵机工作实现电工推杆的上升，挡住滑道。对于温湿度的自动调节将采集到的温湿度数据和设置的阈值进行对比，当温度过高时，会通过GPIO.output()方法改变其高低电平状态，从而实现远程继电器实现风扇运转。当温度过低时，则通过GPIO.output()方法设置trigger的bool值和为Ture和Flase，就能实现自动恒温陶瓷PTC发热片的加热。自动控制温湿度工作流程图如图4所示，自动控制饮食工作流程图如图5所示。图4自动控制温湿度工作流程图图5自动饮食工作流程图2.2.2手动控制该设计可以通过Web端对终端设备进行手动控制，用户触发界面控制按钮，将数据发送到服务器端，然后调用相应的程序代码驱动相应的硬件设备工作。控制开关组件van-switch这三个组件都绑定了handleChange()函数。当用户手动调节时，触发chang事件，执行handleChange()函数，把getHome()接口得到的数据赋值给option，把option.food的数值绑定到v-model上，后端根据请求里的字段修改对应的配置文件，实现远程操作功能8。可以实现控制电风扇、加热板、空气净化器、杀菌消毒的打开与关闭。2.3客户端功能模块Web端的设计是利用Vue.js、Element UI等框架技术实现9。主要有信息显示页面和操作页面。用户可以通过信息显示页面随时查看宠物屋内的环境信息。信息显示页面可以查看当前食物和水的剩余量、宠物屋内的温湿度、宠物的体表温度。信息显示页面如图6所示。操作页面主要实现对终端设备的远程控制。包括手动调节食物和饮用水的阈值数据、手动控制电风扇、加热板、空气净化器、杀菌消毒的打开与关闭。操作页面如图7所示。图6信息显示页面图7操作页面3系统调试系统测试的目的是查看智能萌宠小屋的硬件及软件部分是否能达到预期要求；测试硬件部分终端节点各传感器是否能准确检测周围环境相关信息；控制功能是否能正常执行；软件测试主要是查看网站是否能正常显示信息，以及是否能够在手机客户端正常控制终端设备。如果其中有模块不能达到预期功能，需要对此进行完善，并最终完整个智能萌宠小屋的实现。3.1饮食模块功能测试饮食功能主要测试出粮的稳定性，出粮稳定性主要由压力传感器及电动推杆决定。存放容器一般有两种临界的状态，满载和空载，为了实验的准确性，本次测试选取了接近临近状态的两种情况进行出粮稳定性测试，通过设置不同的出粮量，将实际出粮量和理论出粮量进行比较，计算其误差。测试结果如表1所示：表1投食器稳定性测试从表1可知，投食的设置出粮量与实际出粮量误差小于1 g，在可控范围内，且在存储器较满时更加稳定。3.2温湿度采集功能测试在不同的环境下进行测试，利用手机客户端显示的温湿度值和DHT11测试的温湿度值进行比较，看是否存在较大误差。温湿度测试结果如表2所示：表2温湿度测试结果由表2可以看出，用传感器测试的温度数据与家用温度计测试数据相差并不大，误差在1左右，用传感器测试的湿度数据与家用湿度计测试数据误差在3%左右，这些误差影响不大，23（上接第21页）经积累了更为丰富的经验，各设计单位已经摆脱了依靠国外技术进行DCS系统设计的束缚。各设计单位经过多年的与国外供应商的技术合作，不断汲取供应商的先进理念并在工程设计中进行应用，已经建立了比较完善的工程设计体系，培养了经验丰富的设计团队，这为非安全级DCS设备国产化应用垫定了雄厚的技术保证。核电站非安全级DCS的重要设计工作均由设计单位进行承担，设备供应商仅是按照设计的详细要求进行工程化实施及应用。从工程前期的DCS基本技术要求、总体功能需求的提出，到执行阶段DCS一层的功能图、SAMA图的设计，再到DCS二层系统画面、报警规程等人机接口功能的设计，均由设计单位掌握，不依赖于DCS供应商。设计单位对DCS供货商在工程实施过程中形成的各类文件进行审查，通过审查意见进一步明确设计意图和要求，并与DCS供货商通过共同讨论解决方案，这在很大程度上把握住了DCS供货商的工程实施过程，保证了最终的工程产品满足核电站的功能需求及安全可靠。3.5非安全级DCS设备国产化应用利于工程管理和进度控制本世纪以来，除中国正在大力发展核电外，全球范围内其它国家并没有大量新建核电机组，这导致各国供应商并没加大力度有去研发新的核电DCS控制系统。由于欧洲、美国等本土核电产业的萎缩，这些国外供应商无法获得足够的工程业绩来支持其发展，只能依靠其原始开发阶段积累的技术领先优势来维持部分业务，其工程实施能力、技术水平和应用经验均没有得到进一步提升。我国建设的多台核电机组曾经共同采用了国外某DCS公司的产品，该供货方在工程实施过程中严重拖期，给核电站的建设带来很大的经济损失。这次工程拖期究其原因，无非是由于国外DCS供货商对核电项目实行严格的管制措施，核电项目的执行一般仅限于外方本国内的核电部门执行，而不授权中国内地的有着丰富工程经验及技术的分公司来执行。由于外方多年来未曾执行过核电项目，该DCS供货商的本部人员缺乏核电项目经验，并且人力投入不能满足项目开展的需求，最终造成了DCS设备供货时间一拖再拖。相比较之下，国产DCS工程与售后服务能力则比较强。在火电、化工等工业领域，国产DCS工程能力和售后服务能力均强于进口DCS。由于国产DCS多年来一直处于争夺市场的过程中，服务周到是其一贯的优势。在工程执行中，国产DCS供应方技术人员更容易发现项目中出现的问题，工程现场各方解决不了的问题，供应商的技术人员一般都能及时赶到并得以解决。4结束语综上所述，国产DCS设备商基于其工业行业成熟应用的DCS技术，针对核电的特殊功能需求进行适应性开发，并开始应用于大型核电站的非安全级DCS系统。因此，在充分调动核电业主方、设计方、国内DCS设备供应方的力量，利用各方的技术积累和广泛的工程经验，集中力量来实现非安全级DCS更为全面的国产化应用是可行的。非安全级DCS系统的国产化应用将在更大程度实现我国核电装备的自主化，全面提升我国的核电控制系统的技术水平、工程实施能力，对于我国核电的规模化建设将起到非常积极的作用，也为我国成规模地出口具有完全自主支持产权的核电技术及装备的打下更加坚实的基础。参考文献1黄勃，孙长生，丁俊宏，等.国产DCS应用情况调研与推进应用进程的建议J.仪器仪表用户，2012，19（5）：15-17收稿日期：2022-05-27基于树莓派的智能宠物屋的设计与实现温湿度检测功能正常实现。3.3红外测温功能测试对红外测温传感器在不同的环境对宠物测温进行测试，利用手机客户端显示的温湿度值和红外测温传感器测量的温度值进行比较，看是否存在较大误差。温度测试结果如表3所示：表3红外测温测试结果从表3可以看出，红外测温传感器测试数据与家用温度计测试数据相差并不大，误差在0.5左右，这些误差在可控范围内，红外测温功能正常实现。3.4系统稳定性测试测试系统一直处在运行状态，是否会突然出现异常，为了验证这种情况，对系统进行了稳定性的相关测试。本次测试，将系统连续开启6小时，观察系统是否一直正常工作。测试完毕，