基于STM32的智能宠物看护系统设计与实现

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一、引言

随着现代生活节奏加快，宠物主人时常面临外出无法照料宠物的困境。传统的宠物喂养方式无法满足远程、精准、智能化的看护需求。本设计旨在开发一套基于STM32微控制器的智能宠物看护系统，通过集成多种传感器与执行器，实现对宠物生活环境（温湿度、光照）和生存资源（水、粮）的全天候自动监控与调节。系统核心在于通过WiFi接入物联网云平台（OneNet），使主人能够突破地理限制，通过手机APP远程查看宠物状态并进行手动干预，为爱宠提供一个舒适、安全的智能家居环境。

二、系统总体设计

（一）系统架构

系统采用“本地自动控制-云端远程监管”的双模式架构。

1. 感知层：由DHT11（温湿度）、光敏电阻（光照强度）、水位传感器、称重传感器（余粮）组成，负责采集宠物环境数据。

2. 控制层：以STM32F103C8T6为核心，处理传感器数据，执行自动控制逻辑，并管理通信。

3. 执行层：包括继电器模块（控制风扇、加湿器、水泵）、LED灯、蜂鸣器，执行控制器指令。

4. 交互层：包括按键，用于本地设置和模式切换。

5. 云平台层：通过ESP8266 WiFi模块以MQTT协议接入中国移动OneNet平台，实现手机APP的远程监控与控制。

（二）功能模块划分

1. 环境调控模块：温湿度自动/手动调节与光照自动调节。

2. 资源供给模块：自动补水与缺粮报警。

3. 通信模块：MQTT协议对接OneNet平台，实现数据上下行。

4. 模式管理模块：自动模式与手动模式的切换与执行。

三、硬件设计与实现

（一）系统硬件框架图

系统硬件配置与功能说明表

1. 主控单元

2. 传感器与输入单元

3. 执行器与输出单元

4. 通信单元

5. 电源单元

核心控制逻辑说明

自动模式 (Auto_Mode = 1)

1. 温控风扇：

   • 条件： if (温度 > 温度阈值) { 启动风扇; } else { 关闭风扇; }

2. 湿控加湿：

   • 条件： if (湿度 < 湿度阈值) { 启动加湿器; } else { 关闭加湿器; }

3. 自动补水：

   • 条件： if (水位状态 == 缺水) { 启动水泵; } else { 关闭水泵; } (需注意防溢出的逻辑)

4. 自动调光：

   • 动作： LED亮度 = 最大亮度 - (当前光照强度 / 最大光照强度 * 最大亮度) // 光线越强，灯光越弱

5. 缺粮报警：

   • 条件： if (余粮状态 == 缺粮) { 启动蜂鸣器; } else { 关闭蜂鸣器; }

手动模式 (Auto_Mode = 0)

• 本地手动： 可通过按键强制控制LED灯的开关。

• 远程手动： 所有执行器（风扇、加湿器、水泵、LED灯）的开关状态完全接收来自手机APP通过OneNet云平台下发的指令。传感器数据仍正常上传。

关键设计注意事项

1. 强弱电隔离： 加湿器通常是220V供电，必须使用继电器模块进行隔离控制，确保低压电路的安全。

2. 水泵与水位逻辑： 水泵抽水时，需有机制防止溢出。例如，采用双水位传感器（低水位触发抽水，高水位触发停止）或设置最大抽水时间。

3. 数据上传策略： 为了节省网络资源，可以采用变化上传策略，即当数据变化超过一定范围或状态发生变化时再上传，而不是一味地高速轮询。

4. OneNet平台配置： 需要在OneNet上创建产品和设备，定义好数据流模板（如：Temperature, Humidity, Water_Level）和命令（如：LED_Switch, Pump_Switch），才能使STM32与云平台正确通信。

5. 功耗考虑： 如果采用电池供电，需考虑低功耗设计。但此系统需持续工作，建议直接使用电源适配器供电。

四、软件设计与实现

（一）开发环境搭建

1. IDE：STM32CubeIDE。

2. 库：使用HAL库。需自行添加DHT11、HX711、OneNet MQTT协议封装等驱动代码。

3. 云平台：在中国移动OneNet平台创建产品和设备，获取设备ID和API Key等连接密钥。

（二）系统软件流程图

（三）代码片段（关键逻辑）

主循环核心逻辑与OneNet通信

// main.c
// 定义全局变量
SystemMode_t work_mode = MODE_AUTO; // 系统工作模式
DeviceState_t dev_state; // 设备状态结构体

while (1) {
  // 1. 读取传感器
  DHT11_ReadData(&dev_state.temperature, &dev_state.humidity);
  dev_state.light_val = Read_ADC(LIGHT_SENSOR_CHANNEL);
  dev_state.water_level = Read_ADC(WATER_SENSOR_CHANNEL);
  dev_state.food_weight = HX711_Read();

  // 2. 模式判断与执行
  if (work_mode == MODE_AUTO) {
      // 自动控制逻辑
      if (dev_state.temperature > temp_threshold) {
          TurnOn_Fan();
      } else {
          TurnOff_Fan();
      }
      // ... 同理判断湿度、水位、余粮
      // 光照控制：光线越强，LED越暗 (反向控制)
      uint16_t pwm_val = Map_LightToPWM(dev_state.light_val); // 映射函数
      __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, pwm_val);
  }
  // 手动模式下，设备状态由APP指令直接控制，不执行自动逻辑

  // 3. 上传数据到OneNet (JSON格式)
  char json_buffer[256];
  sprintf(json_buffer,
          "{\"temp\":%.1f,\"humi\":%.1f,\"light\":%d,\"water\":%d,\"food\":%.1f,\"mode\":%d}",
          dev_state.temperature, dev_state.humidity, dev_state.light_val,
          dev_state.water_level, dev_state.food_weight, work_mode);
  ESP8266_MQTT_Publish("$dp", json_buffer); // 发布到OneNet

  // 4. 处理来自OneNet的下行指令 (在串口中断中接收并解析)
  if (rx_cmd_received) {
      Parse_OneNet_Command(rx_buffer); // 解析JSON，执行开关设备、切换模式等操作
      rx_cmd_received = 0;
  }

  // 5. 按键扫描
  Key_Scan(); // 用于切换模式、本地手动开关灯、设置阈值等
  HAL_Delay(3000); // 每3秒上传一次数据
}

OneNet下行指令解析函数示例

void Parse_OneNet_Command(char *json) {
  // 使用cJSON库解析JSON字符串
  cJSON *root = cJSON_Parse(json);
  cJSON *obj_mode = cJSON_GetObjectItem(root, "mode");
  cJSON *obj_led = cJSON_GetObjectItem(root, "led");

  if (obj_mode != NULL) {
      work_mode = obj_mode->valueint; // 切换手动/自动模式
  }
  if (obj_led != NULL && work_mode == MODE_MANUAL) {
      // 只有在手动模式下，才执行APP的开关指令
      if (obj_led->valueint == 1) {
          TurnOn_LED();
      } else {
          TurnOff_LED();
      }
  }
  // ... 同理解析风扇、加湿器、水泵的控制指令
  cJSON_Delete(root);
}

五、系统测试与优化

（一）测试方案

1. 功能测试：

   • 自动模式测试：用吹风机加热DHT11测试风扇启动；喷水加湿测试加湿器；降低水位测试水泵；遮挡光敏电阻测试LED亮度变化；减少重量测试缺粮报警。

   • 手动模式测试：在APP上点击各个设备开关按钮，测试响应是否正确。

   • 模式切换测试：测试按键和APP切换模式时，系统行为是否正确。

   • 通信测试：拔插网线模拟网络异常，测试系统重连和数据恢复能力。

2. 性能与安全测试：

   • 压力测试：模拟传感器数据频繁变化和大量APP指令，测试系统稳定性。

   • 安全测试：确保继电器控制高压设备的部分绝缘良好，无漏电风险。

优化方向：

• 本地日志存储：增加SPI Flash或EEPROM，存储历史操作和报警记录，网络恢复后上报。

• 低功耗设计：在无事件发生时，让STM32和ESP8266进入睡眠模式，由定时器或中断唤醒。

• OTA远程升级：通过OneNet平台实现STM32固件的远程无线升级。

• 视频监控：增加ESP32-CAM模块，通过另一路串口将图像数据上传到云平台。

六、结论与展望

（一）未来展望

本系统成功设计了一个功能完备、实用性强的智能宠物看护系统原型，很好地解决了宠物独自在家的看护痛点。未来可向以下方向发展：

1. AI行为分析：集成微型摄像头，利用边缘计算能力分析宠物行为（如是否焦虑、是否活跃），提供更深入的健康报告。

2. 自动喂食器集成：将本系统与一个由舵机或电机控制的自动喂食器结合，实现远程定时、定量投喂。

3. 多宠物识别与管理：通过RFID技术为不同宠物佩戴标签，实现精准的个体化管理（如按体重分配食物）。

4. 语音交互：增加语音模块，让主人可以通过APP与宠物进行单向或双向的语音交流。

5. 产品化与市场化：优化工业设计，将其打造成一款美观、安全、可靠的消费级产品。

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