基於 STM32 的物聯網寵物餵食系統設計

摘要

針對寵物主人因工作繁忙而無法按時餵養寵物的問題，本文設計並實作了一種基於 STM32 單晶片的物聯網寵物餵食系統。系統以 STM32F103C8T6 為主控晶片，結合 ESP01S WiFi 模組建構輕量化 Web 伺服器；整合 DS18B20 數位溫度感測器用於環境溫度監測，HX711 稱重感測器用於食物重量偵測，JQ8900 語音模組用於語音播報提醒，SG90 伺服馬達作為執行機構完成自動餵食。使用者透過網頁即可遠端查看餵養狀態、環境溫度與食物剩餘量，並可設定定時餵食、鬧鐘提醒與溫度門檻值等參數。測試結果顯示，系統各項功能運行穩定，溫度測量誤差在 ±0.5℃ 以內，稱重誤差約 3%，滿足家用場景需求。

關鍵詞：STM32；物聯網；寵物餵食；WiFi 通訊；感測器

1 緒論

1.1 研究背景與意義

隨著社會經濟的發展和生活節奏的加快，寵物已成為許多家庭的重要成員。據統計，我國寵物數量已超過 1 億隻，寵物市場規模持續擴大。然而現代人工作壓力大、外出頻繁，經常無法按時在家照顧寵物，尤其是按時餵養，這不僅影響寵物的健康，也給主人帶來了困擾。

物聯網（Internet of Things，IoT）技術的發展為解決這一問題提供了新思路：將感測器、致動器與網路通訊技術相結合，可以實現對寵物餵養過程的智慧化管理與遠端控制。本課題的研究意義在於：（1）解決餵養的時間限制問題，主人即使外出工作或出差也能按時餵食，保證寵物的飲食規律；（2）透過環境溫度監測，在極端天氣條件下及時採取措施；（3）透過食物重量即時監測，隨時掌握食物剩餘量；（4）透過語音提醒與網頁互動，提升人機互動的友善性。

1.2 國內外研究現況

在國外，智慧寵物餵養設備的研究起步較早，技術相對成熟，PetSafe 等廠商已推出具備定時定量餵食、遠端控制與影像監控功能的商業化產品，但價格與使用門檻相對較高。在國內，隨著物聯網技術的普及與智慧家庭市場的發展，智慧餵食器產品逐漸豐富，但在功能豐富度、穩定性和性價比方面仍有提升空間，特別是結合在地化服務與個人化需求方面還有較大的發展潛力。

1.3 主要研究內容

本文的研究內容主要包括：系統整體方案設計、硬體電路設計與元件選型、STM32 軟體程式開發、基於 ESP01S 的輕量化 Web 伺服器建置，以及系統功能測試與最佳化。

2 系統總體設計

2.1 功能需求分析

結合市場調研與使用者需求分析，系統需實現以下功能：

1. 自動餵食：根據預設時間、倒數或遠端指令自動投放食物；
2. 溫度監測：即時監測環境溫度，超過門檻值時發出聲音警報；
3. 重量偵測：即時偵測食物盤中的食物重量，重量不足時提醒使用者；
4. 語音提醒：偵測到食物被取用或重量不足時播放語音提示；
5. 遠端控制：透過 Web 網頁查看狀態並控制餵食；
6. 本地顯示：透過 OLED 螢幕顯示時間、重量、餵養次數等參數。

2.2 系統總體架構

系統以 STM32F103C8T6 為控制核心，週邊劃分為五個部分：通訊（ESP01S）、感知（DS18B20、HX711）、執行（SG90 伺服馬達）、人機互動（OLED、按鍵、JQ8900 語音）與警報（蜂鳴器）。整體功能結構如圖 2-1 所示。

系統支援兩種餵養模式：自動模式下，到達預設鬧鐘時間或倒數結束時自動觸發餵食；手動模式下，使用者可透過本地按鍵或網頁遠端觸發。無論哪種觸發來源，最終都統一匯入同一個餵食控制邏輯並累計餵養次數，避免了多個觸發來源各自獨立判斷導致的狀態不一致問題。

2.3 硬體選型

在滿足功能需求並控制成本的前提下，系統選用如下元件方案：

3 硬體系統設計

3.1 主控電路與資源分配

STM32F103C8T6 是 ST 公司基於 ARM Cortex-M3 核心（內核）的 32 位元單晶片，效能強、功耗低，晶片上整合 GPIO、USART、SPI、I2C、ADC 與定時器等豐富周邊。本系統的主要接腳資源分配如下：

• USART1（PA9/PA10）：連接 ESP01S WiFi 模組，收發控制指令與狀態資料；
• USART2（PA2/PA3）：連接 JQ8900 語音模組，下發播放指令；
• TIM3（PA0）：產生伺服馬達 PWM 控制訊號；
• TIM2：用於按鍵去彈跳定時；
• PB1/PB10：HX711 的時脈（SCK）與資料（DOUT）接腳；
• PB5：DS18B20 1-Wire 資料線（需 4.7 kΩ 電阻上拉至 VCC）；
• PB8/PB9：OLED 螢幕 I2C 介面（SCL/SDA）；
• PB12：蜂鳴器控制。

佈線中有一個容易被忽視的要點：HX711 必須使用獨立 5 V 電源供電，並與單晶片共地，否則稱重讀數會受到明顯的電源干擾而抖動。

3.2 感測器模組

（1）DS18B20 溫度感測器。 DS18B20 是 Dallas 公司的 1-Wire 數位溫度感測器，測量範圍 −55～+125℃，在 −10～+85℃ 區間精度為 ±0.5℃，僅需一根資料線即可完成雙向通訊，大幅簡化了電路設計。本系統用它監測餵養環境溫度，當溫度超過設定門檻值時觸發蜂鳴器警報，提醒主人注意寵物的生存環境。

（2）HX711 稱重模組。 HX711 是專為電子稱重系統設計的 24 位元 A/D 轉換器，內部整合可程式放大器（增益 128/64/32 可選），與應變片式壓力感測器配合，把微弱的毫伏級差分訊號轉換為數位量。本系統選用 128 倍增益偵測食物盤重量；為保證精度，上電預熱後先執行一次空載校準，記錄稱重通道的零點 RAW 值，作為後續重量計算的基準。

3.3 通訊模組

ESP01S 基於 ESP8266EX 晶片，內建 TCP/IP 通訊協定堆疊，支援 Station、SoftAP 及混合模式，體積小、功耗低。本系統將其設定為 AP 模式：手機或電腦連線裝置發出的熱點後，瀏覽器存取 192.168.4.1 即可開啟控制頁面——不依賴外部路由器，在任何家庭環境都能直接使用。

即時時鐘採用 DS3231 高精度 RTC 模組，掛在 ESP01S 的 GPIO 模擬 I2C 匯流排上。DS3231 由鈕扣電池維持走時，裝置斷電重新上電後時間依然準確，避免了每次上電都需要重新校時的麻煩。

3.4 執行機構與人機互動

SG90 伺服馬達重量僅 9 g，角度範圍 0°～180°，安裝在食物容器的出料口處，旋轉時帶動出料口開合完成餵食。OLED 螢幕（0.96 吋、128×64、SSD1306 驅動）用於本地顯示目前日期時間、工作模式、食物重量與餵養次數。JQ8900 語音模組支援 MP3 解碼與串列埠指令控制，內建 8Ω/3W 擴音直接驅動揚聲器，在偵測到食物被取用或重量不足時播放語音提示。系統還配備 4 個按鍵用於本地設定時間、鬧鐘、倒數與溫度門檻值，以及 1 個有源蜂鳴器用於溫度超限警報。

4 軟體系統設計

4.1 程式整體流程

系統軟體採用模組化設計，各功能模組封裝為獨立的驅動與服務，主程式流程如圖 4-1 所示：上電後依序完成 OLED、蜂鳴器、HX711、語音模組、伺服馬達、DS18B20 與 ESP01S 的初始化；隨後進入預熱階段等待感測器穩定；再執行空載校準取得稱重零點；最後進入主迴圈，持續輪詢溫度、重量、按鍵與通訊狀態，並調度餵食、警報、顯示與語音等動作。

4.2 HX711 稱重與數位濾波

HX711 的資料讀取時序要求嚴格：先將 SCK 拉低，等待 DOUT 拉低表示資料就緒，隨後連續發送 24 個時脈脈衝讀出 24 位元原始資料，最後再補發一個脈衝設定下次轉換的增益（128 倍）。

稱重訊號中疊加了電源漣波與機械振動雜訊，直接顯示數值會明顯跳動。系統採用一階低通濾波對取樣值進行平滑：

Y(n) = α · X(n) + (1 − α) · Y(n−1)

其中 X(n) 為本次取樣值，Y(n−1) 為上次濾波輸出。濾波係數 α 需要兼顧反應速度與平滑程度：α 越大反應越快但殘留雜訊越多。本系統取 α = 0.8，核心實作如下：

/* 一階低通濾波：weight_raw 為本次取樣，weight_filtered 為濾波輸出 */
#define FILTER_ALPHA 0.8f

weight_filtered = FILTER_ALPHA * weight_raw
                + (1.0f - FILTER_ALPHA) * weight_filtered;

/* 零位容差：±2 g 以內視為 0，避免空載時顯示負數或微小抖動 */
if (weight_filtered > -2.0f && weight_filtered < 2.0f) {
    weight_filtered = 0;
}

此外還設置了零位容差機制：稱重值在 ±2 g 範圍內時視為零，防止空載時顯示負數。

4.3 溫度監測與超限警報

DS18B20 採用 1-Wire 協定通訊：主機首先發送重置脈衝，等待元件回傳 Presence 脈衝；隨後發送跳過 ROM 命令與溫度轉換命令；轉換完成後再次重置、跳過 ROM 並發出讀暫存器命令，讀回 9 位元組資料並解析出溫度值。系統預設溫度門檻值為 31℃，偵測到環境溫度超過門檻值時，蜂鳴器發出警報，同時透過網頁同步提醒使用者。

4.4 伺服馬達餵食控制

SG90 伺服馬達由 TIM3 輸出的 PWM 訊號控制，週期 20 ms，脈寬 0.5～2.5 ms 線性對應 0°～180°。餵食時伺服馬達從 0° 旋轉到 180°，再回轉至 0°，出料口隨之開合一次，完成一次完整餵食動作並累加餵養次數。旋轉過程採用步進式遞增/遞減而非角度直接跳變：一方面使出料時間與機械動作更平穩，另一方面便於在任意時刻回應網頁下發的「停止手動餵食」指令。

4.5 ESP01S Web 伺服器

STM32 透過 AT 指令完成 ESP01S 的初始化設定：測試通訊、設定 WiFi 模式為 SoftAP、設定熱點名稱與密碼、多連線方式並啟動 TCP 伺服器監聽 80 埠。使用者瀏覽器發起 HTTP 請求後，ESP01S 回傳內嵌的控制頁面，頁面透過表單提交把參數下發到 STM32 執行。

網頁功能涵蓋：設定系統時間（寫入 DS3231）、最多 3 組鬧鐘（自動模式下定時餵食）、倒數、溫度門檻值，以及手動餵食的開始/停止與餵養次數查看；此外還提供一個除錯頁面，顯示開發過程中的關鍵執行參數，便於遠端定位問題。

5 系統測試與結果分析

5.1 功能測試

在實驗室環境下對各功能模組進行測試，結果如下表所示：

5.2 結果分析

稱重環節約 3% 的誤差主要來自應變片感測器的非線性與校正基準的偏差，屬於家用場景可接受的範圍；空載時 0～2 g 的顯示波動源於感測器雜訊，經低通濾波與零位容差處理後顯示基本穩定。測試中還發現稱重讀數存在輕微漂移現象，透過延長上電預熱時間並微調濾波係數後明顯改善。

6 結論與展望

本文設計並實作了一種基於 STM32 的物聯網寵物餵食系統，完成了自動餵食、環境溫度監測與超限警報、食物重量偵測、語音提醒與 Web 遠端控制等功能。硬體採用模組化設計，各模組透過標準介面連接，便於除錯與維護；軟體遵循模組化程式設計思想，結構清晰、易於擴充。測試結果顯示，系統各項功能運行穩定，達到了預期設計目標。

後續可從以下方向繼續完善：（1）增加攝影機模組，實現寵物進食畫面的即時監控；（2）接入雲端平台，實現資料的長期儲存與分析；（3）開發手機 App，提供更友善的使用者介面；（4）增加食物庫存預警功能，食物不足時自動提醒使用者購買；（5）最佳化稱重演算法，進一步提高測量精度與穩定性。