“你好,汪星人”——一种基于单片机开发的智能宠物项圈.pdf

本项目针对家养宠物，流浪动物的日常寄养所研发并推广。通过STC12C5A60S2单片机进行控制，包括心率监测模块、蓝牙模块、拉力传感器、北斗定位模块等。通过各模块的协同作用，用于宠物的可监测性、可控性、便捷性保护，提供心率监测，危险警示和定位信息提供功能，可为用户实时提供信息，应用前景广泛。关键词：STC12C5A60S2单片机；光电容积技术；GPS定位；宠物项圈根据2 0 2 0 年中国宠物行业白皮书显示，2 0 2 0 年全国城镇犬类数目超过1亿只，比2 0 19年增长了1.7%。且根据近几年中国宠物行业白皮书饲养宠物用户中养狗的人数占比达到4 2%，且有持续增长的趋势。基金项目：2 0 2 1年教育部产学合作协同育人项目（2 0 2 10 2 2 6 90 0 8）；扬州大学广陵学院大学生创新创业训练项目（Y202237)。*通信作者：翟娟（1990 一），女，江苏扬州人，硕士，讲师，研究方向：控制理论与控制系统。新潮电子“你好，汪星人”种基于单片机开发的智能宠物项圈莫洪丞，刘源，杨柳，吴牧原，张宇，翟娟（扬州大学广陵学院，江苏扬州2 2 50 0 0）第18 期（总第54 9期）对于宠物部分的禁养政策，或者具体饲养能力的调查情况，7 5.56%的人会把宠物送给亲朋好友或者有意收养的人群，8%的人会寄给专业机构或者政府处理。而一旦发生宠物丢失，寻找成本一般花费较大。研究产品基于上述问题进行有效的分类，缓解此类问题。产品的心率监测系统可以对目标进行实时的状态监测和分析，并通过蜂鸣器和LED警示灯及时发出警报，防止宠物处于异常状态从而做出危险行为，被动防护系统也会对其进行有效防护。而定位系统，在其佩戴宠物项圈超过一定时长以后，也会向手机端APP发出警告和发送位置坐标，用来为宠物的找寻和后续救援提供帮助 2 。五、结束语E2023-05-10系统进行编程、仿真实现了各项功能，该系统虽然结构2023-05-093923:55:090Set Time.,设置：nianOLEDOLED128642C本设计采取的区间为19：0 0-7：0 0，具体时间范围可根据不同区域不同季节等情况做出相应调整。由图6可看出该系统可准确判断当前情况，当处于规定区间时，路灯打开；不在区间范围内则保持熄灭状态。R13002023-05-093923:48:31无人行的凳度：10 0 0OLEDOLED1288412C147 本文设计采用Keil和Proteus软件对智能路灯控制392023-05-1009:00:09019:00:00start miaoOLEDOLED1286412C图5时间设置2023-05-1039D308:59:51龚射模式LED-WHITE无人行的凳度：0 0 0 0LEDOLEDOLED12064/2C图6 定时模式仿真结果3909:00:15007:.00:00end miaoOLEDOLED128642C0简单，但应用范围广泛。通过简单的操作即可达到省工、节能、减排的目的，随着城镇化的不断发展和节能环保的大力倡导，本设计经过不断地完善，如针对行人动态等打造更加精密的设计方案，在应用中发挥最大的实用价值，产生良好的社会效益。参考文献：1葛兴伟.节能技术在城市照明中的应用 .电子技术与软件工程,2 0 17(12):97.2 阮宏宇,葛斌,严荣国,等.医用恒温冲洗泵系统的设计 .生物医学工程学杂志,2 0 15(2):36 9-37 2.R13黄德修.半导体光电子学 M.北京：电子工业出D3版社,2 0 13.LED-WHITELED4赵海兰,朱剑,赵祥伟.DS1302实时显示时间的原理与应用 .电子技术,2 0 0 4(1):4 3-4 6.第18 期（总第54 9期）一、智能宠物项圈方案设计本系统是一种有利于用户对宠物的智能管理和智能保护的系统。通过对宠物实时心率监测，运动状态分析，精准分析动物是否处于一种异常状态，进而控制LED和蜂鸣器是否进行报警和警示功能。系统分为单片机模块、心率监测模块（光电容积技术支持）、蓝牙模块、拉力感应模块、GPS和GM组成的定位模块、AD,DA转换等六大模块 3。通过光电容积技术将其结果反映在数字显示屏上，同时结果传递给STC12C5A60S2单片机ROM存储器存储，在牵引状态下，拉力感应器接受到拉力数据突然增长，或者心率记录，数值异常，此时LED和蜂鸣器发出警示作用。保护状态，STC12C5A60S2单片机进行时间、位置分析，当超过系统预设时间，进行确认，如果确认处于失踪状态，宠物处于失踪或者脱离主人管理范围，允许LED闪烁，发出求救信号。同时，进行蓝牙模块与用户APP进行信息交流，实时进行定位数据反馈，有利于宠物救援的进行 4 。STC12C5A60S2单片机（包含自动复位和晶振电路）图1总体器件原理逻辑框图二、系统硬件设计（一）数据分析模块：单片机控制模块STC12C5A60S2系列特点：高速、低功耗、抗干扰强，内部集成电路包含MAX810专用复位电路，2 路PWM，8 路高速10 位A/D转换电路，应用于电机控制，强干扰等场合。VCC：供电电压；GND：接地；PO口：功能：8 位漏级开路双向I/O口，各个管脚可吸收8 TTL门电流。PO支持用于外部程序数据存储器 5。P1口：功能：内部提供上拉电阻的8 位的双向I/O口，缓冲器接收输出4 TTL门级电流。P1口置1，即为输人。P2口：功能：内部上拉电阻的8 位的双向I/O口，缓冲器可用于接收，P2口置1，作输人。对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口会输出其特殊功能寄存新潮电子器的内容。P3口：功能：8 个带内部上拉电阻的双向I/O口，接收输出的4 个TTL门电流。P3置1，作为输人。特殊功能：P3.0RXD(功能：串行输入口)P3.1TXD(功能：串行输出口)P3.2INTO(功能：外部中断O)P3.3INT1(功能：外部中断1)P3.4TO（功能：计时器0 外部输人）P3.5T1（功能：计时器1外部输人）P3.6WR（功能：外部数据存储器写选通）P3.7RD（功能：外部数据存储器读选通）RST:复位输人。CLKOUT21ADCO/P1.0-ADC1/P1.12RxD2/ECI/ADC2/P1.23TxD2/CPPO/ADC3/P1.34SS/CPP1/ADC4/P1.45MOSI/ADC5/P1.56MISOIADC6/P1.67SCLKIADC7/P1.78P4.7/RST9微型继电器INT/RxD/P3.0TXD/P3.1INTO/P3.2INTI/P3.3光电容积技术CLKOUTO/INT/TO/P3.4CLKOUT1/INT/T1/P3.5WR/P3.6陀螺仪动态分析RD/P3.7XTAL2XTALIGndC定位模块图2 单片机引脚图蓝牙模块（二）保护模块：心率监测模块电源与电机PPG(photoplethysmographic光电容积脉搏波描记法)STC52系列单片机控制光波发射器对皮肤层发射LED光（绿光）。光转换成电信号时，由于动脉对光的吸收有变化，其他组织对光的吸收基本不变，结果信号分为两种：AC信号和DC信号。通过提取AC信号，可用作反映出血液流动的特点。发射LED(绿光)目标皮肤表层皮下组织吸收传感器剩余光量反射吸收光敏传感器发出信号单片机信号处理图3光电容积技术原理流程图人工智能导8 8 6 8 8 元VccPDIP-40,STC12C5A60S2,增加了P4PO.0PO.1JPO.2PO.3JP0.434333828734322JPO.5PO.6PO.710EX_LVD/P4.6/RST211ALE/P4.512JNA/P4.413P2.71A1514JP2.6/A14JP2.5/A13P2.4/A12JP2.3/A111P2:2/A10P2.11A9P2.0/A8148人工智能（三）通信及定位模块1.蓝牙模块蓝牙模块主要实现功能：蓝牙信号收发，数据的传送，通信。模块特性：数字无线处理器DRP、射频收发开关，嵌人式处理器等。数字信号存储模块RAM中，用于AMR7处理器调用和处理，处理的数据，通过编码接口可输出给予其他设备，信号发过程与信号收过程相反，设定多个通用I/O口用于不同功能多个外设使用。主机接口提供双工的通用串口，可进行数据的接收和发送，方便于本模块与单片机数据的传输和通讯功能的实现。2.BDS定位模块在北斗定位模块应用，算法通过计算卫星到接收机的距离，立体空间内距离测算通过3颗卫星，模型推算，测出观测点的位置三维坐标。三、系统软件部分设计(一)整体思路单片机基于各个传感器（包括心率传感器，拉力传感器，定位传感器，陀螺仪分析传感器等）之间的联系，对于各组数据信号进行分别处理，进而汇总显示。可进行单片机的数据模型搭建，当其满足预设数学模型中的样本模型标准时，可进行一些数据的自主处理能力，以及特殊环境下的自主分析能力，保证有自主解决问题的能力，以及通过蓝牙之间与客户端之间的数据传输和数据联系等功能的平稳运行，提高整体的可靠性能。系统初始化接受传感器信号A/D转换立单片机接受控制电平信号动作指令动作流程结束图4 软件部分工作流程图（二）单个或多个单片机深度神经网络学习STC12C5A60S2单片机通过串行接口通过算法分析，给予给控制器高电平信号（LED和蜂鸣器、蓝牙模块，定位模块等）使其正常工作，并将信息及时反馈。而基于数据的自动分析，将采用如下功能：采用机器集成学习法。设计A个神经网络个体学习器，采用“投票法”同时结合策略，为达到最后强学习器的特征选取149新潮电子和确认。由于对于集成系统采用的bagging算法，在A个弱学习器中并没有形成依赖关系，所以可以并行生成结果。(三）光电容积技术详解（心率血氧监测)本产品在基于光电容积技术装备的传感器基础上，采取到目标心率以后传送到单片机的串行接口，读取数据，通过算法处理后，通过模块引出将数据传送到外接显示屏上，此接口波特率可调，采用AT指令通讯协议。单片机串口三初始化发送读取心率信号解析数据屏幕显示采集结束图5心率监测工作流程图（四）蓝牙模块设计蓝牙模块采用了TDMA结构与网络多层次结构，在技术上应用了无线技术，具有传输效率及安全性高等特点。实现手机端APP和系统的数据传输和用户端控制功能。蓝牙模块调试的状态下，设置成从模式，串口调试过程中发送指令AT+ROLE=O，得到确定指令。蓝牙模块进入命令响应模式，便可以在手机端控制信号。手机蓝牙与蓝牙模块通信时，客户端指令经蓝牙模块发送串口2 并接收，利用发送函数使串口2 发送数据，也在手机端进行相应的数据接收。（五）保护模块设计基于系统综合分析“心率”及“运动状态”的情况下，当发生在正常情况下的宠物心率升高，可以分析出动物的情绪状态的改变，这时信号反馈给led环形灯环，其显示红色闪烁，提醒主人观察动物的情绪变化，从而让主人对其进行及时的安抚工作，同时让周围人提高警惕。项圈和牵引绳部分分别加装拉力感应器，在主人牵引的情况下，并且在系统综合分析其运动状态和心率情况以后，如果动物处于应激情绪下，产生了突然的进攻性行为，其继电器会给STC12C5A60S2单片机一个高电平，让其项圈后方预留的位置迅速缩紧，达到制止宠物的应激行为（类似于安全带原理）。由于系统误差和偶然误差的存在性，如宠物患有一定的血管性疾病等会造成系统误差，所展示的结果为一定的第18 期（总第54 9期）心率采集第18 期（总第54 9期）参考性，要结合实际情况。（应急模式：牵引绳手环处有紧急按钮，在遇到紧急情况下，如处于正当防卫的基础下，可以主观按下紧急按钮，从而断开项圈与牵引绳之间的连接，这样上述功能会立即失效，保护主人与宠物的安全）。（六）定位模块设计模块在产品佩戴一定时间后，如未处于解除状态，将默认为目标处于失踪状态，将向客户端APP发出警示，发送目标实时位置，会为目标找寻和后续救援提供帮助。特殊说明：定位协助功能，辅助以下情况，如不法分子从事一些违法活动，如违规贩卖狗肉等行为，宠物的定位芯片和心率监测系统，再结合App的轨迹记录，可以及时发现动物自身遇到的危险，还可以根据相关线索，为警方打击相关动物的违法犯罪活动提供帮助。GPS子程序初始化串口初始化串口信号检测是数据接收处理，并发送至客户端子程序结束图 6 GPS 工作流程图新潮电子四、结束语本研究项目针对目前家养宠物和流浪动物的问题现状进行了深度分析，推出了一系列的功能，基于在STC12C5A60S2单片机控制，包括心率监测模块，蓝牙模块、拉力感应模块、BDS的定位模块等。在宠物状态检测，危险行为警示和预防，失踪找寻，实时定位等方面具有一定的功能。让养狗爱狗人士及社会其他人群可以关注到宠物问题及其社会影响，硬件部分和软件部分，基于单一或多个单片机的控制连接，极大地提高了产品的安全可靠性和耐用程度，使本产品具有一定的推广价值和市场占比。参考文献：1吴逸豪,何铭浩,彭晓宏,等.融合窄带物联网及NFC技术的智能宠物项圈设计 J.传感器与微系统,2 0 2 2,4 1(2):8 6-8 9.2 黄科锋,彭奕,孔林浩.智能宠物项圈 C/2021年首届川渝大学生“数智”作品设计应用技能大赛暨第七届四川省大学生智能硬件设计应用大赛会议论文集,2 0 2 1.否3刘立勋,郑嘉仪,卢曼妮,等.智能宠物项圈设计 .电子测试,2 0 2 1(16):2 4-2 6.发送Tw信号，并进行检查等待4本刊编辑部.智能项圈 J.发明与创新（中学生),2 0 2 1(5):58.5】邓祺盛,邢玉虎,刘旭,等.基于STM32单片机的宠物智能项圈设计 J.计算机产品与流通,2 0 19(5):8 5.人工智能150