【基于ESP32单片机的宠物自动喂食器设计8700字（论文）】

基于ESP32单片机的宠物自动喂食器设计摘要随着我国经济不断高速发展，科学技术不断进步，人民生活水平不断提高，人们不再单纯的追寻温饱满足，越来越追寻精神富足，除了亲情外，目前却来越多人开始寻求另一种感情寄托——“养宠物”，而随着全球化和我国城市化的进程不断加速，出差成为很多年轻人的日常，出行期间宠物看护费用高昂，出行期间宠物的饮食及健康状况成为人们关注的重点。本设计使用了ESP32单片机作为宠物自动喂食器的主控器，外围设备有压力传感器、水位传感器、温湿度传感器、OLED显示屏、舵机和蜂鸣器。通过WiFi通信远程控制其工作状态，通过移动端app监测宠物饮食情况，实现对宠物的随时照顾和精准关爱。让人们出行放心，让宠物远离饥一顿饱一顿的不良饮食，宠物自动喂食器可以满足短期出行宠物无人看护的问题，同时本设计功能齐全，操作便利，界面美观，研发成本低，能够对宠物实现远程精准关爱，具有极大的市场价值和经济效益。关键词：宠物；ESP32单片机；WiFi；阿里云目录TOC\o"1-3"\h\u14991.绪论 182071.1选题背景和研究意义 179641.2国内外智能宠物用品现状 1201361.2.1国内宠物用品现状 2145571.2.2国外宠物用品现状 2212241.3系统建设目标 2289811.4论文结构 3116972.宠物自动喂食器系统需求分析 4235602.1宠物自动喂食器的总体功能需求 4265792.2宠物自动喂食器硬件需求分析 4310912.3宠物自动喂食器软件需求分析 5310393.宠物自动喂食器的硬件以及相关技术分析 683883.1宠物自动喂食器硬件模块选择 698953.1.1ESP32单片机 631003.1.2通信模块 7289463.1.3称重模块 8210303.1.4水位检测模块 9202793.1.5温湿度检测模块 10180613.1.6OLED显示模块 11262723.1.7舵机驱动模块 11161483.2宠物自动喂食器硬件设计所用软件介绍 11273583.2.1LCEDA软件介绍 11272633.2.2ArduinoIDE介绍 11151864.宠物自动喂食器的软件设计以及相关技术分析 1340104.1宠物自动喂食器软件总体设计 13236434.1.1宠物自动喂食器软件设计流程 13323934.1.2宠物自动喂食器设备与阿里云服务器 1438234.2宠物自动喂食器软件设计步骤 1425255.宠物自动喂食器测试 1686715.1宠物自动喂食器硬件测试 16225025.1.1WiFii连接测试 16128885.1.2传感器数据采集测试 1823985.1.3控制舵机测试 18321015.2宠物自动喂食器软件测试 19290496.总结与展望 21129196.1.总结 21119696.2展望 2130530参考文献 2213326附录 23绪论本章节介绍了本次选题的背景、研究的意义、国内外智能宠物设备行业的现状以及系统的设计目标，并且介绍了论文的结构。1.1选题背景和研究意义近年来，我国经济不断增长，人民对生活质量的要求不断提高，但人口老龄化日益严重。由于年轻群体的工作压力逐渐增大，空巢老人数量不断增加，不婚主义者和丁克比重不断上升，所以更多的人们开始寻找情感的寄托。猫、狗等宠物在从前不发达社会中是负责抓老鼠、看门的“工具型动物”，而现如今其逐渐演变成了家庭生活中的一份子的“陪伴型宠物”。在这种情况下，越来越多人称自己宠物为儿子、女儿，甚至将无法向他人诉说的话向自己的宠物倾诉，宠物可以在需要的时候给人们精神上的满足,可以一直陪伴在身边。如今随着全球化趋势不断加强，很多人的工作避免不了长期或短期出行，现在很多宠物主人在快节奏的生活下无法实时全身心照顾自己宠物的饮食起居，而常常因出行期间宠物的饮食无人看管，不得不将宠物送到宠物店看管或交由亲友照顾，或是由于平时工作繁忙，没有足够的时间去全心全意的照顾自己的爱宠，不仅会缺失对宠物的照顾和关怀，还可能会分散在学习、工作和生活中的注意力，甚至严重影响影响自己的生活。随着物联网行业越来越受欢迎，物联网设备也慢慢走进普通的家庭，其中由于宠物行业日益繁荣，所以人们对于宠物日用品智能化的需求越来越强烈，而如今市面上大多数的宠物喂食器大部分的功能只有定时喂食，无法满足远程喂食和控制喂食量，并且价格昂贵，使得人们要花费更多时间和精力去照顾自己的宠物，甚至更严重可能会影响自己的正常生活。由于年轻人的快节奏生活、老年人外出旅游或者业余活动逐渐丰富，现在很多宠物被长时间留在家中，被形象的成为“空巢宠物”，受新冠疫情的影响有不少宠物面临着断粮断水的危机，实现远程实时监控喂食喂水量逐渐成为很多宠物主人的刚需。1.2国内外研究现状2020年受疫情影响，全球经济普遍走下坡路，在快节奏的生活中，过半的养宠人士将宠物视作他们的家人来缓解孤独，所以宠物经济却未受影响，甚至还有逆流而上的趋势。我国的宠物产业相对许多西方发达国家起步较晚，但发展速度很快。近两年来，撸猫和吸狗成为一种潮流，养宠物的人数不断增加。许多宠物主人把它们当作自己的家人。我国宠物产业自形成以来，宠物经济持续增长，但行业规模并不是很大。但2012年以来，宠物市场增长速度极为明显，宠物经济市场日益火爆，行业规模不断扩大和提高。如今互联网经济在国民经济中的比重越来越大。宠物消费的网络经济在网络经济中也占有很高的比重[1]。根据天猫和淘宝的计算，网上购物已经占据了很大的比重,2017年宠物食品商品工业消费比重近75%，销售额约300亿元，同比增长近30%[2]。随着物联网技术、大数据、云计算、人工智能等技术的发展，人们对智能宠物产品的需求越来越大。2017年，美国养宠物家庭数量占全国家庭总数的68%，英国养宠物家庭数量占全国家庭总数的45%，日本养宠物家庭比例也达到38%[3]。物联网云平台就是物联网世界的核心。纵观国内物联网行业，华为和阿里在国内物联网行业遥遥领先并且竞争也最为激烈，在这个领域中，双方分别不断努力进步，各自有各自的优势。作为中国最有影响的公司，阿里巴巴从芯片、到嵌入式系统、到物联网平台，再到各种ET大脑及工业互联网平台，最后到SaaS加速器及小程序。阿里云物联网之路非常的清晰，充分发挥了阿里在大数据领域的多年的技术积淀，让众多的传感器、智能设备接入到阿里物联网平台，充分利用阿里云并发接入的优势，真正实现互联中国，数字中国[4]。1.3系统建设目标宠物自动喂食器能够实现更加轻松、更加便捷智能喂食喂水，可在LCD屏幕或者是手机上设置或修改每次喂食喂水的阈值，宠物自动喂食器能够根据设定好的阈值给宠物精准喂食喂水，并可以通过手机app实时查看当前食物碗以及水桶的当前余量，根据余量随时在app端实现一键投喂，使得宠物主人按照宠物的需求随时调整喂食喂水量和喂食喂水的时间，一餐多份，一份少量，确保宠物既不会撑也不会饿，不浪费食物和水还能吃饱喝好，实现科学喂养。具体的设计目标如下：通过面板可查看当前食物碗和水桶的余量情况并且显示当前环境的温度和空气湿度，并且可以修改每次喂食喂水的阈值。当食物碗的余量低于阈值时舵机旋转，蜂鸣器报警，实现自动喂食，当食物碗的余量高于阈值时，舵机转回，蜂鸣器停止报警。通过手机app可以实时看到当前食物碗和水桶中的余量情况，而且能够远程增加喂食，修改喂食量和喂水量。通过压力传感器和水位传感器精准测量和控制喂食和喂水量。通过温湿度传感器精准测量当前环境温度和适度。1.4论文结构本文主要介绍当前智能宠物用品行业现状、需求分析、所使用的相关软硬件、整个系统的设计方法和具体步骤以及最后的系统测试。第一章是绪论部分。本章节介绍了本次选题的背景、研究的意义、国内外智能宠物设备行业的现状、系统的设计目标以及论文的结构。第二章是需求分析部分。本章节介绍了宠物自动喂食器的具体需求，从系统的总体需求入手，又分别介绍了系统的硬件需求和软件需求。第三章是硬件设计及相关技术部分。本章节主要介绍了硬件的选型以及编写代码。第四章是软件设计及相关技术分析。本章节主要介绍了软件的设计过程以及编写代码。第五章是测试部分。本章节主要介绍了宠物自动喂食器的测试结果，分成软件测试和硬件测试部分。第六章是总结和展望部分。本章节主要介绍了对本次设计的总结以及对未来从智能宠物设备行业的展望。宠物自动喂食器系统需求分析在了解了行业现状和当前智能宠物设备的不足之后，确定了宠物主人基本的需求，本章将详细介绍本系统的具体需求。2.1宠物自动喂食器的总体功能需求本设计选用ESP32单片机作为宠物自动喂食器。整个喂食系统由ESP32单片机主控器、称重传感器、喂食器、喂水器、报警系统、WIFI模块等组成。单片机是主控模块，其外接其他模块。称重系统通过称量喂食器其中的食物的重量并反馈给主控器。喂食系统当主控器发出投喂信号时，通过舵机带动阀门实现精准投喂。喂水系统通过水位传感器测量当前容器中的水位。报警系统是主控器检测食物碗当前余量，当低于设定的阈值时，发出信号实现报警。综上所述，宠物自动喂食器的功能如图2-1所示。移动终端显示食物重量显示水位信息远程调整食物重量和水位阈值远程一键喂食移动终端显示食物重量显示水位信息远程调整食物重量和水位阈值远程一键喂食喂食器硬件测量食物重量测量水位信息调整食物重量和水位阈值温度检测蜂鸣器报警阿里云服务器阿里云服务器接收食物重量信息接受水位信息接受温湿度数据控制喂食图2-1宠物自动喂食器总体设计如图所示，由ESP32单片机接收称重压力传感器、水位传感器、温湿度传感器所测量的重量、水位和温湿度信息，并且可通过按键来设置每次喂食时食物重量的阈值，单片机将传感器测量的各种信息通过WiFi模块上传至阿里云服务器，移动终端可通过云服务器查看当前宠物自动喂食器食物碗中食物余量、水箱中水位信息等，终端设备通过访问阿里云服务器远程控制喂食，并且可以通过阿里云服务器调整每次喂食喂水的阈值。2.2宠物自动喂食器硬件需求分析在宠物自动喂食器的硬件端设置了一个显示屏用来显示称重模块采集的当前食物碗中食物余量、水位监测模块采集的水位信息和温湿度传感器采集的数据，为使得宠物免得长时间挨饿，本设备设定当食物碗中事物的重量低于阈值时蜂鸣器报警，同时舵机转动90度实现喂食，当食物碗中重量高于阈值时，蜂鸣器停止报警同时舵机回转，关闭喂食。由于蜂鸣器的响声可能会引起宠物不安，所以将蜂鸣器设置为可选特征，在不需要时可将其静音。根据宠物食量大小，通过按键灵活设置食物重量和水位的阈值，满足不同体型宠物对健康饮食的要求。硬件连接如图2-2所示。图2-2硬件连接图2.3宠物自动喂食器软件需求分析若宠物主人不在宠物身边很难了解到宠物当前饮食情况，所以在移动终端应该能够显示当前食物碗中剩余食物的重量以及水箱中的水位信息，能够在移动终端实现远程调整喂食阈值以及水位阈值，并且能够实现远程一键喂食。宠物自动喂食器的硬件以及相关技术分析宠物自动喂食器以ESP32单片机作为主控器，配有OLED显示模块、WiFi模块、称重模块、水位检测模块、温湿度检测模块、舵机，本节主要介绍选择各个模块的原因以及使用的相关软件介绍。3.1宠物自动喂食器硬件模块选择3.1.1ESP32单片机本次设计选用的是ESP32单片机作为宠物自动喂食器的主控器，ESP32单片机是性价比非常高的单片机，由于它集成了自校准电路，能够实现在电压不稳定时实现动态电压调整，所以它的性能稳定[5]。其运算速度非常快，运算能力高达600MIPS。ESP32包含了WiFi模块和蓝牙4.0模块，但是只能选择其中一种通信方式，非常适合物联网领域的DIY项目[7]。ESP32单片机最小板集成了3.3v稳压电路、自动复位电路和串口下载电路等。宠物自动喂食器ESP32单片机及其外围器件电路原理图如图3-1，主板实物图如图3-2。图3-1宠物自动喂食器ESP32单片机主板电路原理图图3-2宠物自动喂食器ESP32主板实物图3.1.2通信模块宠物自动喂食器系统的应用场景需要实现远距离通信，由于蓝牙和zigbee的通信距离较短，所以相比之下能够实现远距离通信的WiFi更符合，WiFi模块选用的是MQTT通信协议，该协议是一种构建于TCP/IP协议上的"轻量级"通讯协议，能够为远程设备提供是是可靠的消息服务是本协议的一大特点，正是由于其开销低、带宽占用低等特点[9]，使得其在物联网应用开发领域很受欢迎。硬件、阿里云服务器和移动终端之间的通信模型如图3-3。图3-3宠物自动喂食器通信模型3.1.3称重模块宠物自动喂食器的称重模块选用的是HX711压力传感器，用来测量食物碗中剩余食物的重量，然后将所采集到的重量信息上传至显示屏中和移动设备。与同类型的其他压力传感器相比，HX711由于集成了包括\t"/item/HX711/_blank"稳压电源、片内\t"/item/HX711/_blank"时钟振荡器等外围电路，所以节省了外围电路的成本使用起来更加方便[10]。将应变片粘贴到受力的力敏型弹性元件上,当弹性元件受力产生变形时,应变片产生相应的应变,转化成电阻变化。将应变片接成电桥，力引起的电阻变化将转换为测量电路的电压变化,通过测量输出电压的数值,再通过换算即可得到所测量物体的重量。其中HX711接通电源和接地后，剩下两个引脚即时钟引脚SCK和数据引脚DT,分别接ESP32核心板的IO17和IO16引脚。HX711压力传感器原理图如图3-4，实物图如3-5。在Arduino中配置称重传感器并读称重传感器中采集的数据，代码见附录1。图3-4HX711压力传感器原理图图3-5HX711称重模块实物图3.1.4水位检测模块宠物自动喂食器的水位检测模块选用的是WaterSensor水位传感器，该传感器的最大特点就是价格便宜、使用方便，它的外部具有10根暴露的平行导线，其中有5根导线接地，每两个接地极限之间有一条感测迹线，将其垂直插入水中，通过导线线迹将水量转换成模拟信号，模拟信号输出的模拟值能够直接被ESP32单片机读取，达到测量水位的目的[11]。水位传感器接通电源和接地后，还剩下一个Sign引脚，接ESP32核心板的IO4号引脚。宠物自动喂食器的水位传感器原理图如图3-6，实物图如图3-7。在Arduino中配置水位传感器并读水位传感器中采集的水位信息，代码详情见附录2。图3-6水位传感器电路原理图图3-7水位传感器实物图3.1.5温湿度检测模块宠物自动喂食器的温湿度检测模块选用DHT11温湿度传感器，该传感器具有体积小、功耗低、传输距离长等特点，该传感器有4个引脚，采用单总线输出，与单片机之间仅仅需要一个I/O口进行通信[13]，连接方便，使得得其成为很多应用的首选。温湿度传感器VCC引脚接正极，GND引脚接地，还剩下两个引脚分别是DATA和NC。其中DATA引脚连接ESP32核心板的IO33号引脚,，NC为空引脚。宠物自动喂食器温湿度传感器DHT11原理图如图3-8，实物图如图3-9，在Arduino中配置温湿度传感器并读温湿度传感器中采集的温湿度信息，代码详情见附录3。图3-8温湿度传感器DHT11电路原理图图3-9温湿度传感器DHT11实物图3.1.6OLED显示模块本设计使用OLED显示屏在硬件设备上显示当前食物碗中剩余食物的重量、水位信息、温湿度信息。OLED显示屏接正极和接地后，将12CSCL连接ESP32单片机的36号引脚，将12CSDA连接ESP32-S单片机的33号引脚。实物图如图3-10。在Arduino中配置OLED显示模块，代码详情见附录4。图3-10宠物自动喂食器OLED显示模块实物图3.1.7舵机驱动模块宠物自动喂食器使用sg90舵机模拟宠物喂食器开关，当食物碗中剩余食物重量低于阈值时，舵机右转90度，高于阈值时舵机左转90度。另外，可通过移动终端操控舵机实现远程手动喂食。该舵机的优点是反应敏捷、价格便宜、性价比高[14]。舵机sg90连接电源及接地后，将数据引脚连接单片机33号引脚。单片机对33号引脚输出PWM信号从而控制舵机转动角度。在Arduino中配置舵机并控制舵机旋转投食，代码详情见附录5。3.2宠物自动喂食器硬件设计所用软件介绍3.2.1LCEDA软件介绍LCEDA也称为立创EDA，是一个高效的电子设计工具，能够将电路原理图无缝转换成PCB图，内涵元件库，支持共享封装库，其中具有大量的开源工程，能够使实现模块服用所以受到很多电子爱好者的喜爱[15]。3.2.2ArduinoIDE介绍Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件和软件，ArduinoIDE就是Arduino团队提供的一款专门为Arduino设计的编程软件，ArdunioIDE能够兼容ESP32系列单片机，在ArdunioIDE中编写代码并通过串口下载到单片机上程序才能运行。我们所搭建的硬件电路是辅助代码来完成的，两者是缺一不可的。ArdunioIDE是一款开源的硬件编程平台，提供个众多库并且支持多种程序兼容，因此传感器显示器等使用非常方便[16]。宠物自动喂食器的软件设计以及相关技术分析确定了大概的硬件模块结构，本章将研究并介绍智能宠物管家硬件部分的软件总体设计以及通信模块整体设计。4.1宠物自动喂食器软件总体设计4.1.1宠物自动喂食器软件设计流程图4-1宠物自动喂食器软件设计流程图如图4-1所示，软件部分首先要将系统及WiFi模块初始化，然后进入SmartConfig进行配网，连接读取WiFi账户后输入WiFi密码，若连接成功跳转至连接MQTT服务器，持续订阅控制话题，然后定时采集传感器数据并发送至阿里云服务器，保证系统的实时性。实现具体步骤如下：第一步，将系统及WiFi模块初始化，代码详情见附录6。第二步，读取ROM是否有密码，若有密码则自动连接，如果配网按钮被按下则LED灯快闪，并且停止当前连接开始配网，LED慢闪，则确认联网是否成功；如果ROM没有密码则自动进入配网模式。代码详情见附录7。第三步，连接到阿里云服务器绑定回调函数，将属性上报到阿里云，再利用AIOT回调函数，实时上报采集数据，代码详情见附录8。4.1.2宠物自动喂食器设备与阿里云服务器图4-2硬件设备与阿里云服务器关系如图4-2所示，宠物自动喂食器发布MQTT传感消息，阿里云服务器发布控制指令。此时阿里云服务器作为一个管理者（Broker）。4.2宠物自动喂食器软件设计步骤要实现移动端的功能，首先要进行阿里云平台的配置，本节将主要介绍阿里云平台的配置以及界面设计过程。第一步，进入阿里云生活物联网平台，创建一个名为宠物自动喂食器的物联网设备，将联网方式设置为WiFi。第二步，在该设备中定义一些功能，如图4-3所示。图4-3宠物自动喂食器阿里云平台功能定义第三步，进行移动端界面设计，将粮食余量、水位信息显示控件放入界面，效果如图4-4。图4-4宠物自动喂食器移动端界面图生成设备二维码，手机下载云智能app并扫描二维码，在云智能app中添加宠物自动喂食器设备。生成二维码图片如图4-5。图4-5宠物自动喂食器配网+app下载宠物自动喂食器测试本章主要介绍系统设计完成后的测试成果，下面主要将从硬件测试和软件测试两个方面介绍。5.1宠物自动喂食器硬件测试5.1.1WiFi连接测试WiFi连接测试采用的是安信可公司的公众号进行配置，接通电源后按下配网键，LED快闪则表明进入配网模式，如果是第一次使用必须进行配网，配网之后自动保存信息，以后再时接通电源便无需再次配网。效果如图5-1。使用安信可公司提供的公众号进行WiFi配置，如图5-2。图5-1硬件初始化状态图5-2WiFi配置页面LED灯停止快闪表示配置成功。OLED显示模块会显示称重传感器测量的当前食物碗中食物余量、水位传感器测量的水位信息以及温湿度传感器测量的温湿度信息。此时硬件模块的状态如图5-3。图5-3配网后硬件设备图5.1.2传感器数据采集测试传感器采集的数据可以在OLED显示屏中显示，也可以在移动终端app中显示。本节中测试在OLED显示屏中显示效果。效果如图5-4。图5-4OLED显示采集信息效果5.1.3控制舵机测试设定的初始重量阈值时50g,用勺子从食物碗中取出食物模拟宠物进食，当食物碗中食物余量不足50g时，舵机右转90度，模拟开关打开，自动加粮，且蜂鸣器报警；当食物碗中食物余量高于50g时，舵机回转90度，模拟开关关闭，且蜂鸣器停止报警。重量低于阈值时，蜂鸣器开始报警，同时舵机顺时针旋转90度模拟开关打开，开始喂食。效果如图5-5。图5-5重量低于阈值舵机右转90度重量高于阈值时，蜂鸣器停止报警，舵机回转90度模拟开关关闭，停止喂食。效果如图5-6。图5-6重量高于阈值舵机回转5.2宠物自动喂食器软件测试下载云智能app后，将宠物自动喂食器加入管理设备，开始进行测试。用勺子从食物碗中取出食物模拟宠物进食，将水倒出模拟宠物喝水，观察终端页面数据的实时变化，经测试，硬件设备和移动终端的延时较小，控制在2秒以内，如图5-7。图5-7移动设备连接界面拖动界面中阈值滑块，可实现远程快速更改喂食和喂水的阈值，向左滑表示阈值增加，向右滑表示阈值减少。效果图如5-7。图5-7远程更改喂食喂水的阈值总结与展望本章主要对宠物自动喂食器的设计进行总结和对其以后市场和发展方向的展望。6.1.总结随着全球宠物产业的快速发展，宠物用品市场也将带来更大的增长。如今全球化趋势不断加强已成为不可逆转的趋势，宠物的饮食管理问题已成为养宠人群的痛点，本设计宠物自动喂食器解决了快节奏生活下养宠人群无法全心全意照顾宠物的问题，是养宠人群的好帮手，使得养宠人群在做其他事情时不用担心宠物的饮食。而如今市面上智能宠物设备功能不丰富，质量也良莠不齐，所以智能宠物设备在今后的发展潜力十分巨大。在本次设计中，宠物自动喂食器选用了ESP32单片机作为主控器，由于其内置了WiFi模块，所以在开发过程上极大的减少了开发难度，另外使用了阿里云平台的终端界面，阿里云开发智能设备界面更加方便并且界面更加美观，为开发人员的开发和设计提供了巨大的帮助。宠物自动喂食器实实在在解决了宠物的饮食管理问题，解放了养宠人群的时间紧箍，使得养宠人群能够将更多的时间和精力投入到自己学习、工作和生活中，这是当前智能宠物设备的一个创新，为今后智能宠物设备行业的发展带来一定的启发作用。本次设计过程中，虽然遇到了一些困难和阻碍，但是最后完成了全部设计，通过本次设计，不仅学会了如何将所学过的专业知识系统的运用到实践中，而且分析问题、解决问题的能力有了极大地提高，也使得我对整个物联网系统有了更加深刻的见解。6.2展望中国经济和科技水平不断提高，物联网行业越来越成熟，养宠人群只能越来越多，人们对生活智能化的需求越来越高，智能宠物设备的需求将迎来一个新的高潮。在本次设计中，只是完成了一个宠物自动喂食器应该具备的基本功能，在设计过程中也存在这许多问题，比如说在设备中加入摄像头实时监控宠物进食情况、以及系统的实时性问题，这且问题都值得进行深入思考和研究。本次设计虽然结束了，在今后的学习生涯中我将继续学习相关技术，完善系统功能，使得宠物自动喂食器的功能更加完善、实时性更高、用户体验更好。参考文献刘馨蔚.“它经济”升温宠物吸金强劲[J].中国对外贸易,2021(04):54-55.李翀.萌宠生意经：宠