基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)的寵物喂食監(jiān)控系統(tǒng)

1. 項(xiàng)目開發(fā)背景

隨著寵物數(shù)量的增加，尤其是人們對(duì)寵物的養(yǎng)護(hù)需求日益增多，傳統(tǒng)的人工喂養(yǎng)和管理方式難以滿足現(xiàn)代養(yǎng)寵生活的需求。人們?cè)絹碓较Ｍㄟ^智能化手段提高寵物養(yǎng)護(hù)的質(zhì)量和效率，特別是對(duì)于寵物喂食、飲水、溫濕度控制等方面的智能化管理。

基于這一需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于STM32單片機(jī)的寵物喂食監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過集成多種傳感器，結(jié)合藍(lán)牙無線通信和云物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)寵物環(huán)境、飲水、喂食等多項(xiàng)功能的智能監(jiān)控和管理。這不僅能提高寵物生活質(zhì)量，還能為主人提供更便捷的管理方式。

2. 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能

本項(xiàng)目的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款智能寵物喂食監(jiān)控系統(tǒng)，具體功能包括：

1. 溫濕度環(huán)境監(jiān)控
   采用溫濕度傳感器，實(shí)時(shí)采集當(dāng)前環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)。當(dāng)溫度超過設(shè)定閾值時(shí)，自動(dòng)開啟風(fēng)扇進(jìn)行散熱；當(dāng)濕度超過設(shè)定閾值時(shí)，自動(dòng)開啟風(fēng)扇進(jìn)行空氣除濕。
2. 水位檢測(cè)與自動(dòng)加水
   采用水位傳感器，檢測(cè)寵物水盆的水位情況。當(dāng)水位低于設(shè)定閾值時(shí)，自動(dòng)開啟水泵進(jìn)行加水，保障寵物水量充足。
3. 食物檢測(cè)與自動(dòng)投喂
   采用紅外傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)寵物食物盆中的食物量。當(dāng)食物不足時(shí)，自動(dòng)開啟繼電器控制投喂裝置進(jìn)行喂食。
4. 手動(dòng)模式與智能模式切換
   提供7個(gè)按鍵進(jìn)行手動(dòng)模式與智能模式的切換，允許用戶手動(dòng)控制喂食、喂水、散熱、除濕等功能，同時(shí)可以設(shè)置溫濕度閾值。
5. OLED液晶顯示
   系統(tǒng)通過OLED顯示屏實(shí)時(shí)顯示采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)，包括當(dāng)前的溫濕度、設(shè)定的溫濕度閾值、水位、食物量、控制模式等信息。
6. 藍(lán)牙無線控制
   采用HC-05藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)與手機(jī)APP的無線通信，通過手機(jī)APP顯示當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)并支持遠(yuǎn)程控制，如模式切換、溫濕度閾值設(shè)置、喂食、喂水、散熱、除濕等操作。
7. 數(shù)據(jù)上云與可視化管理
   系統(tǒng)支持將數(shù)據(jù)通過WIFI模塊上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，采用MQTT協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。用戶可以通過可視化網(wǎng)頁查看歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控寵物的狀態(tài)，并遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。
8. 服務(wù)器與前端展示
   采用Python作為后端服務(wù)器，接收華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)，并通過HTML前端頁面展示。支持局域網(wǎng)或公網(wǎng)訪問，用戶可以在任何地方查看寵物狀態(tài)并進(jìn)行操作。

3. 項(xiàng)目硬件模塊組成

本系統(tǒng)的硬件部分基于STM32單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包含以下模塊：

3.1. 核心控制單元：STM32單片機(jī)

• 型號(hào)：STM32F103RCT6
• 功能：作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制單元，負(fù)責(zé)接收傳感器數(shù)據(jù)、控制設(shè)備、進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與無線通信。

3.2. 溫濕度傳感器（SHT30）

• 功能：用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境的溫度和濕度，當(dāng)溫濕度超過設(shè)定閾值時(shí)，控制風(fēng)扇啟停以調(diào)整環(huán)境。

3.3. 水位傳感器

• 功能：檢測(cè)寵物水盆中的水位情況，當(dāng)水位低于設(shè)定閾值時(shí)，自動(dòng)開啟水泵進(jìn)行加水。

3.4. 紅外傳感器

• 功能：用于檢測(cè)寵物食物盆中的食物量，當(dāng)食物不足時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)繼電器進(jìn)行食物投喂。

3.5. 風(fēng)扇與水泵控制模塊

• 功能：風(fēng)扇和水泵的控制電路，通過繼電器控制風(fēng)扇、泵和喂食裝置的啟停。

3.6. 藍(lán)牙模塊（HC-05）

• 功能：實(shí)現(xiàn)與手機(jī)APP的無線通信，允許用戶通過藍(lán)牙進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)查看。

3.7. OLED顯示模塊

• 功能：用于實(shí)時(shí)顯示環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫濕度、設(shè)定閾值、水位、食物量等信息。

3.8. 繼電器模塊

• 功能：控制喂食裝置、電動(dòng)水泵和風(fēng)扇的啟停。

3.9. 無線網(wǎng)絡(luò)模塊（ESP8266）

• 功能：用于將數(shù)據(jù)上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)分析。

3.10. 電源模塊

• 功能：為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，保證各模塊正常運(yùn)行。

4. 設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路可以概括為以下幾個(gè)步驟：

1. 傳感器數(shù)據(jù)采集
   使用溫濕度傳感器、紅外傳感器和水位傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)、食物量和水量。
2. 數(shù)據(jù)處理與控制決策
   STM32單片機(jī)根據(jù)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理和判斷，是否滿足自動(dòng)控制的條件（如溫濕度過高、水位不足、食物不足等），然后通過繼電器控制設(shè)備的啟停。
3. 用戶交互與模式切換
   通過按鍵電路提供用戶手動(dòng)模式的操作，允許用戶設(shè)置閾值和直接控制設(shè)備。用戶也可以通過手機(jī)APP與系統(tǒng)進(jìn)行無線通信，控制和查看寵物狀態(tài)。
4. 顯示與反饋
   使用OLED顯示模塊實(shí)時(shí)反饋當(dāng)前環(huán)境的溫濕度、水位、食物量等信息，讓用戶能夠直觀地了解寵物的狀態(tài)。
5. 數(shù)據(jù)上云與遠(yuǎn)程監(jiān)控
   系統(tǒng)通過ESP8266模塊連接WIFI，并將數(shù)據(jù)上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。用戶可以通過PC端或手機(jī)端的網(wǎng)頁實(shí)時(shí)查看寵物的狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
6. 網(wǎng)頁展示與控制
   后端Python服務(wù)器通過API接口拉取華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)，將其展示在前端網(wǎng)頁上，支持用戶通過網(wǎng)頁進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制。

5. 系統(tǒng)功能總結(jié)

6. 使用的模塊技術(shù)詳情介紹

6.1. STM32F103RCT6

STM32F103RCT6是STM32系列中一款基于ARM Cortex-M3核心的32位單片機(jī)，具有較強(qiáng)的處理能力和豐富的外設(shè)接口，適合嵌入式應(yīng)用。該單片機(jī)具有高達(dá)72MHz的主頻，支持多種通信接口（如USART、SPI、I2C等），廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化控制等領(lǐng)域。

6.2 SHT30溫濕度傳感器

SHT30是一款高精度的溫濕度傳感器，具有較高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，適用于對(duì)溫濕度要求較高的應(yīng)用場景。通過I2C接口與STM32單片機(jī)進(jìn)行通信，能夠?qū)崟r(shí)獲取環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)。

6.3. HC-05藍(lán)牙模塊

HC-05是一款常用的藍(lán)牙串口模塊，通過串口通信與STM32單片機(jī)連接，提供無線通信能力。用戶通過手機(jī)APP與系統(tǒng)進(jìn)行藍(lán)牙連接，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)查看。

6.4. ESP8266 WiFi模塊

ESP8266是一款低成本、低功耗的WiFi模塊，支持與STM32單片機(jī)進(jìn)行串口通信，能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)通過WIFI上傳至云端。該模塊支持MQTT協(xié)議，用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

6.5. OLED顯示屏

OLED顯示屏是一種廣泛應(yīng)用的顯示模塊，具有高對(duì)比度、廣視角和低功耗的特點(diǎn)。在本系統(tǒng)中，OLED顯示屏用于實(shí)時(shí)顯示溫濕度、水位、食物量等信息。

7. 總結(jié)

基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)的寵物喂食監(jiān)控系統(tǒng)通過集成多種傳感器、無線通信技術(shù)和云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)寵物生活環(huán)境的全面監(jiān)控和管理。系統(tǒng)具有智能自動(dòng)模式和手動(dòng)模式兩種操作方式，用戶通過手機(jī)APP可以隨時(shí)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，并且能夠?qū)崟r(shí)查看寵物狀態(tài)。通過將數(shù)據(jù)上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，本系統(tǒng)還支持歷史數(shù)據(jù)的查看和分析，進(jìn)一步提升了寵物管理的智能化程度。

在今后的工作中，系統(tǒng)可以進(jìn)一步優(yōu)化傳感器的精度和控制策略，增加更多的智能功能，如智能預(yù)警、自動(dòng)喂食計(jì)劃等，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的智能化水平和實(shí)用性。

8. STM32代碼設(shè)計(jì)

以下是一個(gè)基本的 main.c 文件。此文件包括了系統(tǒng)初始化、各個(gè)模塊的調(diào)用，以及手動(dòng)模式和智能模式的切換。代碼中已經(jīng)使用了 STM32 HAL 庫。

main.c 完整代碼

#include "main.h"
#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "sht30.h"        // 溫濕度傳感器庫
#include "oled.h"         // OLED顯示庫
#include "water_level.h"  // 水位傳感器庫
#include "food_level.h"   // 食物紅外傳感器庫
#include "relay_control.h"http:// 繼電器控制庫
#include "bluetooth.h"    // 藍(lán)牙控制庫
#include "wifi.h"          // WiFi上傳庫

// 定義閾值
#define TEMP_THRESHOLD_HIGH 30    // 溫度上限 (30°C)
#define TEMP_THRESHOLD_LOW 20     // 溫度下限 (20°C)
#define HUM_THRESHOLD_HIGH 70     // 濕度上限 (70%)
#define HUM_THRESHOLD_LOW 40      // 濕度下限 (40%)
#define WATER_LEVEL_THRESHOLD 30  // 水位下限（單位：%）
#define FOOD_LEVEL_THRESHOLD 10   // 食物下限（單位：%）

// 定義系統(tǒng)模式
#define MODE_MANUAL 0
#define MODE_AUTO 1

// 全局變量
uint8_t system_mode = MODE_AUTO;    // 初始為自動(dòng)模式
float current_temp, current_hum;    // 當(dāng)前溫濕度
int water_level, food_level;        // 當(dāng)前水位和食物量
uint8_t temp_threshold_high = TEMP_THRESHOLD_HIGH;
uint8_t temp_threshold_low = TEMP_THRESHOLD_LOW;
uint8_t hum_threshold_high = HUM_THRESHOLD_HIGH;
uint8_t hum_threshold_low = HUM_THRESHOLD_LOW;

// 函數(shù)聲明
void System_Init(void);
void Read_Sensors(void);
void Handle_Auto_Mode(void);
void Handle_Manual_Mode(void);
void Update_Display(void);
void Control_Fans(void);
void Control_Water_Pump(void);
void Control_Food_Dispenser(void);

int main(void)
{
    // 系統(tǒng)初始化
    HAL_Init();
    System_Init();

    // 主循環(huán)
    while (1)
    {
        // 讀取傳感器數(shù)據(jù)
        Read_Sensors();

        // 根據(jù)當(dāng)前模式執(zhí)行相應(yīng)的操作
        if (system_mode == MODE_AUTO) {
            Handle_Auto_Mode();
        } else if (system_mode == MODE_MANUAL) {
            Handle_Manual_Mode();
        }

        // 更新OLED顯示
        Update_Display();

    }
}

void System_Init(void)
{
    // 初始化硬件外設(shè)
    HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);  // 初始化GPIO
    OLED_Init();                             // 初始化OLED顯示
    SHT30_Init();                            // 初始化溫濕度傳感器
    Water_Level_Init();                      // 初始化水位傳感器
    Food_Level_Init();                       // 初始化食物傳感器
    Relay_Init();                            // 初始化繼電器控制
    Bluetooth_Init();                        // 初始化藍(lán)牙模塊
    Wifi_Init();                             // 初始化WiFi模塊
}

void Read_Sensors(void)
{
    // 讀取溫濕度傳感器
    SHT30_Read_Temperature_Humidity(&current_temp, &current_hum);

    // 讀取水位傳感器
    water_level = Water_Level_Read();

    // 讀取食物量傳感器
    food_level = Food_Level_Read();
}

void Handle_Auto_Mode(void)
{
    // 根據(jù)溫濕度自動(dòng)控制風(fēng)扇和除濕
    Control_Fans();

    // 根據(jù)水位自動(dòng)控制加水
    if (water_level < WATER_LEVEL_THRESHOLD) {
        Control_Water_Pump();
    }

    // 根據(jù)食物量自動(dòng)控制投喂
    if (food_level < FOOD_LEVEL_THRESHOLD) {
        Control_Food_Dispenser();
    }
}

void Handle_Manual_Mode(void)
{
    // 手動(dòng)控制模式下，藍(lán)牙控制命令判斷
    Bluetooth_Control();

    // 用戶通過按鍵手動(dòng)調(diào)整溫濕度閾值
    if (Button_Pressed(UP_TEMP_BTN)) {
        temp_threshold_high += 1;  // 增加溫度閾值
    }
    if (Button_Pressed(DOWN_TEMP_BTN)) {
        temp_threshold_high -= 1;  // 減少溫度閾值
    }
    if (Button_Pressed(UP_HUM_BTN)) {
        hum_threshold_high += 5;   // 增加濕度閾值
    }
    if (Button_Pressed(DOWN_HUM_BTN)) {
        hum_threshold_high -= 5;   // 減少濕度閾值
    }

    // 手動(dòng)控制加水和喂食
    if (Button_Pressed(WATER_BTN)) {
        Control_Water_Pump();
    }
    if (Button_Pressed(FEED_BTN)) {
        Control_Food_Dispenser();
    }
}

void Control_Fans(void)
{
    // 控制溫濕度風(fēng)扇
    if (current_temp > temp_threshold_high || current_hum > hum_threshold_high) {
        Relay_On(FAN_RELAY);
    } else if (current_temp < temp_threshold_low && current_hum < hum_threshold_low) {
        Relay_Off(FAN_RELAY);
    }
}

void Control_Water_Pump(void)
{
    // 控制水泵
    Relay_On(WATER_PUMP_RELAY);
    HAL_Delay(3000);  // 延時(shí)3秒鐘加水
    Relay_Off(WATER_PUMP_RELAY);
}

void Control_Food_Dispenser(void)
{
    // 控制食物投喂
    Relay_On(FEED_RELAY);
    HAL_Delay(2000);  // 延時(shí)2秒鐘投喂
    Relay_Off(FEED_RELAY);
}

void Update_Display(void)
{
    // 更新OLED顯示屏，顯示傳感器數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)
    OLED_Clear();
    OLED_Display_String(0, 0, "Temp: %.1f C", current_temp);
    OLED_Display_String(0, 1, "Humidity: %.1f %%", current_hum);
    OLED_Display_String(0, 2, "Water: %d %%", water_level);
    OLED_Display_String(0, 3, "Food: %d %%", food_level);

    if (system_mode == MODE_AUTO) {
        OLED_Display_String(0, 4, "Mode: Auto");
    } else {
        OLED_Display_String(0, 4, "Mode: Manual");
    }
}

void Bluetooth_Control(void)
{
    // 讀取藍(lán)牙指令并處理
    uint8_t command = Bluetooth_Read_Command();
    if (command == 'M') {
        system_mode = MODE_MANUAL;  // 切換到手動(dòng)模式
    } else if (command == 'A') {
        system_mode = MODE_AUTO;    // 切換到自動(dòng)模式
    } else if (command == 'W') {
        Control_Water_Pump();       // 手動(dòng)加水
    } else if (command == 'F') {
        Control_Food_Dispenser();   // 手動(dòng)投喂
    }
}

代碼解釋

1. 初始化函數(shù)（System_Init）
   初始化所有硬件模塊，包括OLED顯示、溫濕度傳感器、水位傳感器、食物傳感器、繼電器模塊、藍(lán)牙和WiFi模塊。
2. 傳感器數(shù)據(jù)讀?。?code>Read_Sensors）
   通過調(diào)用各自的函數(shù)獲取傳感器數(shù)據(jù)。溫濕度數(shù)據(jù)通過 SHT30_Read_Temperature_Humidity 獲取，水位和食物數(shù)據(jù)分別通過 Water_Level_Read 和 Food_Level_Read 獲取。
3. 自動(dòng)模式處理（Handle_Auto_Mode）
   根據(jù)當(dāng)前的傳感器數(shù)據(jù)，自動(dòng)判斷是否需要開啟風(fēng)扇（散熱或去濕），是否需要加水和投食。
4. 手動(dòng)模式處理（Handle_Manual_Mode）
   在手動(dòng)模式下，允許用戶通過按鍵設(shè)置溫濕度閾值，并通過藍(lán)牙控制手動(dòng)加水、喂食等操作。
5. 風(fēng)扇控制（Control_Fans）
   如果溫度超過設(shè)定閾值或濕度超過閾值，開啟風(fēng)扇；否則，關(guān)閉風(fēng)扇。
6. 水泵控制（Control_Water_Pump）
   如果水位低于設(shè)定閾值，開啟水泵加水。
7. 食物投喂控制（Control_Food_Dispenser）
   如果食物量不足，啟動(dòng)繼電器進(jìn)行食物投喂。
8. OLED顯示更新（Update_Display）
   將溫濕度、水位、食物量和當(dāng)前模式等信息顯示在OLED屏上。
9. 藍(lán)牙控制（Bluetooth_Control）
   從藍(lán)牙接收控制命令，切換模式或執(zhí)行操作（如加水、投喂）。