一款寵物狗無線感知交互系統讓人和動物的社交網絡成真

一、項目概述

1.1 引言

維基百科中對于環保的內涵定義可分為三個方面：對自然環境的保護、對人類居住環境的保護、對地球生物的保護。在提到對地球生物保護時，很重要的一點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，但大多數人在飼養寵物狗時卻由于無法理解寵物狗的真實想法而導致各種問題的出現。因此我們想通過這款基于AVR內核的寵物狗無線感知交互系統讓寵物狗主人更加了解寵物狗，增進與身邊動物的感情，進而實現人與動物的和諧共處。

1.2 項目背景/選題動機

在當今社會，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，流浪寵物數量的攀升，近年來甚至在網上出現虐待動物的視頻。究其根本原因，在于人對寵物的心理狀態缺少真正準確的了解，導致對其關注與關懷的缺失。此外，當主人外出時，往往無法攜帶寵物一同外出，難免對寵物的狀態有所擔憂，甚至寵物在家中發生事故卻無從知曉。

寵物狗作為高等哺乳動物，和人一樣擁有不同的心理狀態，只是寵物狗不像人一樣能用語言表達真實情感。對于不具備相關知識的普通人來說，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標志來表達自己的心理。

綜上所述，為引起更多人的關注，我們將結合當前熱門新事物——微博，開發并完善這款基于AVR內核的寵物狗無線感知交互系統來解決上述問題，實現人與動物的和諧相處。

1.3 項目可行性分析

經過我們的初步評估，本項目可行性分析如下：

1.動物行為學可行性分析：動物行為學是研究動物對環境和其它生物的互動等問題的學科。研究的對象包括：動物的溝通行為、情緒表達、社交行為、學習行為、繁殖行為等。狗作為一種群居動物，其動物行為學特征較為明顯，且由于犬類與人類有著緊密的聯系，其行為學研究也已相當成熟。我們團隊已和中國科學院心理研究所取得聯系，該組織表示支持并提供行為學研究資料作為該系統的理論支持。根據他們所提供的資料，經整理后我們以寵物狗為重點撰寫了《動物行為學分析概述》（詳見附錄）一文，并以此為標準設計系統中的各項環節。

2.電子工程學可行性分析：集成電路產業的高速發展使得當前內嵌無線通信模塊的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線傳感節點只需占用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：根據我們的初步評估，該項目的實物成本大概在300元左右，面對目前高達一億的寵物狗數量以及動輒上千的寵物狗消費市場而言，具有良好的市場前景。同時本項目所研究的范圍在國內外尚屬首例，具有極好的創新性，其實用性、創新度和面向主人及其寵物的貼心設計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初步處理后由MCU發送至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境因素，并對照寵物行為與心理的映射關系，模擬寵物的心理狀態，然后根據主人的設定，系統能自動地告知主人寵物的心理狀態、進行自動喂食、改變環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在千里之外都可以準確實時地了解到寵物狗的實時狀況。主人亦可根據自身需要，遠程主動進行查詢寵物狀態、修改微博內容、自動喂食、改變環境條件等操作。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，利用市場上現有電子器件（例如：AVR單片機、加速傳感器等）的特點，盡可能實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保。

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

三、方案設計

3.1 系統功能實現原理

圖2 系統硬件結構框圖

犬類的動物行為學特征主要分為三種：表情、體語、尾語、活躍狀態、叫聲這五種。由于現今技術與成本上的限制，利用傳感器對狗的面部表情進行感知是不可行的。因此我們的主要目標是對寵物狗的體語、尾語、活躍狀態進行感知，通過終端分析計算，與現有行為學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：體語感知要用到兩個三軸加速傳感器。根據用戶自身需要（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（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（即與運動時間、靜止時間相關的狀態系數）。由于寵物狗的四肢、尾巴主要活動于二維平面內，故該部分以二軸加速傳感器足以檢測其運動狀態，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型和用戶通過客戶端自行添加的叫聲類型）發送至音頻識別芯片中，通過置于寵物狗項圈處的音頻接收器進行采集，對比原先設定，判斷叫聲類型，并把判斷結果發送到AVR單片機中。

環境條件傳感器：包括溫度、光照等傳感器。將當前寵物狗所處室內環境參數發送至單片機中進行處理，當達到某一門限值（可由用戶設定）時，將由單片機發送指令啟動溫度調節等外部環境改善設備。由于寵物狗所處室內環境溫差不會太大，故該系列傳感器可置于室內固定地點（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。

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

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

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發平臺體積，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協議的無線傳輸模塊。鑒于ZigBee的自組網特性，選用該芯片能簡單地實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，然后經軟件初步處理后發至本地計算機，本地計算機再根據用戶的設定模擬出寵物當前動作和心理狀態并顯示在客戶端界面。此時，客戶端可根據用戶設定或指令將寵物信息經微博或手機傳送給用戶，用戶也可通過電腦對客戶端進行本地或遠程的直接操作。

下面是本系統中兩個關鍵部分的軟件流程：

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4 AVR單片機程序流程

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（用戶可根據自身寵物情況錄制音頻信息并進行自定義，然后經客戶端發送至AVR單片機內，以擴展音頻識別芯片對寵物狗聲音識別的類型），接著開始接收各項傳感器的數據，并經初步處理后，以一定的速率和頻率（以兼顧實時反映寵物狀態和盡可能減少系統功耗為前提）發送至本地電腦客戶端，以便進一步的分析和處理。

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（本計劃書中本地均指寵物狗所在地）或遠程登錄使用客戶端。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）。

（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。客戶端通過將由AVR芯片發來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，部分行為狀態會以動畫（用戶可自行制作和添加）的形式于操作界面顯示給用戶，并表明寵物當前的心理狀態。

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

3.4 系統預計實現結果

1. 處于實驗階段的實物樣品。

2. 適用于Windows系統計算機的客戶端軟件。

3. 兩種或以上不同品種寵物狗的相關動畫。

4. 用戶可通過手機對客戶端進行部分操作。

5. 寵物狗試用該系統的效果視頻。

6. 利用無線感知技術探測犬類行為學特征的研究報告。