寵物狗無(wú)線(xiàn)感知交互系統軟硬件設計

一、項目概述

1.1 引言

維基百科中對于環(huán)保的內涵定義可分為三個(gè)方面：對自然環(huán)境的保護、對人類(lèi)居住環(huán)境的保護、對地球生物的保護。在提到對地球生物保護時(shí)，很重要的一點(diǎn)就是人與動(dòng)物的和諧共處。

寵物狗作為人類(lèi)最親近的動(dòng)物之一，為我們的生活帶來(lái)了歡樂(lè )與便利，但大多數人在飼養寵物狗時(shí)卻由于無(wú)法理解寵物狗的真實(shí)想法而導致各種問(wèn)題的出現。因此我們想通過(guò)這款基于AVR內核的寵物狗無(wú)線(xiàn)感知交互系統讓寵物狗主人更加了解寵物狗，增進(jìn)與身邊動(dòng)物的感情，進(jìn)而實(shí)現人與動(dòng)物的和諧共處。

1.2 項目背景/選題動(dòng)機

在當今社會(huì )，寵物已融入到人們的日常生活之中。單就中國而言，寵物數量已突破一億，平均每三個(gè)家庭就有一只寵物，此時(shí)寵物的作用已不再局限于為人類(lèi)工作，而是作為家庭生活的一份子而存在。但隨著(zhù)寵物數量的上升，許多問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)，寵物心理狀況及健康狀況的下降，流浪寵物數量的攀升，近年來(lái)甚至在網(wǎng)上出現虐待動(dòng)物的視頻。究其根本原因，在于人對寵物的心理狀態(tài)缺少真正準確的了解，導致對其關(guān)注與關(guān)懷的缺失。此外，當主人外出時(shí)，往往無(wú)法攜帶寵物一同外出，難免對寵物的狀態(tài)有所擔憂(yōu)，甚至寵物在家中發(fā)生事故卻無(wú)從知曉。

寵物狗作為高等哺乳動(dòng)物，和人一樣擁有不同的心理狀態(tài)，只是寵物狗不像人一樣能用語(yǔ)言表達真實(shí)情感。對于不具備相關(guān)知識的普通人來(lái)說(shuō)，這些行為常被寵物主人所忽視。然而作為群居動(dòng)物，它們會(huì )通過(guò)一些較為明顯的行為學(xué)標志來(lái)表達自己的心理。

綜上所述，為引起更多人的關(guān)注，我們將結合當前熱門(mén)新事物——微博，開(kāi)發(fā)并完善這款基于AVR內核的寵物狗無(wú)線(xiàn)感知交互系統來(lái)解決上述問(wèn)題，實(shí)現人與動(dòng)物的和諧相處。

1.3 項目可行性分析

經(jīng)過(guò)我們的初步評估，本項目可行性分析如下：

1.動(dòng)物行為學(xué)可行性分析：動(dòng)物行為學(xué)是研究動(dòng)物對環(huán)境和其它生物的互動(dòng)等問(wèn)題的學(xué)科。研究的對象包括：動(dòng)物的溝通行為、情緒表達、社交行為、學(xué)習行為、繁殖行為等。狗作為一種群居動(dòng)物，其動(dòng)物行為學(xué)特征較為明顯，且由于犬類(lèi)與人類(lèi)有著(zhù)緊密的聯(lián)系，其行為學(xué)研究也已相當成熟。我們團隊已和中國科學(xué)院心理研究所取得聯(lián)系，該組織表示支持并提供行為學(xué)研究資料作為該系統的理論支持。根據他們所提供的資料，經(jīng)整理后我們以寵物狗為重點(diǎn)撰寫(xiě)了《動(dòng)物行為學(xué)分析概述》（詳見(jiàn)附錄）一文，并以此為標準設計系統中的各項環(huán)節。

2.電子工程學(xué)可行性分析：集成電路產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展使得當前內嵌無(wú)線(xiàn)通信模塊的MCU已做到低功耗、低成本、小體積?；贛EMS架構的三軸加速傳感器更是在高靈敏度的條件下達到同樣的目標。利用兩者所制成的無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)只需占用8平方厘米甚至更小的面積，這樣，寵物狗攜帶會(huì )更舒適、便捷。

3.市場(chǎng)可行性分析：根據我們的初步評估，該項目的實(shí)物成本大概在300元左右，面對目前高達一億的寵物狗數量以及動(dòng)輒上千的寵物狗消費市場(chǎng)而言，具有良好的市場(chǎng)前景。同時(shí)本項目所研究的范圍在國內外尚屬首例，具有極好的創(chuàng )新性，其實(shí)用性、創(chuàng )新度和面向主人及其寵物的貼心設計可以吸引來(lái)廣大的客戶(hù)。

二、需求分析

2.1 功能要求

傳感器將采集到的寵物行為信息經(jīng)初步處理后由MCU發(fā)送至PC端，PC端根據接收到的信息模擬寵物的行為以及外部的環(huán)境因素，并對照寵物行為與心理的映射關(guān)系，模擬寵物的心理狀態(tài)，然后根據主人的設定，系統能自動(dòng)地告知主人寵物的心理狀態(tài)、進(jìn)行自動(dòng)喂食、改變環(huán)境條件或生成文章上傳到微博，讓主人無(wú)論是身處家中還是遠在千里之外都可以準確實(shí)時(shí)地了解到寵物狗的實(shí)時(shí)狀況。主人亦可根據自身需要，遠程主動(dòng)進(jìn)行查詢(xún)寵物狀態(tài)、修改微博內容、自動(dòng)喂食、改變環(huán)境條件等操作。該系統的功能架構如圖1所示。

圖1 系統功能架構

2.2 性能要求

1.通過(guò)正確設定傳感器位置，以盡可能少的傳感器數目感知盡可能多的寵物行為學(xué)特征。

2.我們將在電路設計中以低功耗、小體積為目標，利用市場(chǎng)上現有電子器件（例如：AVR單片機、加速傳感器等）的特點(diǎn)，盡可能實(shí)現整體的低功耗與小體積，使寵物狗佩戴舒適，也使本系統更加節能環(huán)保。

3.我們在設計過(guò)程中，將把易于操作作為重點(diǎn)，面向不具備行為心理學(xué)、電子設計、軟件設計等知識的用戶(hù)，設計友好的用戶(hù)界面、強大的功能、自由的用戶(hù)設定，使用戶(hù)能有更好的體驗。

三、方案設計

3.1 系統功能實(shí)現原理

圖2 系統硬件結構框圖

犬類(lèi)的動(dòng)物行為學(xué)特征主要分為三種：表情、體語(yǔ)、尾語(yǔ)、活躍狀態(tài)、叫聲這五種。由于現今技術(shù)與成本上的限制，利用傳感器對狗的面部表情進(jìn)行感知是不可行的。因此我們的主要目標是對寵物狗的體語(yǔ)、尾語(yǔ)、活躍狀態(tài)進(jìn)行感知，通過(guò)終端分析計算，與現有行為學(xué)研究資料結合模擬寵物狗的心理變化。

系統硬件結構框圖如圖2所示，以下是對圖中主要硬件模塊的詳細描述。

加速傳感器：體語(yǔ)感知要用到兩個(gè)三軸加速傳感器。根據用戶(hù)自身需要（例如：寵物狗是否有尾巴，四肢是否具有特殊意義的動(dòng)作特征等）可選用若干個(gè)二軸加速傳感器置于寵物狗身體各部分。體語(yǔ)感知所用的三軸加速傳感器分別位于寵物狗的上半身和下半身，可用于檢測寵物狗的各種基本行為狀態(tài)（例如：趴下、坐下、側身翻滾、快跑、慢跑等）和統計寵物狗的活躍狀態(tài)（即與運動(dòng)時(shí)間、靜止時(shí)間相關(guān)的狀態(tài)系數）。由于寵物狗的四肢、尾巴主要活動(dòng)于二維平面內，故該部分以二軸加速傳感器足以檢測其運動(dòng)狀態(tài)，較之三軸加速傳感器其成本、功耗較低。

音頻識別模塊：將單片機中的設定（即寵物狗的不同叫聲信息，包括默認添加的通用類(lèi)型和用戶(hù)通過(guò)客戶(hù)端自行添加的叫聲類(lèi)型）發(fā)送至音頻識別芯片中，通過(guò)置于寵物狗項圈處的音頻接收器進(jìn)行采集，對比原先設定，判斷叫聲類(lèi)型，并把判斷結果發(fā)送到AVR單片機中。

環(huán)境條件傳感器：包括溫度、光照等傳感器。將當前寵物狗所處室內環(huán)境參數發(fā)送至單片機中進(jìn)行處理，當達到某一門(mén)限值（可由用戶(hù)設定）時(shí)，將由單片機發(fā)送指令啟動(dòng)溫度調節等外部環(huán)境改善設備。由于寵物狗所處室內環(huán)境溫差不會(huì )太大，故該系列傳感器可置于室內固定地點(diǎn)（例如：狗屋），減少寵物狗身上攜帶的傳感器數量，以減輕其負擔。

集成無(wú)線(xiàn)模塊的AVR處理器：主要用于對各個(gè)傳感器輸出的數據和用戶(hù)的設定進(jìn)行傳輸與處理。例如：對于加速傳感器的數據進(jìn)行預處理（例如：將三軸加速傳感器的三路輸出整合為一路輸出）后發(fā)送、根據用戶(hù)設定將寵物狗叫聲特征信息送入音頻識別芯片中、判斷當前環(huán)境狀態(tài)并向本地電腦發(fā)送相關(guān)信息等。

外部設備：（1）自動(dòng)喂食裝置。市面上有通過(guò)手動(dòng)機械結構實(shí)現對寵物食物的定量管理，只要稍加改裝就可以實(shí)現用戶(hù)通過(guò)客戶(hù)端或手機對其進(jìn)行自動(dòng)控制、定時(shí)定量對寵物進(jìn)行遠程喂食。（2）溫度調節器。根據本地電腦發(fā)出的信號自動(dòng)實(shí)現溫度升高與降低，計劃利用普通51單片機實(shí)現簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制。（3）其它外部設備。視系統需要及開(kāi)發(fā)進(jìn)度決定比賽規定時(shí)間內是否進(jìn)行擴展設計。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

考慮到寵物狗佩戴的舒適性，以及比賽方提供的開(kāi)發(fā)平臺體積，我們團隊決定自制板卡以減小寵物狗身上所佩戴器件的體積，提高其舒適度。以下為所需的相關(guān)器件及資源：

1.ATMEGA128RFA1：該芯片集成了低功耗的AVR單片機及支持ZigBee協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。鑒于ZigBee的自組網(wǎng)特性，選用該芯片能簡(jiǎn)單地實(shí)現傳感器模塊的擴展，且該芯片體積小、性能高、具有豐富的片內資源和ATMEL軟件庫的支持，足以滿(mǎn)足系統設計需要。

2.基于MEMS架構的三軸和兩軸加速度傳感器，該類(lèi)型傳感器體積小、功耗低、精度高，符合本系統的性能要求與功能需要。

3.音頻采集器、音頻識別芯片。

4.光照、溫度傳感器。

5.加熱器、自動(dòng)喂食器等外部設備。

3.3系統軟件架構

圖3 系統軟件結構框圖

系統軟件結構框圖如圖3所示。傳感器先將數據傳至AVR單片機，然后經(jīng)軟件初步處理后發(fā)至本地計算機，本地計算機再根據用戶(hù)的設定模擬出寵物當前動(dòng)作和心理狀態(tài)并顯示在客戶(hù)端界面。此時(shí)，客戶(hù)端可根據用戶(hù)設定或指令將寵物信息經(jīng)微博或手機傳送給用戶(hù)，用戶(hù)也可通過(guò)電腦對客戶(hù)端進(jìn)行本地或遠程的直接操作。

下面是本系統中兩個(gè)關(guān)鍵部分的軟件流程：

1. AVR單片機程序流程

AVR單片機中的程序流程圖如圖4所示。

圖四

首先，單片機將其中預先設置好的音頻特征信息送入到音頻識別芯片中（用戶(hù)可根據自身寵物情況錄制音頻信息并進(jìn)行自定義，然后經(jīng)客戶(hù)端發(fā)送至AVR單片機內，以擴展音頻識別芯片對寵物狗聲音識別的類(lèi)型），接著(zhù)開(kāi)始接收各項傳感器的數據，并經(jīng)初步處理后，以一定的速率和頻率（以兼顧實(shí)時(shí)反映寵物狀態(tài)和盡可能減少系統功耗為前提）發(fā)送至本地電腦客戶(hù)端，以便進(jìn)一步的分析和處理。

2. 客戶(hù)端程序流程

電腦客戶(hù)端的程序流程如圖5所示。

圖五

（1）用戶(hù)在電腦上安裝客戶(hù)端后可通過(guò)本地（本計劃書(shū)中本地均指寵物狗所在地）或遠程登錄使用客戶(hù)端。登錄客戶(hù)端后，可在用戶(hù)操作界面建立多個(gè)寵物檔案（即一個(gè)客戶(hù)端可反映家中多只寵物狗的行為心理狀態(tài)）。

（2）可按照自家寵物情況添加其獨特的行為特征及相應心理狀態(tài)?？蛻?hù)端通過(guò)將由AVR芯片發(fā)來(lái)的數據與數據庫中寵物狗行為特征數據做比較，判斷其當前行為狀態(tài)，部分行為狀態(tài)會(huì )以動(dòng)畫(huà)（用戶(hù)可自行制作和添加）的形式于操作界面顯示給用戶(hù)，并表明寵物當前的心理狀態(tài)。

（3）根據用戶(hù)設定與寵物狗當前的行為心理狀態(tài)，客戶(hù)端將通過(guò)本地電腦對外部設備、微博、手機進(jìn)行自動(dòng)操作，用戶(hù)亦可通過(guò)手機向本地電腦發(fā)送指令，以顯示寵物當前狀態(tài)及對部分設定的更改。

3.4 系統預計實(shí)現結果

1. 處于實(shí)驗階段的實(shí)物樣品。

2. 適用于Windows系統計算機的客戶(hù)端軟件。

3. 兩種或以上不同品種寵物狗的相關(guān)動(dòng)畫(huà)。

4. 用戶(hù)可通過(guò)手機對客戶(hù)端進(jìn)行部分操作。

5. 寵物狗試用該系統的效果視頻。

6. 利用無(wú)線(xiàn)感知技術(shù)探測犬類(lèi)行為學(xué)特征的研究報告。