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基于STM32的智能宠物项圈系统设计

来源：萌宠菠菠乐园时间：2025-09-20 23:02

摘要：为了帮助人们更好地饲养和管理宠物，设计一个智能宠物项圈系统显得尤为必要。系统采用STM32单片机作为主控芯片，结合多种传感器实现对宠物心率、血氧饱和度、体温等数据的实时监测，数据异常时则通过短信将相关信息发送至主人手机，并对宠物位置进行跟踪定位，利用Wi-Fi 技术将数据发送至云服务平台，并显示在手机APP 上。同时结合射频识别（radio frequency identification，RFID）技术实现对宠物年龄、疫苗接种情况以及主人联系方式的写入与读取，实现智能宠物项圈的基本设计目标。

关键词：STM32；GPS 定位；宠物健康；RFID 技术

中图分类号：TN92；TP277 文献标识码：A

0 引言

随着人们物质生活水平的不断提高，对精神生活的追求也越来越丰富，饲养宠物已经成为很多家庭的精神追求之一。但是在饲养过程中，当宠物出现不适时不容易被发现，宠物户外活动时容易走失，这些给宠物主人带来很多担忧和困扰。此外，随着宠物数量的增加，宠物的管理也存在较大的问题[1]。因此，开发一种面向宠物健康监测、定位以及管理的智能宠物项圈显得尤为必要。

1 系统总体设计方案

智能宠物项圈选用STM32 芯片作为核心来实现相关信息的发送等核心功能。系统的工作流程如下：全球定位系统（global positioning system，GPS）功能模块实时动态传输采集的数据，项圈采用Wi-Fi 技术与手机APP 连接，利用全球移动通信系统（global system for mobile communications，GSM）进行远程通信，并及时将信息发送至手机，以提醒宠物主人关注宠物的健康状态。主人通过手机APP 自动获取宠物的各项信息，利用射频识别（radio frequency identification，RFID）技术实现电子宠物证功能，系统总体设计方案如图1 所示。

2 智能宠物项圈硬件设计

智能宠物项圈选用STM32 芯片作为核心板，采用MAX30102 心率血氧传感器测量宠物的心率、血氧饱和度；DS18B20 温度传感器负责测量宠物的体温；NEO-6M GPS 负责定位宠物位置信息[2]；有机发光二极管（organic light-emitting diode，OLED）显示屏用于实时显示宠物身体状况数据和位置信息；RC522 刷卡模块实现电子宠物证功能；蜂鸣器实现报警功能；利用SIM800C 通信模块实现短信通知；ESP8266-01s Wi-Fi 模块实现项圈和手机APP 的无线通信功能。

2.1 智能宠物项圈模块设计

2.1.1 STM32 单片机核心电路设计

本设计的主控芯片采用STM32 单片机。STM32 单片机具有高性能、低功耗的特点，其不但运行速度快，还自带2 个模数转换器（analog todigital converter，ADC），具有强大的通信功能和控制功能。同时，STM32 还具有5 个串口进行通信，对一些要求用串口进行通信的模块就无须通过CD4052 等双串口模块来转换，而且STM32 单片机具有强大的开发工具支持和丰富的软件资源。

2.1.2 心率血氧模块

本设计选用MAX30102 高性能传感器来监测宠物心率和血氧饱和度，其具有精度高、稳定性好和功耗低等特点，适用于便携式设备。

该传感器使用1.8 V 电源和一个独立的3.3 VLED 电源开关，带有标准兼容通信接口。

2.1.3 体温检测模块

本设计选用DS18B20 温度传感器，其可以输出数字信号，具有体积小、材料成本低、抗噪能力强、精度高等特点。其独特的1-Wire 协议接口，简化了分布式温度传感应用，还可以用数据总线供电，供电电压为3.0 ～ 5.5 V，测量温度范围为-55 ～ 125°C，在-10 ～ 85 °C 内的温度测量精确度为± 0.5°C。

2.1.4 OLED 显示屏与蜂鸣器报警模块

OLED 显示屏具有高分辨率、超大可视视角、超低功耗等优点，用于实时显示宠物身体状况的各项信息变化。蜂鸣器可以在数据异常或位置信息异常时进行报警。

2.1.5 GPS 定位模块

本设计选用信号为NEO-6M 的GPS 作为定位设备模块[3]。该模块体积小巧、性能优异，具有高精度和低功耗的优点，同时还具有50 个通道，追踪灵敏度高达-161 dBm，测量输出频率最高达5 Hz。此外，该模块可以快速获取卫星信号并进行定位，这使其在实际应用中表现良好。定位模块自带可充电后备电池，可以实现数据的掉电存储。通过接收来自卫星的无线信号，计算卫星的位置和时钟信息，然后使用三角定位等技术，可计算出模块所在的地理位置。

图2 为GPS 定位模块电路图。PPS 作为时钟脉冲输出引脚，RXD 作为串口接收引脚可接单片机的TXD，TXD 作为串口发送引脚可接单片机的RXD，GND 接地，VCC 接3.3 ～ 5.0 V 电压。

2.1.6 电子宠物证模块

RC522 模块具有高度集成化和高度稳定性的特点，能够提供完整的射频读写功能且能保证稳定可靠的通信和数据传输。其工作频率为13.56 MHz，具有低功耗特性，可以在待机模式下降低功率消耗，并且作为RFID 卡的读写器，该模块通过射频信号与外部射频卡进行通信，从而实现射频识别功能。其读取距离一般为5 ～ 10 cm，在本设计中发挥电子宠物证的作用。

2.2 智能宠物项圈通信功能设计

2.2.1 GSM 短信模块

本设计采用SIM800C 通信模块实现宠物项圈和手机的信息通信[4]。向手机发送宠物的各项身体数据和位置信息，后续的报警也会涉及该模块。该模块体积小巧、功耗较低，支持1.8 V 和3 V SIM 卡。其供电电压为5 V，工作温度为-40 ～ 85℃，存储温度为-45 ～ 90℃。

2.2.2 Wi-Fi 通信模块

本设计采用ESP8266-01s Wi-Fi 通信模块。该模块内置32 位处理器，主频为80 MHz，支持多种外设接口，具有尺寸小巧和低功耗等特点。该模块通过通用异步收发器（universal asynchronousreceiver/transmitter，UART）串口与主控制器进行通信，使用AT 指令集作为通信协议[5]。主控制器可以通过发送AT 指令给ESP8266-01s Wi-Fi 通信模块来控制Wi-Fi 连接、数据传输和网络配置。图3为ESP8266-01s Wi-Fi 通信模块电路图。

3 智能宠物项圈系统软件设计

智能宠物项圈系统软件设计基于Keil 5 集成开发环境，采用C 语言作为开发语言。Keil 5 界面简洁，易于使用，使用户可以更加专注于代码的编写和调试。

3.1 系统总体流程设计

系统总体设计流程如图4 所示。首先，对系统中各个模块进行初始化并与核心板建立联系；其次，分析各个模块需要实现的功能，再进行相应程序的编写与调试，程序编写完毕后，进行硬件的选择和焊接；最后，注入程序，实现系统的总体设计。

3.2 数据采集系统设计

如图5 所示，在数据采集的过程中，首先，对传感器进行初始化；其次，读取测量数据，判断是否正常，如果异常则重新测量，如果数据正常则进行下一步；最后，判断数据是否超过设定的范围，如果超出范围将会触发报警，未超出范围则上传数据并保存，同时在手机APP 显示。

4 系统测试

在测试系统时，根据系统的功能创建一个合适的测试环境。本系统的系统测试包括数据采集功能测试和通信功能测试。

4.1 数据采集功能测试

利用相应的模块测量宠物的心率、血氧以及体温。将设计完成的智能项圈给宠物穿戴，当传感器的感应部分捕捉到经皮肤反射的光，通过测量血液对不同波长光的吸收情况，从而计算出血氧饱和度和心率值。而体温测量则可以直接读取传感器测量的温度。正常情况下，宠物的心率值为70 ～120 次/min，正常体温为37.0 ～ 39.2°C，因此系统设置温度不高于40°C，当超过40°C 时，则触发蜂鸣器报警，同时手机会接收到提醒信息。测试结果显示，系统各项功能均满足设计要求。

4.2 通信功能测试

本文测试了系统的信息能否上传云平台以及手机APP，在云平台端可以查看多个时间段的宠物身体数据和位置信息，而手机可以实时查看数据，并且接收报警信息。

当宠物的活动范围超过设定的范围或者宠物身体数据异常时，项圈会给手机发送信息提醒，并且触发蜂鸣器报警。此外，通过手机发送特定信息也可以主动获取宠物当前状态下的数据，实现项圈和手机APP 的双向通信。

5 结论

本文以STM32F108C8T6 为核心板，首先通过对比不同的无线通信方式，确定本系统采用Wi-Fi无线通信技术。其次，根据本系统所涉及的GSM短信模块、心率血氧模块、体温检测模块、OLED显示屏模块、GPS 定位模块、蜂鸣器报警模块、电子宠物证模块等模块，通过云平台和智能手机的应用，实现对宠物的健康监测以及定位功能，同时，当数据异常和位置超出范围时，也会触发报警。最后，经过多次测试，本系统性能稳定，适合在多种情境下使用，并且实现了设计的要求与功能。

参考文献

[1] 王亚文，赵翠. 基于SSM 框架的社区宠物信息管理系统设计与分析[J]. 电脑编程技巧与维护，2021（1）：103-105.

[2] 王艺轩. 情感交流下的宠物犬智能穿戴产品设计研究[D]. 武汉：武汉纺织大学，2021.

[3] 舒志鹏. 基于深度学习的无线定位技术的研究与应用[D]. 北京：北京邮电大学，2023.

[4] 鱼瑜，吴明亮，张来喜，等. 多传感器融合定位方法探讨[J]. 导航定位学报，2023，11（5）：151-163.

[5] 易琦. 基于大数据用户需求分析与宠物应激实验的宠物猫航空箱设计[D]. 上海：东华大学，2023.