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作者:吳冠緯、李哲熙(2004-10-27);推薦:徐業良(2004-10-28)
附註:本文為九十三學年度元智大學機械系學士論文

e-Feeder–網際網路遠端寵物餵食系統之開發

Development of e-Feeder – an Internet accessible pet feeding system

1. 設計計畫背景與目的

近幾年來飼養寵物的風氣己蔚為風潮,大部人也把寵物當成家庭中的成員般百般呵護。根據行政院農業委員會九十年度各縣市家狗統計數目,平均每戶人家飼養1.49條狗。消基會指出,每位飼主一年花在狗的飼養上平均約為23,000~35,000元。然而現今繁忙社會以小家庭為主軸,家中經常是沒人的狀態,寵物餵食即成為很大的問題,因此如何在家中無人狀態時亦能遠端餵食,即為我們設計的主要目的。

日本AOS technologies公司和NTT-ME2002114發表了寵物自動飼料餵食機“iSeePet”(如圖1),可利用該自動餵食機可以在出差地透過網路一邊查看寵物實況一邊餵食。該餵食機附帶攝影機,可透過個人電腦或手機進行操作,使用起來更加便利,但相對而言成本也較高,售價在62,790日圓。

1. 寵物自動飼料餵食機”iSeePet”

在現今大家對於家中寵物的重視與呵護,與寵物有關的花費上也漸漸增高之消費市場環境下,我們希望能設計出一套網際網路遠端寵物餵食系統“e-Feeder”,能夠藉由遠端的網際網路連線,連結到寵物餵食機中的單晶片伺服器,進而從遠端控制餵食機中的飼料能夠滑落至餵食器皿中,可預錄主人聲音呼喚寵物,並透過感測器監測寵物是否前來,以及餵食器皿及飼料桶中之飼料存量等,使飼主能在沒有時間與空間的限制下,方便地餵食家中寵物。

2. 整體設計概念

本研究開發之網際網路遠端寵物餵食系統“e-Feeder”整體設計概念描述如下:

「飼主在遠端可從“遠端監控電腦”透過網際網路登入至e-Feeder上之“單晶片網路伺服器(PIC Server)”,啟動寵物餵食機上的“飼主錄放音模組”,發出主人的聲音來吸引寵物前往餵食機,同時控制餵食機之“餵食機構”掉落飼料餵食寵物。透過單晶片伺服器和網際網路,餵食機上之“飼料食量剩餘模組”可傳回寵物是否已吃完食盤內飼料之訊號;“寵物監測模組”可傳回感測寵物是否有來到餵食機前之訊號;“飼料存量模組”可傳回飼料存量是否還充足之訊號;“光照度感測模組”則在感測到家中照度過低時啟動“LED燈”來帶給寵物溫暖的燈光。」

由以上敘述可知,e-Feeder網際網路遠端寵物餵食系統包含“遠端監控電腦”、“單晶片網路伺服器”、“飼主錄放音模組”、“餵食機構”、“飼料食量剩餘模組”、“寵物監測模組”、“飼料存量模組”、“光照度感測模組”、和“LED燈”等9項元件,除“遠端監控電腦”外,其他近端所有元件都以模組化方式外掛在一台市售寵物餵食機上。其他參與互動對象還包括飼主、寵物、和飼料。圖2e-Feeder之產品概要圖(schematic),顯示各元件之間交互作用的關係。

2. e-Feeder之產品概要圖

3. 各項元件細部設計

e-Feeder主體是利用市售餵食機進行改造,系統核心是一片單晶片網路伺服器,其他外掛模組均以一感測器感測外界狀況,並透過單晶片網路伺服器將訊號傳還遠端使用者。本節分別描述各項元件細部設計。

(1)單晶片網路伺服器

e-Feeder系統核心是一片單晶片網路伺服器,以吳昌暉教授開發之韌體程式,PIC18F系列中40腳以上的單晶片就可以驅動乙太網路控制晶片RTL8019,進而與乙太網路(Ethernet)或網際網路(Internet)上遠距的電腦通訊。

(2)餵食機構

e-Feeder利用市售產品Autopetfeeder(如圖3)做為餵食機構主體進行改造。將飼料倒至錐形漏斗中,飼料因重力而掉至下方,下方有橫擺螺芽,當餵食機接上家用電源時,扭力馬達因單晶片網路伺服器下達餵食指令而使螺芽旋轉並帶動飼料向前,在餵食機前方有固定孔洞使飼料能順利滑落。當受到遠端下達餵食指令時,驅動單晶片網路伺服器的PIN_A1腳位供予5V電壓驅動繼電器成通路帶動馬達旋轉,並利用程式上的撰寫控制飼料倒出的時間,使飼料能在任何時間定量的倒出。

3. 寵物自動餵食機Autopetfeeder

(3)自動照明系統

自動照明系統包括“光照度感測模組”和“LED燈”兩項元件,主要目的在當光度過低時自動開啟LED燈。自動照明系統中單晶片網路伺服器供予光敏電阻5V電壓並串聯上一個4.7k的電阻,利用程式撰寫使單晶片網路伺服器的PIN_A0做為接收ANALOG的感測腳位,藉由光敏電阻所接受到照度大小的不同而得到不同的電壓值,透過單晶片網路伺服器轉換成0~1023的數值,再利用程式上判斷目前照度是否過低。當照度過低時啟動PIN_C0的腳位提供5V電壓使LED燈發亮,反之關閉PIN_C0腳位使LED燈關閉。

(4)寵物監測模組

寵物監測模組使用紅外線感測器,量測距離約為7~8m,視角上下左右約為30度。將紅外線感測器接至單晶片網路伺服器的PIN_B2腳位並寫入程式做為接收訊號的感測腳位,使單晶片網路伺服器能讀取紅外線感測器的數位訊號,傳達寵物是否有來至餵食機前的訊息。當家中寵物靠近時,遠端監控介面的顯示會從1轉變成0,使我們得知寵物已來至餵食機器前;當寵物離開時,監控介面又會從0變回1,使我們得知寵物已離開。

(5)飼料食量剩餘模組

飼料食量剩餘模組的設計是使用紅外線收發感測器,將紅外線收發感測器的接收端,接至單晶片網路伺服器的PIN_A3腳位並寫入程式做為接收訊號的感測腳位,使單晶片網路伺服器能讀取感測器接收端的數位訊號,傳達食盤中寵物飼料是否被吃完的訊息。當飼料蓋住紅外線收發感測器的接收端或發射端使之成斷路而在遠端監控的介面下會呈現1,此情況表示飼料尚未被吃完;反之當飼料被寵物吃完此時即成為通路而在遠端監控介面下就會呈現0,表示寵物已吃完飼料。

(6)飼料存量監測模組

飼料存量監測模組利用極限開關裝置在飼料桶內作為感測裝置,將極限開關接至單晶片網路伺服器的PIN_B0腳位做為接收訊號的感測腳位,使單晶片網路伺服器能讀取極限開關的訊號,傳達飼料桶內寵物飼料存量是否還充足。當飼料壓住極限開關此時電路成為斷路而在遠端監控介面下呈現1;當飼料不足時電路即成為通路而在遠端監控介面下呈現0

(7)飼主錄放音模組

飼主錄放音模組採用市售元件「努力中20秒」(如圖4),單晶片網路伺服器供給錄放音模組5V的電壓,在錄放音模組的E_PLAY鍵一端接至單晶片網路伺服器的PIN_A2,另一端接地。當遠端下達放音指令時,單晶片網路伺服器能控制PIN_A2其通路或斷路的暫態反應使其能發出所錄聲音。當主人想要重新錄製聲音時,先按ERASER鍵清除先前錄製的聲音後再按RESET重置鍵,最後按住RECORD鍵即可對著麥克風錄製飼主的聲音。

4. 市售錄放音模組元件「努力中20秒」

4. 系統整合與測試

5為本計畫開發之餵食機外掛模組外觀圖,內部配置如圖6所示共分三層,利用銅柱將此三層做區隔。單晶片網路伺服器置於底層,並將紅外線、光明電阻、極限開關與紅外線收發感測器等感測腳位拉至外掛模組外。從單晶片網路伺服器的5V腳位上拉至中間層,讓光敏電阻及錄放音模組使用單晶片網路伺服器所提供的5V電壓,因此就不需再外加電源。再從單晶片網路伺服器的地線腳位拉接地線(GND)置於中間層,使所有感測元件都能一併使用。上層放置錄放音模組並將其操作鍵、麥克風、喇叭拉線至外掛模組的壓克力上層方便操作使用。拉延長線至外掛模組盒內,使紅外線感測器、寵物餵食機等機構能同時使用延長線所提供的110V電壓而單晶片網路伺服器則是透過變壓器將110V轉換成9V的電壓供給單晶片網路伺服器使用,所有的拉線在經過規劃整理後就能在外掛模組的盒內完成而僅剩下外接的感測元件,因此就能使得使用者在做系統連接時更為方便且簡易。

5. 餵食機外掛模組外觀

6. 餵食機外掛模組內部配置

飼料剩餘量的紅外線收發感測器則裝於餵食器皿的下方,所以當飼料滑落時就會遮斷收發端的通路使電路形成斷路。飼料存量的極限開關則是裝在餵食機內,並貼附在飼料筒的表面並且在極限開關上加一鋁片增加其受力面積,所以僅需極小的力即可將極限開關壓下形成斷路。剩餘量是由下方拉線至感測模組;飼料存量則直接拉線至感測模組上。紅外線感測器位於餵食機上方,故僅能沿著餵食機拉線至下方的感測模組。自動照明系統則是將高亮度LED貼附於飼料桶外側的表面並放在紅外線感測器的下方而光敏電阻則是貼附在飼料筒右側的表面且方向朝上,用來接收外界環境的照度由於眾多的感測元件在這一系列的整體規劃後,不僅美化其外觀,且能使餵食機與感測模組合為一體。

最後再利用電源網路,將網路插座端接予電源網路頭,而在想擺放位置處插上電源網路即可,使餵食機的擺放位置不受固定式網路插座而有所受限,並且能夠隨心所欲的放置在你想使用的地點。圖7為整體組裝完成圖。

7. 組裝完成圖

軟體程式撰寫上,首先將程式寫至單晶片網路伺服器後接上RS232傳輸線,使之連接至終端機上,設定好使用連線及每秒傳輸位元組設為115200後開啟終端機後進行測試。當寵物靠近時使1變為0、食物不足時會從1變為0、飼料被吃完時會從1變為0;另一方面,以一開關器作為遠端訊號,常開關開啟時,觸發錄放音模組發出聲音呼叫寵物且倒出飼料,以上兩點測試即可得知程式撰寫上是否有誤。接著將網頁程式寫至單晶片網路伺服器後,在網頁上測試是否運作正常。起始狀態為*0*0*0*0*0*0*0,測試感測器是否會變化,且當在網頁上下達指令時,看是否能發出主人聲音並且餵食飼料,即可得知網頁程式是否正確。

因單晶片網路伺服器記憶容量的限制,目前僅能撰寫簡單介面如圖8,使用者在遠端電腦上於瀏覽器網址一欄鍵入IP位址,即能透過網際網路控制餵食機「開始餵食」、「發主人聲音」,並得知「狗來」、「食物充足」、「食物吃完」等三項資訊。

8. 瀏覽器使用者介面

5. 結論與討論

透過網路控制及感知訊息的「資訊家電」,是家電市場的未來趨勢。本計畫將感測器及單晶片網路伺服器與餵食機主體結合,使餵食機附加多樣的功能(如:發出主人的聲音、感測寵物是否有來餵食機前、寵物是否有將食物吃完、食物剩餘量是否還充足、以及自動照明系統等功能),使其附加價值大大提升,增加市場競爭力。