基于M5stack远程宠物投喂器

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基于M5stack远程宠物投喂器

一、项目背景
随着我国社会经济的快速发展，人们的休闲消费和情感寄托方式也呈多样化发展。越来越多的人开始饲养猫狗成为休闲时的玩伴，人与宠物间的关系随着时间的流逝也日益浓厚。但是随着工作与生活的节奏越来越快，大部分人并没有充足的时间来照顾自己的宠物，有时甚至无法按时喂养自己的宠物。若碰上出差、旅游等无法携带宠物的情况，就只能将将宠物寄养或者一次性为宠物放置大量食物。长期以往，不仅会让主人提心吊胆，同时也会对宠物的健康造成不良影响。
同时近年来，物联网技术的发展已经非常成熟，利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物品通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。所以在这样的背景下，一个可以物联网远程控制投喂宠物食物的设备就显得尤为重要。

二、项目简介
远程宠物投喂器是一款物联网设备，可以帮助主人远程照料他的宠物。使用者可以事先向投喂器中装入一定量的宠物食品，投喂器可以在wi-fi连接下与远程设备通信，使用者可以和宠物语音交流，可以语音喊宠物进食。同时投喂器会利用红外和激光测距模块检测宠物靠近，打开喂食装置。满足了用户远程喂养宠物的需求，用户可以使用手机，通过网络控制宠物喂食。即便用户身在异地，出差多日，也可以很好的喂养宠物。

三、项目实施技术方案
1.项目技术路线

2.云服务器部分
远程宠物喂食器使用了阿里云提供的云服务器，服务器具有单核CPU，2GB内存，CentOS 7.3操作系统，可以较好的实现本项目的功能。在服务器主机上安装MQTT软件，来满足数据交换的要求。手机端APP发出指令上传到云端，服务器接收到指令后与硬件部分通信，从而实现喂食宠物与录音等功能。
服务器显示MQTT软件正常运行：
MQTT控制界面：
3.硬件部分
远程宠物喂食器的M5部分主要实现了两个功能，一个是主体部分物联网功能，可以mqtt和手机端通信，实现播放语音和远程喂食功能，一个是本地录音功能，可以由主人在家时自行录音。
物联网功能实现，M5可以使用对应IP和端口登录云服务器。本地测试时，通过Apollo服务器，在局域网下实现电脑客户端mqttfx和M5通信。通信共有3个主题，control，speak和M5，分别负责手机控制喂食器动作，手机控制语音播放，M5反馈信息。M5订阅前两个主题，发布第三个主题，手机发布前两个主题，订阅第三个主题。为了保证设备一直在线，使用了定时器，在设备掉线后重连。
当M5订阅到control的消息后，根据消息内容是打开还是关闭喂食器，M5启动激光测距单元，根据测距结果判断宠物是否在喂食器面前，从而在合适的时机打开或者关闭喂食器。为了增加鲁棒性，M5会长时间多次检测，即使宠物当时不在喂食器面前，手机也只要按一次打开键即可，关闭键同理。这里原本方案是使用红外检测单元配合激光测距，但是红外检测延迟大，检测距离过长，不能准确反映宠物位置，故不再使用。打开和关闭喂食器使用了5V步进电机，在万用板上引出4条控制线来控制电机的转速和转向。制作了一个简易的喂食器开关模型，用来示意装置的动作。
当M5订阅到speak的消息后，根据消息内容判断播放哪一段录音，这里的播放的是事先存储的测试录音，使用者可以在本地录音功能中重新录音。录音功能的目的是用使用者的声音喊宠物进食，从而提高宠物对喂食装置的认同感。
当检测到宠物到来或者离开时，M5会发布M5主题的消息，通知使用者M5和宠物的当前状态。
本地录音功能的实现主要是sd卡的读取和I2S的使用。sd卡的相关操作在UIflow里列举得很清楚，但是I2S录制和播放wav文件需要自己写。原本安装了esp-idf，实现了I2S的使用，但是考虑到其他功能实现过于复杂，于是在mycropython里面实现了录音wav文件的功能，录音长度默认5秒，录音数量默认3个，可以通过按键选择录音存储在哪个存储栏内。M5自带扬声器和麦克风，因此录音操作可以在本地完成，使用者还可以在其他平台上录制音频，按照格式命名好存储在sd卡中，可以在M5上播放。还可以使用uart的录音模块，在本地获得质量更好的录音。


4.软件部分
APP采用eclipse软件编写，利用mqtt协议进行通信。可以通过开关指示灯来打开关闭app传输数据功能，通过右上角按钮可以打开mqtt配置界面，通过写入用户名，密码，IP地址，端口号等信息连接已经建好的阿里云服务器，通过订阅主题，实现远程接受来自已经连上云服务器的宠物投喂机传输的信息，通过发布control主题和speak主题，实现远程控制投喂机工作和播放录音。
首先是app界面的制作，利用app的一个开源代码，简单制作了页面的布局，加入指示灯，开关，发送数据编辑框，发送数据按钮，接受数据编辑框，接受数据按钮，形成app打开后最初始的样子，然后编写mqtt配置对话框，按右上的按钮后弹出，设置对话框的几个参数，用户，密码，IP地址，端口号，订阅主题，发布主题，初值设置为我们自己建立的阿里云服务器的信息，发布主题默认初值为control。然后编写默认按钮功能，如果按下默认按钮，则所有参数变为初始设定参数。编写确认按钮功能，将参数变为输入参数，同时设置一些警告，例如IP地址错误等，页面设计也就完成了。
之后在工程的AndroidManifest这个文件里面添加获取手机信息权限的代码，往sdcard中写入数据的权限，在sdcard中创建/删除文件的权限，访问网络的权限，写外部存储器，改变网络状态等等权限。
最后是mqtt连接设置，因为引用了mqtt的jar库，所以编写起来方便了很多，初始化MQTT配置，连接MQTT服务器，获取手机号IMEI号等一系列MQTT连接配置常用代码，然后对连接的一些情况进行处理等等，这里的连接超时时间设置为10秒，设置会话心跳时间，单位为秒，服务器会每隔1.5*20秒的时间向客户端发送个消息判断客户端是否在线。这里因为mqtt连接这些代码基本都大差不离，所以对代码部分不多介绍。

App初始界面：

通过下图红圈部分打开app发送接收数据功能。

通过点击右上角的符号，进入control/speak功能切换界面

修改红线处内容（control/speak）可以更改操作功能

control功能，可以通过下图红圈部分发送eat/full指令给控制器，远程控制喂食器开始工作和停止工作。

speak功能，通过上图红圈部分，发送speak1/speak2/speak3三种指令，可以播放主人事先录好的三段录音，安抚宠物，招唤宠物吃饭。而喂食器在完成工作后，也会给app返回数据，数据显示在下图中的红圈处。

四、项目创新点
当前市场上关于宠物喂养的装置较少且功能单一，只是简单的固定时间喂食。用户长时间离开家后，无法实时喂养宠物。为了满足用户远程喂养宠物的需求，设计远程实时智能喂养系统。本系统的创新之处在于，用户可以使用手机通过网络控制宠物喂食。即便用户身在异地，出差多日，也可以很好的喂养宠物。同时可以播放主人的声音稳定宠物的情绪。真正意义上实现科学喂养宠物，让宠物的健康有保障。

五、总结
随着物联网技术的发展，万物互联的趋势逐渐显现，其中M5stack便是非常适合制作物联网相关设备的平台，本项目仅仅运用了其中的少部分功能。

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