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          一款寵物狗無線感知交互系統(tǒng)讓人和動(dòng)物的社交網(wǎng)絡(luò)成真

          作者: 時(shí)間:2017-06-03 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          一、項(xiàng)目概述

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201706/346854.htm

          1.1 引言

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

          寵物狗作為人類最親近的動(dòng)物之一,為我們的生活帶來了歡樂與便利,但大多數(shù)人在飼養(yǎng)寵物狗時(shí)卻由于無法理解寵物狗的真實(shí)想法而導(dǎo)致各種問題的出現(xiàn)。因此我們想通過這款基于內(nèi)核的寵物狗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(xiàn)人與動(dòng)物的和諧共處。

          1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

          在當(dāng)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(shù)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工作,而是作為家庭生活的一份子而存在。但隨著寵物數(shù)量的上升,許多問題也逐漸暴露出來,寵物心理狀況及健康狀況的下降,流浪寵物數(shù)量的攀升,近年來甚至在網(wǎng)上出現(xiàn)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(zhǔn)確的了解,導(dǎo)致對其關(guān)注與關(guān)懷的缺失。此外,當(dāng)主人外出時(shí),往往無法攜帶寵物一同外出,難免對寵物的狀態(tài)有所擔(dān)憂,甚至寵物在家中發(fā)生事故卻無從知曉。

          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言表達(dá)真實(shí)情感。對于不具備相關(guān)知識的普通人來說,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)通過一些較為明顯的行為學(xué)標(biāo)志來表達(dá)自己的心理。

          綜上所述,為引起更多人的關(guān)注,我們將結(jié)合當(dāng)前熱門新事物——微博,開發(fā)并完善這款基于內(nèi)核的寵物狗來解決上述問題,實(shí)現(xiàn)人與動(dòng)物的和諧相處。

          1.3 項(xiàng)目可行性分析

          經(jīng)過我們的初步評估,本項(xiàng)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)等問題的學(xué)科。研究的對象包括:動(dòng)物的溝通行為、情緒表達(dá)、社交行為、學(xué)習(xí)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,且由于犬類與人類有著緊密的聯(lián)系,其行為學(xué)研究也已相當(dāng)成熟。我們團(tuán)隊(duì)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(tǒng)的理論支持。根據(jù)他們所提供的資料,經(jīng)整理后我們以寵物狗為重點(diǎn)撰寫了《動(dòng)物行為學(xué)分析概述》(詳見附錄)一文,并以此為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的各項(xiàng)環(huán)節(jié)。

          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(dāng)前內(nèi)嵌無線通信模塊的MCU已做到低功耗、低成本、小體積?;贛EMS架構(gòu)的三軸更是在高靈敏度的條件下達(dá)到同樣的目標(biāo)。利用兩者所制成的無線傳感節(jié)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.市場可行性分析:根據(jù)我們的初步評估,該項(xiàng)目的實(shí)物成本大概在300元左右,面對目前高達(dá)一億的寵物狗數(shù)量以及動(dòng)輒上千的寵物狗消費(fèi)市場而言,具有良好的市場前景。同時(shí)本項(xiàng)目所研究的范圍在國內(nèi)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(shè)計(jì)可以吸引來廣大的客戶。

          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(jù)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(jù)主人的設(shè)定,系統(tǒng)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,讓主人無論是身處家中還是遠(yuǎn)在千里之外都可以準(zhǔn)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(jù)自身需要,遠(yuǎn)程主動(dòng)進(jìn)行查詢寵物狀態(tài)、修改微博內(nèi)容、自動(dòng)喂食、改變環(huán)境條件等操作。該系統(tǒng)的功能架構(gòu)如圖1所示。

          圖1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

          2.2 性能要求

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

          2.我們將在電路設(shè)計(jì)中以低功耗、小體積為目標(biāo),利用市場上現(xiàn)有電子器件(例如:單片機(jī)、等)的特點(diǎn),盡可能實(shí)現(xiàn)整體的低功耗與小體積,使寵物狗佩戴舒適,也使本系統(tǒng)更加節(jié)能環(huán)保。

          3.我們在設(shè)計(jì)過程中,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(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等知識的用戶,設(shè)計(jì)友好的用戶界面、強(qiáng)大的功能、自由的用戶設(shè)定,使用戶能有更好的體驗(yàn)。

          三、方案設(shè)計(jì)

          3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

          圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

          犬類的動(dòng)物行為學(xué)特征主要分為三種:表情、體語、尾語、活躍狀態(tài)、叫聲這五種。由于現(xiàn)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(biāo)是對寵物狗的體語、尾語、活躍狀態(tài)進(jìn)行感知,通過終端分析計(jì)算,與現(xiàn)有行為學(xué)研究資料結(jié)合模擬寵物狗的心理變化。

          系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,以下是對圖中主要硬件模塊的詳細(xì)描述。

          :體語感知要用到兩個(gè)三軸加速傳感器。根據(jù)用戶自身需要(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(cè)身翻滾、快跑、慢跑等)和統(tǒng)計(jì)寵物狗的活躍狀態(tài)(即與運(yùn)動(dòng)時(shí)間、靜止時(shí)間相關(guān)的狀態(tài)系數(shù))。由于寵物狗的四肢、尾巴主要活動(dòng)于二維平面內(nèi),故該部分以二軸加速傳感器足以檢測其運(yùn)動(dòng)狀態(tài),較之三軸加速傳感器其成本、功耗較低。

          模塊:將單片機(jī)中的設(shè)定(即寵物狗的不同叫聲信息,包括默認(rèn)添加的通用類型和用戶通過客戶端自行添加的叫聲類型)發(fā)送至芯片中,通過置于寵物狗項(xiàng)圈處的音頻接收器進(jìn)行采集,對比原先設(shè)定,判斷叫聲類型,并把判斷結(jié)果發(fā)送到AVR單片機(jī)中。

          環(huán)境條件傳感器:包括溫度、光照等傳感器。將當(dāng)前寵物狗所處室內(nèi)環(huán)境參數(shù)發(fā)送至單片機(jī)中進(jìn)行處理,當(dāng)達(dá)到某一門限值(可由用戶設(shè)定)時(shí),將由單片機(jī)發(fā)送指令啟動(dòng)溫度調(diào)節(jié)等外部環(huán)境改善設(shè)備。由于寵物狗所處室內(nèi)環(huán)境溫差不會(huì)太大,故該系列傳感器可置于室內(nèi)固定地點(diǎn)(例如:狗屋),減少寵物狗身上攜帶的傳感器數(shù)量,以減輕其負(fù)擔(dān)。

          集成無線模塊的AVR處理器:主要用于對各個(gè)傳感器輸出的數(shù)據(jù)和用戶的設(shè)定進(jìn)行傳輸與處理。例如:對于加速傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)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(jù)用戶設(shè)定將寵物狗叫聲特征信息送入芯片中、判斷當(dāng)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(shè)備:(1)自動(dòng)喂食裝置。市面上有通過手動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對寵物食物的定量管理,只要稍加改裝就可以實(shí)現(xiàn)用戶通過客戶端或手機(jī)對其進(jìn)行自動(dòng)控制、定時(shí)定量對寵物進(jìn)行遠(yuǎn)程喂食。(2)溫度調(diào)節(jié)器。根據(jù)本地電腦發(fā)出的信號自動(dòng)實(shí)現(xiàn)溫度升高與降低,計(jì)劃利用普通51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)簡單的自動(dòng)控制。(3)其它外部設(shè)備。視系統(tǒng)需要及開發(fā)進(jìn)度決定比賽規(guī)定時(shí)間內(nèi)是否進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)。

          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發(fā)平臺體積,我們團(tuán)隊(duì)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(jī)及支持ZigBee協(xié)議的無線傳輸模塊。鑒于ZigBee的自組網(wǎng)特性,選用該芯片能簡單地實(shí)現(xiàn)傳感器模塊的擴(kuò)展,且該芯片體積小、性能高、具有豐富的片內(nèi)資源和ATMEL軟件庫的支持,足以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。

          2.基于MEMS架構(gòu)的三軸和兩軸加速度傳感器,該類型傳感器體積小、功耗低、精度高,符合本系統(tǒng)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(shè)備。

          3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

          圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

          系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。傳感器先將數(shù)據(jù)傳至AVR單片機(jī),然后經(jīng)軟件初步處理后發(fā)至本地計(jì)算機(jī),本地計(jì)算機(jī)再根據(jù)用戶的設(shè)定模擬出寵物當(dāng)前動(dòng)作和心理狀態(tài)并顯示在客戶端界面。此時(shí),客戶端可根據(jù)用戶設(shè)定或指令將寵物信息經(jīng)微博或手機(jī)傳送給用戶,用戶也可通過電腦對客戶端進(jìn)行本地或遠(yuǎn)程的直接操作。

          下面是本系統(tǒng)中兩個(gè)關(guān)鍵部分的軟件流程:

          1. AVR單片機(jī)程序流程

          AVR單片機(jī)中的程序流程圖如圖4所示。

          圖4 AVR單片機(jī)程序流程

          首先,單片機(jī)將其中預(yù)先設(shè)置好的音頻特征信息送入到音頻識別芯片中(用戶可根據(jù)自身寵物情況錄制音頻信息并進(jìn)行自定義,然后經(jīng)客戶端發(fā)送至AVR單片機(jī)內(nèi),以擴(kuò)展音頻識別芯片對寵物狗聲音識別的類型),接著開始接收各項(xiàng)傳感器的數(shù)據(jù),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(tǒng)功耗為前提)發(fā)送至本地電腦客戶端,以便進(jìn)一步的分析和處理。

          1. 客戶端程序流程

          電腦客戶端的程序流程如圖5所示。

          圖5 客戶端程序流程圖

          (1)用戶在電腦上安裝客戶端后可通過本地(本計(jì)劃書中本地均指寵物狗所在地)或遠(yuǎn)程登錄使用客戶端。登錄客戶端后,可在用戶操作界面建立多個(gè)寵物檔案(即一個(gè)客戶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(dú)特的行為特征及相應(yīng)心理狀態(tài)??蛻舳送ㄟ^將由AVR芯片發(fā)來的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中寵物狗行為特征數(shù)據(jù)做比較,判斷其當(dāng)前行為狀態(tài),部分行為狀態(tài)會(huì)以動(dòng)畫(用戶可自行制作和添加)的形式于操作界面顯示給用戶,并表明寵物當(dāng)前的心理狀態(tài)。

          (3)根據(jù)用戶設(shè)定與寵物狗當(dāng)前的行為心理狀態(tài),客戶端將通過本地電腦對外部設(shè)備、微博、手機(jī)進(jìn)行自動(dòng)操作,用戶亦可通過手機(jī)向本地電腦發(fā)送指令,以顯示寵物當(dāng)前狀態(tài)及對部分設(shè)定的更改。

          3.4 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

          1. 處于實(shí)驗(yàn)階段的實(shí)物樣品。

          2. 適用于Windows系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的客戶端軟件。

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

          4. 用戶可通過手機(jī)對客戶端進(jìn)行部分操作。

          5. 寵物狗試用該系統(tǒng)的效果視頻。

          6. 利用無線感知技術(shù)探測犬類行為學(xué)特征的研究報(bào)告。



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