基于STM32的智能宠物小屋设计

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一、引言

现代生活中，宠物已成为许多家庭的重要成员。然而，主人外出时，宠物的饮食、饮水和生活环境成为担忧的问题。传统宠物喂养方式无法实现精准管理和远程照看。本项目设计一款以STM32为核心的智能宠物小屋系统。该系统能够自动监测并调节小屋内环境温湿度，智能管理宠物粮食和饮水的补给，并通过远程监控功能让主人随时了解爱宠状态并进行干预，极大提升了宠物饲养的便捷性、科学性和趣味性。

二、系统总体设计

（一）系统架构

本系统以STM32为控制核心，集成了环境感知、粮水管理、人机交互和远程通信功能。

感知层：负责采集小屋内温湿度、粮仓重量、水盆水位等数据。
控制层：STM32核心，处理所有数据，执行判断逻辑，发出控制指令。
执行层：包括风扇、舵机（投食）、水泵（加水），负责具体动作的执行。
交互层：OLED显示屏和按键，提供本地状态显示和设置功能。
通信层：Wi-Fi模块，连接互联网，实现手机APP的远程数据监控和设备控制。

（二）功能模块划分

环境调控模块：温湿度监测与自动降温。
智能投喂模块：余粮检测与自动补粮。
自动供水模块：水位检测与自动补水。
状态显示模块：所有参数与状态的本地可视化。
远程监控模块：与手机APP的数据交互。

三、硬件设计与实现

（一）系统硬件框架图

（二）主控模块选型及介绍

核心控制器采用STM32F103C8T6。该芯片资源丰富，提供PWM输出驱动舵机，ADC接口读取水位传感器，I2C驱动OLED，UART连接Wi-Fi模块，GPIO控制继电器和读取数字信号，完美契合本项目所有外设需求，是性价比极高的选择。

（三）传感器模块选型及电路设计

DHT11：数字温湿度传感器，单总线协议，连接普通GPIO，用于监测小屋环境。
HX711 + 称重传感器：用于粮仓重量检测。
- 称重传感器：通常为电阻应变式，组成惠斯通电桥。其输出微弱信号需专用芯片处理。
- HX711模块：24位高精度A/D转换芯片，专为称重设计。其DT和SCK引脚分别连接STM32的两个GPIO。STM32通过特定的时序读取HX711转换后的重量数据，精度远高于普通ADC。
水位传感器 ：采用模拟输出 型传感器，输出模拟电压信号，连接STM32的ADC引脚 （如PA0）。水位越高，输出电压越高。（也可使用数字开关型，但模拟型能提供更精确的水量信息）。

（四）执行模块选型及驱动电路

舵机（投食） ：采用SG90 等常见小型舵机。控制信号为PWM波，连接STM32的定时器PWM输出通道（如TIM3_CH1）。通过调节PWM的占空比来控制舵机的旋转角度，从而控制出粮口的开闭和开合大小。
直流风扇 ：可采用5V直流风扇 ，通过一个MOS管 （如IRF520模块）或继电器模块由STM32的GPIO控制通断。MOS管方案更安静，适合低速持续通风。
小型水泵 ：通常为5V或12V直流电机驱动。必须使用继电器模块或MOS管驱动，绝不能直接连接STM32的GPIO。控制方式与风扇类似。

（五）通信模块选型

采用ESP-01S ESP8266模块。通过UART（如USART2）与STM32连接。STM32通过AT指令控制其连接家庭Wi-Fi并接入云平台（如MQTT服务器），实现与手机APP的数据双向传输。

四、软件设计与实现

（一）开发环境搭建

IDE：Keil uVision 5。
配置工具：使用STM32CubeMX进行硬件初始化配置（启用I2C、UART、ADC、定时器PWM等），生成HAL库代码工程。
库移植：移植OLED、DHT11、HX711、ESP8266的驱动程序库。

（二）系统软件流程图

（三）核心代码逻辑

复制代码

// 定义全局变量与阈值
float temp_threshold_high = 30.0;
int food_weight_threshold = 100;   // 单位: 克
int water_level_threshold = 200;   // ADC值, 需实验测定

void main() {
  // 初始化HX711, 并去皮(清零)
  HX711_Tare();
  // 初始化...

  while(1) {
    // 1. 读取传感器
    temperature = DHT11_GetTemperature();
    current_food_weight = HX711_GetWeight(); // 获取当前重量
    water_level = ADC_Read(WATER_SENSOR_CH);

    // 2. OLED显示
    OLED_ShowString(0, 0, "Temp:");
    OLED_ShowNumber(60, 0, temperature);
    OLED_ShowString(0, 2, "Food:");
    OLED_ShowNumber(60, 2, current_food_weight);
    OLED_ShowString(0, 4, "Water:");
    OLED_ShowNumber(60, 4, water_level);
    // ... 显示状态信息

    // 3. 自动控制逻辑
    // 3.1 温度控制
    if (temperature > temp_threshold_high) {
      FAN_ON();
    } else {
      FAN_OFF();
    }

    // 3.2 投食控制
    if (current_food_weight < food_weight_threshold) {
      Servo_Feed(180); // 舵机旋转180度, 投食一次
      HAL_Delay(1000);
      Servo_Feed(0);   // 舵机归位, 关闭食口
      current_food_weight += 10; // 模拟投食后重量增加(实际应由HX711重新读取)
    }

    // 3.3 补水控制
    if (water_level < water_level_threshold) {
      PUMP_ON();
    } else {
      PUMP_OFF();
    }

    // 4. 处理通信
    if (time_to_send_data()) {
      sprintf(json_data, "{\"temp\":%.1f,\"food\":%d,\"water\":%d}",
              temperature, current_food_weight, water_level);
      ESP8266_SendToCloud(json_data);
    }
    // (在中断中) 如果收到APP指令如 "feed", 则执行一次 Servo_Feed动作

    HAL_Delay(5000); // 每5秒检测一次, 无需过于频繁
  }
}

五、系统测试与优化

（一）测试方案

功能测试：
- 温控测试：用手握住DHT11或用电吹风轻微加热，观察温度超过阈值后风扇是否启动。
- 投食测试：从粮仓中取走部分粮食，使重量低于阈值，观察舵机是否动作模拟投食。
- 补水测试：将水位传感器从水中取出擦干，模拟缺水，观察水泵是否启动；放入水中后是否停止。
- 远程测试：通过APP查看数据，并点击"手动喂食"按钮，观察舵机是否响应。
可靠性测试：
- 防误触发测试：模拟宠物触碰小屋导致的震动，检查重量读数是否稳定，是否会误触发投食。
- 长时间运行测试：让系统连续运行24小时，检查是否有内存泄漏、死机或网络断开重连问题。

六、结论与展望

（一）未来展望

本系统是智能宠物小屋的基础模型，未来可扩展性极强：

视频监控集成 ：集成ESP32-CAM模块，在APP中不仅能看到数据，更能看到宠物的实时画面，互动性更强。
AI智能识别 ：通过摄像头和边缘计算，实现宠物身份识别 、自动份量控制 （根据宠物体型）甚至行为分析（如判断宠物是否焦虑）。
语音与交互 ：增加语音模块，主人可以通过APP发送语音到小屋播放，安抚宠物；或录制声音呼唤宠物进食。
太阳能供电 ：加入太阳能电池板和管理电路，实现户外小屋的绿色能源自给自足，摆放更灵活。

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