寵物狗無線感知交互系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

一、項(xiàng)目概述

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，很重要的一點(diǎn)就是人與動物的和諧共處。

寵物狗作為人類最親近的動物之一，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AVR內(nèi)核的寵物狗無線感知交互系統(tǒng)讓寵物狗主人更加了解寵物狗，增進(jìn)與身邊動物的感情，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人與動物的和諧共處。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動機(jī)

在當(dāng)今社會，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，平均每三個家庭就有一只寵物，此時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，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。然而作為群居動物，它們會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AVR內(nèi)核的寵物狗無線感知交互系統(tǒng)來解決上述問題，實(shí)現(xiàn)人與動物的和諧相處。

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.動物行為學(xué)可行性分析：動物行為學(xué)是研究動物對環(huán)境和其它生物的互動等問題的學(xué)科。研究的對象包括：動物的溝通行為、情緒表達(dá)、社交行為、學(xué)習(xí)行為、繁殖行為等。狗作為一種群居動物，其動物行為學(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。基于MEMS架構(gòu)的三軸加速傳感器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)能自動地告知主人寵物的心理狀態(tài)、進(jìn)行自動喂食、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)時地了解到寵物狗的實(shí)時狀況。主人亦可根據(jù)自身需要，遠(yuǎn)程主動進(jìn)行查詢寵物狀態(tài)、修改微博內(nèi)容、自動喂食、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：AVR單片機(jī)、加速傳感器等）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。

加速傳感器：體語感知要用到兩個三軸加速傳感器。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作特征等）可選用若干個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)動時間、靜止時間相關(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(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)送至音頻識別芯片中，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，將由單片機(jī)發(fā)送指令啟動溫度調(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音頻識別芯片中、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）自動喂食裝置。市面上有通過手動機(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)行自動控制、定時定量對寵物進(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)前動作和心理狀態(tài)并顯示在客戶端界面。此時，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。

圖四

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。

2. 客戶端程序流程

電腦客戶端的程序流程如圖5所示。

圖五

（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寵物檔案（即一個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)會以動畫（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。