Универсальная система кормления животных с мониторингом состояний

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

им. А.Н. ТИХОНОВА

Москва, 2020

«Информатика и вычислительная техника»

Выпускная квалификационная работа

Универсальная система кормления животных с мониторингом состояний

Студенты:

А.А. Петрушевский, Д.Д. Таран



Аннотация

В представленной выпускной квалификационной работе осуществляется процесс разработки устройства автоматической подачи корма домашнему животному и способов управления данным устройством. Основной целью проведенного исследования является создание универсальной системы кормления. В результате проделанной работы были получены: проект разрабатываемой системы питания, схема взаимодействия ее основных структурных частей, чертеж корпуса автоматического устройства подачи корма, обоснованный выбор элементной базы, расчеты электрических схем и веб-приложение для настройки режима кормления и мониторинга процесса работы системы. Данные результаты могут быть использованы в ходе дальнейшего исследования и развития индустрии бытовой техники и области ухода за домашними животными. Объем данного исследования составляет 62 страницы и включает в себя 13 рисунков, 2 таблицы и 8 ссылок. В структуру документа входят введение, 8 глав и заключение. Список литературы содержит 22 использованных источника.

The presented final qualification paper describes the process of developing an automatic feed device for a pet and methods for controlling this device. The main goal of the study is to create a universal feeding system. As a result of the work, the following were obtained: a draft of the developed feed system, a diagram of the interaction of its main structural elements, a drawing of the automatic feed device, a reasonable choice of the element base, calculation of electrical circuits and a web application to configure the feed mode and control the system. These results can be used in further research and development in the field of household appliances and the pet care industry. The volume of this study is 62 pages and includes 13 figures, 2 tables and 8 links. The document consists of introduction, eight chapters and conclusion. The list of references contains 22 sources used.



Оглавление

Введение

1. Актуальность

2. Анализ существующих технических решений

2.1 Отличия будущего проекта от уже созданных

3. Обоснование структурных решений

3.1 Особенности реализации автоматического устройства кормления

3.2 Пути и преимущества оптимизации процесса кормления

3.3 Наиболее важные зоны контроля автоматического процесса кормления

3.4 Варианты реализации системы

3.5 Влияние используемых технологий на здоровье животных

4. Обоснование методов решения поставленных задач

4.1 Проектирование системы, описание структурных частей и их взаимосвязи

5. Обоснование выбора элементной базы, языков программирования

6. Изучение и выбор способов передачи данных между структурными частями системы

6.1 Передача данных между основным устройством и микрокомпьютером

6.2 Передача данных между микрокомпьютером, сервером и веб-приложением

7. Создание макета устройства

8. Создание веб-приложения

8.1 Frontend веб-приложения

8.2 Backend веб-приложения

Заключение

Список используемых источников

Приложение



Введение

Процесс автоматизации постепенно внедряется в различные сферы человеческой деятельности. Когда персональные потребности удовлетворены и заботы о собственном благополучии отходят на второй план, появляется необходимость позаботиться и о своих братьях меньших. В настоящее время домашние животные присутствуют во многих семьях, но не все владельцы могут предоставить своему питомцу регулярный режим кормления. Автоматические кормушки способны устранить эту проблему. Однако, существующие на рынке технические решения в разной степени не могут удовлетворить все необходимые требования. Некоторые автоматические кормушки наносят непоправимый вред здоровью питомцев, ввиду того, что допускают беспрерывный доступ животного к корму. Иные аналоги исключают простоту и удобство пользования. Некоторые достаточно хорошие образцы, обладающие требуемыми характеристиками, к сожалению, стоят слишком много, для того чтобы средний класс позволил себе их приобретение. В связи с чем, большинству владельцев домашних животных приходится иметь дело с дешевыми малофункциональными и низкокачественными образцами. В данной работе реализована идея создания недорогой универсальной, обладающей всем необходимым для здоровья питомца и спокойствия хозяина, функционалом системы питания.

Цель исследования - спроектировать и разработать задуманную автоматическую кормушку и создать наиболее удобный инструмент управления для данного устройства. Первостепенной задачей является выбор элементной базы и проектирование корпуса основного устройства. В связи с чем были подобраны наиболее распространенные и качественные компоненты, отвечающие необходимым характеристикам. Рабочее устройство должно быть безопасным и надежным, что и было отражено в его конструкции.

Однако, основной задачей является сделать устройство не только полезным, но и удобным. Достаточно большое внимание было уделено не только функциональности системы питания, но и простоте ее использования. Для владельца домашнего животного важно быть уверенным, что система корректно работает в его отсутствие, но не менее важно и иметь возможность настраивать систему удаленно. В связи с чем, было принято решение о создании веб-приложения для настройки и мониторинга системы питания.

В общей сложности система использует минимально необходимый набор компонентов. Сервопривод отвечает за регулярную подачу корма и предотвращение беспрепятственного доступа животного к пище. Датчик тяжести проверяет наличие корма в миске. Камера обеспечивает видеонаблюдение за процессом питания. Микроконтроллер способствует обработке данных и коммуникации всех перечисленных компонентов с удаленным сервером. А веб-приложение предоставляет пользователю удаленный доступ к управлению режимом питания и проверке работоспособности системы.

Создание универсальной системы кормления будет полезно для большинства владельцев домашних животных. Разработанная система позволит пользователю на любом расстоянии от дома не беспокоиться о питании своего питомца и сэкономить время на другие полезные дела. В свою очередь, домашние животные будут питаться регулярно, но строго по расписанию, что способствует сохранению их здоровья и хорошего настроения. Главной особенностью разрабатываемого продукта является то, что владелец будет иметь доступ к удаленному мониторингу производительности системы. Данная система кормления может стать популярным продуктом на рынке бытовой техники.



1. Актуальность

В совокупности в Москве и Петербурге, согласно последним доступным данным исследования компании Mars Petcare и «Яндекс.Маркета», которые поступили в РБК, проживают 2,953 млн домашних кошек и 1,269 млн собак [1]. Согласно опросу, в каждой второй семье есть питомец. Это подтверждает то, что домашние животные в настоящее время присутствуют во многих домах. К сожалению, не все владельцы могут предоставить своему питомцу регулярный режим кормления. Множество хозяев проводят большую часть суток вне дома, оставляя животных одних. В таких условиях питомцы подвержены различным проблемам со здоровьем. Некоторые животные могут быть вынуждены голодать, в то время как другие могут переедать из-за неограниченного доступа к корму, что подробно описано в статье “Животные модели компульсивного пищевого поведения” [2].

Однако, современные технологии способны автоматизировать этот процесс. Уже сейчас подобные идеи пользуются большим спросом в различных сферах нашей жизни, автоматизированные системы актуальны не только на заводах, но и в быту. Современные технологии предоставляют богатые возможности: многочисленные языки программирования, библиотеки, огромные репозитории открытого кода, наконец, относительно доступное оборудование, необходимое для разработки и тестирования. В реализации данного проекта мы имеем достаточно богатый выбор элементной базы и можем использовать любой удобный нам язык программирования. Все выбранные и используемые нами ресурсы должны подчиняться одному простому правилу: приближать нас к реализации цели нашего проекта и отвечать требуемой функциональности.

Система кормления, прежде всего, должна обеспечивать животное кормом, и, помимо этого, предоставлять пользователю системы возможность мониторинга и настройки устройства подачи корма. Однако проектируемая автоматизированная система, как было заявлено изначально, должна быть еще и универсальной, поскольку процесс питания отличается не только для разных пород, но и для разных видов животных. Проблема заключается в том, что дизайн автоматизированной системы кормления должен быть масштабируемым и настраиваемым. Кроме того, пользователь должен иметь постоянный доступ к удаленному мониторингу и настройке системы. Предполагается, что камеры видеонаблюдения помогут осуществлять достаточно полный визуальный мониторинг производительности системы. Тем не менее, помимо камер, система включает в себя множество элементов. К примеру, датчик тяжести в нише миски с кормом, сервопривод в основном подающем корм устройстве и т. д. Их комбинация очень сложна для понимания пользователем, и еще сложнее хозяину питомца управлять этой системой. Автоматизированная система рассчитана на то, чтоб упростить жизнь пользователю, а не усложнить ее. В такой ситуации стоит предоставить пользователю как можно меньше сложной и ненужной информации. Следовательно, готовое устройство должно иметь внешний интерфейс для взаимодействия с пользователем, например, веб-приложение.



2. Анализ существующих технических решений

В настоящее время автоматические кормушки являются достаточно распространенной среди населения бытовой техникой, тем не менее, их конструкции и конфигурации до сих пор не доведены до совершенства. Существующие механизмы подачи корма имеют различные как преимущества, так и недостатки.

Рассмотрим самый дешевый аналог автоматической системы кормления модели подобные Triol SH3926 (рис. 1).

Рис. 1. Модель Triol SH3926.

Они интересны своей универсальностью, в том смысле, что могут обеспечивать животное либо кормом, либо водой (но не кормом и водой одновременно). Сухой корм порционно попадает из ёмкости в миску под действием собственного веса по мере того, как питомец съедает уже находящуюся там еду. Под действием атмосферного давления вода удерживается в вертикальном сосуде, который прикреплен к миске. Благодаря такому строению автопоилки, вода в миску поступает по мере того, как она выпивается питомцем. Однако, на стоимости и универсальности преимущества таких моделей заканчиваются. Устройство дозирует порцию согласно своим размерам, а не учитывает размеры животного. Автокормушка работает без таймера, тем самым обеспечивая питомцу бесперебойный доступ к питанию, а это может пагубно сказаться на здоровье животного. Про функцию мониторинга состояния кормушки и вовсе говорить нечего, данная опция отсутствует в устройстве вовсе.

Существуют и более удачные экземпляры автокормушек, к примеру, секционные автокормушки. Наглядным примером подобных устройств может являться модель Feed-Ex PF2 Pink (рис. 2).

Рис. 2. Модель Feed-Ex PF2 Pink.

В данном устройстве разработан механизм выдачи корма разными порциями и с использованием таймера. В зависимости от запрограммированного времени миска вращается, лотки поочередно открываются, и еда становится доступной. Помимо этого, открытие лотка сопровождается голосовым сообщением, которое можно записать самостоятельно. Но и тут очевидны некоторые недостатки. Автокормушка не имеет опцию удаленного мониторинга работоспособности устройства. Удаленная настройка режима питания также отсутствует.

Существуют и более многофункциональные экземпляры автоматических кормушек. Некоторые из них обладают приложением для управления кормушкой, другие камерой для наблюдения, у каких-то моделей поддерживается автономный режим работы. Одним из подобных примеров может являться кормушка фирмы Petwant (рис. 3).



Рис. 3. Автоматическая кормушка Petwant.

Данное устройство обладает возможностью подключения к wi-fi, оснащено камерой, поддерживает настройку режима питания. Но стоимость данной автоматической кормушки невероятно завышена, очевидно, что люди со средним уровнем дохода не смогут позволить себе данное устройство. При этом устройство не оснащено датчиком тяжести, опции мониторинга состояния кормушки остаются под вопросом, потому что про это производитель не упомянул в описании.

Описанные выше аналоги проектируемой системы кормления можно объединить для сравнения основных характеристик в таблицу (табл. 1):

Таблица 1 Сравнительные характеристики существующих аналогов

Наименование	Наличие таймера	Различный вес порций	Наличие приложения	Видеонаблюдение	Доступная стоимость
Triol SH3926	-	-	-	-	+
Feed-Ex PF2	+	+	-	-	+
Petwant	+	-	+	+	-

Подводя итоги, стоит отметить, что покупка дешевых кормушек не решает полностью вопрос со здоровым питанием питомцев и не обеспечивает пользователя мониторингом системы. Экземпляры средней ценовой категории предотвращают проблемы со здоровьем животных, но не обеспечивают надежность и не поддерживают удаленную настройку системы. Самые оснащенные устройства данной специализации могут обеспечить надежную и удобную эксплуатацию, но стоимость таких устройств зачастую исключает их массовое распространение и повсеместное использование.

Идея нашего проекта заключается в том, чтобы проверить и доказать, что создание надежного, безопасного и удобного устройства может сопровождаться доступной большинству слоев населения стоимостью. Помимо этого, мы намерены устранить недостатки, выявленные в ходе сравнительного анализа существующих аналогов.

2.1 Отличия будущего проекта от уже созданных

Будущая система кормления должна сочетать в себе все лучшие технические решения, придуманные на настоящий момент, и при этом исключать очевидные недостатки аналогичных устройств, обеспечивающих домашних животных кормом. В настоящее время возможности ресурсов позволяют создать не просто автокормушку, а целую систему кормления, с различными датчиками, камерами, и удобной пользователю возможностью удаленно настраивать и проверять работу системы. Структура новой системы кормления должна не допустить неограниченного доступа к пище, обеспечить надежность устройства и дистанционное управление основными системными функциями. Главная особенность разрабатываемого продукта заключается в том, что владелец будет иметь доступ к удаленному мониторингу производительности устройства и видеопотоку с камеры. А также, казалось бы, очевидным, но, на удивление не реализованным ранее вариантом, станет веб-приложение для пользователя. Данное решение упростит задачу удаленной настройки и мониторинга системы кормления. Приступив к анализу имеющихся аппаратных решений в сфере кормления сухопутных домашних животных, было выяснено, что отсутствуют системы, способные к адаптации количества выдаваемого корма. Однако, такие системы применяются для кормления аквариумных рыб, что позволило не создавать радикально новую схему, а преобразовать уже имеющееся решение. В основе такой системы лежит шнеко-роторный механизм, позволяющий подать необходимое количество корма, измеренное с помощью тензометра, установленного под зоной кормления, с высокой точностью.



3. Обоснование структурных решений

Исследования в области автоматизированных систем кормления не часто описываются в научной литературе, к тому же найденные исследования в большинстве применимы к крупным хозяйствам или конкретным видам. Почти невозможно найти хорошую научную основу для индивидуального кормления домашних животных, поскольку это очень специфичная проблема для отдельного животного. Кроме того, трудно универсализировать эту информацию для нескольких видов животных, обитающих в доме.

Данный обзор литературы охватывает статьи по таким темам, как количество и качество пищи, потребляемой грызунами, домашними питомцами, а также крупными и мелкими сельскохозяйственными животными, воздействие режима питания и диеты на основные жизненно важные показатели животных и их здоровье, влияние материала и качества изготовления кормушки, преимущества использования видеотехнологий для замены человеческого труда в автоматизированных системах мониторинга животных.

3.1 Особенности реализации автоматического устройства кормления

Прежде всего, мы должны обратить внимание на исследование Мохамеда Али (2018) из Национального института диабета и болезней органов пищеварения и почек (Бетесда, США), который подготовил обзор преимуществ и недостатков четырех наиболее распространенных методов для количественной оценки потребления пищи [3]. Среди рассмотренных методов - ручное взвешивание, автоматическое, дозирование гранул для взвешивания и видеонаблюдение (рис. 4).



Рис. 4. Методы для количественной оценки потребления пищи.

Достаточно полная информация была получена из сравнительного анализа в этой статье. Метод ручного взвешивания, очевидно, является лидером с точки зрения простоты внедрения и стоимости, но он не является достаточно точным методом. В автоматическом методе взвешивания используются гравитационные датчики для более точного взвешивания корма, но иногда это может привести к ошибкам из-за различных факторов, например, если животное оказывает давление на кормушку своим собственным весом. Вариант с дозатором гранул очень специфичен и слишком сложен в реализации, поэтому он подходит исключительно для содержания лабораторных животных. Видеонаблюдение позволяет отслеживать частоту приема пищи, но не предоставляет информацию о фактическом количестве пищи. Исследование также подробно описывает технические сравнительные характеристики каждого метода. К сожалению, в этой статье не рассматривается возможность объединения методов. Автор не обратил внимание на сочетание этих технологий, которые могли бы обеспечить наилучшую производительность системы.

Ниже приведено общее описание четырех основных методов количественного определения поведения при кормлении, их точности, источников ошибок и совместимости домашней клетки (табл. 2).



Таблица 2 Общее описание четырех основных методов

	Точность во времени	Калорийность	Аккуратность	Источники ошибок	Совместимость типов клеток
Ручное взвешивание	Ежедневно	Да	100 мг	Разлив, экскременты животных и моча	Совместимость с домашней клеткой
Автоматич. система взвешивания	? секунды	Да	1 мг	Дрейф тензодатчика, разлив	Требуется специальная клетка
Дозаторы гранул	? секунды	Да	20 - 300 мг	Накопление крошек, заклинивание дозатора	Совместимость с домашней клеткой
Запись видео	? миллисек.	Нет	Нет количественного определения пищи	Поведенческая неправильная классификация, нет меры фактического потребления	Требуется специализированная клетка

Кроме того, Виктория А. Акоста-Родригес в своей статье «Мыши с ограничением калорий независимо устанавливают лимит времени приема пищи, определяемый автоматической системой кормления» подробно описывает влияние диеты и качества корма на здоровье животных [4]. В эксперименте, представленном в статье, было изучено влияние условий освещения и потребления калорий на активность испытуемых. Результаты были удивительными, потому что низкокалорийное содержание потребляемой пищи, даже при круглосуточном доступе к пище, мотивирует животное активно двигаться и самостоятельно регулировать рацион. При равных условиях и нормальном содержании калорий это может привести к ожирению животного. В случае искусственной регуляции диеты с перерывом в 12 часов (день / ночь) это может быть результатом десинхронизации и хронического недосыпания животного. Исследование предоставляет исчерпывающий объем данных в виде рисунков, статистики, графиков и диаграмм. Эти данные служат основой для выбора рациона и, следовательно, частоты кормления животного.

Другим важным аспектом, на который следует обратить внимание, является материал изготовления корпуса устройства подачи корма. Основываясь на результатах Джеймса Толера (2008), можно с уверенностью сказать, что кормушки для животных могут быть изготовлены не только из многоразовых дезинфицированных материалов, таких как стекло и нержавеющая сталь, но и из пластика, при условии, что исключена опасность жевания этого материала [5]. Пища не меняет своих химических характеристик, и животные не замечают разницы. Стоит уточнить, что ученые использовали щиты из нержавеющей стали в качестве защиты от жевания пластика. В ходе исследования по большей части были проверены конкретные экспериментальные установки, но информация о материалах может быть использована в дальнейших разработках.

Не менее важное исследование под названием “Автоматический видеоанализ активности свиней на уровне загона сильно коррелирует с наблюдениями человека за поведенческими действиями” (2013) содержит экспериментальные доказательства превосходства видеонаблюдения над человеческим трудом [6]. В ходе экспериментов активность животных была обнаружена с использованием двух типов анализа: человеческого и искусственного интеллекта. Согласно результатам, очевидное преимущество видеонаблюдения было доказано. Но у этого метода были некоторые недостатки. В дополнение к элементарному движению существ камера не отличала периоды сна от кормления, потому что животное было неподвижно. Интеллектуальный анализ группы реагировал на общую активность группы, игнорируя пассивных индивидов на фоне гиперактивности других. Мнение автора, который считает это недостатком искусственного интеллекта, ошибочно. Концепция недостаточной подготовки искусственного интеллекта более применима в этом случае, но эта проблема разрешима. Другими словами, проблема в этом случае не в методе, а в его реализации.



3.2 Пути и преимущества оптимизации процесса кормления

Если обратиться к теме данной работы с точки зрения оптимизации кормления путем механизации и автоматизации процесса, то стоит обратить внимание на соседние отрасли животноводства, а точнее - промышленного скотоводства и искусственного разведения морских организмов. Первые успешные попытки возложить часть механической работы по кормлению рогатого скота состоялись около 50 лет назад, с каждым последующим годом инновационность систем росла, и уже в 1990-х годах на агрокультурных предприятиях были установлены комплексы, которые позволяли проводить все необходимые операции по кормлению и уходу за животными практически без участия человека. Одним из таких примеров может послужить ферма по выращиванию морского леща. Как указано в статье [7], молодые особи вида Sparus Aurata имеют особо высокую метаболическую потребность в приемах пищи. Данная особенность логистически трудно достижима при использовании ручного труда, поскольку условия содержания и расписание кормления должны выдерживаться с высокой точностью. Проблему данного рода позволит решить автоматизация выдачи пищевого планктона, настройка которой может быть произведена посредством выбора режима выдачи - в ручном режиме, либо с помощью заранее заданных параметров, таких как количество выданного корма и периодичность выдачи. С помощью данной системы удалось снизить трудоемкость процесса на 35%, при этом достигнув почти вдвое большей продуктивности за счет более оптимального использования питательного материала. Таким образом, данный пример доказывает, что автоматические системы позволяют не только упростить работу с механическими процессами, но и повысить производительность оных без дополнительных трудозатрат.

Говоря о производительности, показатели производства можно повысить также за счет улучшения не количества, а качества продукта, как это описано в следующих источниках [8] и [9]. В этих примерах автоматизированные системы кормления соединены с массивами датчиков и контрольных устройств для отслеживания жизненно важных изменений в выращенных организмах. Такое отслеживание позволяет ученым корректировать питание в соответствии с полученными данными и улучшать статистику жизнедеятельности отдельных животных. Это отличная идея и ее воплощение, но она не будет применима для нашего проекта из-за дополнительного оборудования и, следовательно, повышения цены на конечный продукт, который ориентирован на людей, которые не воспринимают своих питомцев как объект научного исследования.

3.3 Наиболее важные зоны контроля автоматического процесса кормления

Следующая пара статей ([10], [11]) напрямую связана с тем, что мы хотим создать и реализовать в нашем проекте. Эти исследования касаются связи между ограниченным по времени (или ограниченным по калориям) кормлением и общим состоянием здоровья домашних животных грызунов. Во-первых, давайте поговорим о тайм-менеджменте блюд и о пользе от него. Широко известно, что мыши являются одними из самых близких к людям животных с точки зрения генетики, у нас примерно 97% общих генов. Именно поэтому большинство исследований, направленных на изучение генетики и связанных с ней проблем, проводятся на мышах в качестве субъектов. До недавнего времени существовала теория об ожирении, которое вызвано избыточным количеством определенного белка в организме. Но есть еще один способ (кроме генетических манипуляций), чтобы избежать ожирения, как показано в источнике [10], и он доступен с помощью автоматической системы кормления с контролем времени, которая настроена в соответствии с циркадным ритмом необходимого организма. Это исследование показывает возможное практическое применение для нашего проекта, который может быть масштабирован для любого домашнего животного, от маленьких грызунов до больших собак.

Вторая статья [11] учитывает «автоматизированную систему кормления» и рассказывает информацию, которая полезна не только ученым, но и владельцам грызунов. В серии экспериментов было доказано, что мыши могут самостоятельно отказаться от потребления пищи и увеличить физическую активность в часы отдыха сразу после того, как подвергаются ограничительной калорийной терапии. Говорят, что эти изменения в поведении мышей положительно влияют на продолжительность жизни и качество здоровья, поэтому мы можем использовать эти данные для выработки рекомендаций или даже предоставления готового режима кормления для конкретного животного, который можно было бы загрузить в базу данных для последующего использования. Таким образом, вышеупомянутые статьи привносят много новой информации в научные области производительности и здоровья, но ни одна из них не делает чего-то действительно революционного в плане автоматизации процесса кормления.

3.4 Варианты реализации системы

С точки зрения автоматизации кормления домашних животных в настоящее время существуют не только готовые решения, но и, более того, запатентованные технологии. Одним из таких примеров служит патент, описанный в источнике [12]. Рассмотрим его внимательнее. Если быть более точными, то данный патент описывает не одно, а целую группу изобретений, относящихся к кормушкам для животных. Технология кормления состоит в том, что закрытая кормовая емкость размещается в системе для подачи пищи животным. Затем кормовая емкость открывается с помощью подъема или захвата элемента для удерживания, содержащего кончик, пленку или крышку, после чего корм подается животному. По окончании кормления кормовая емкость закрывается аналогичным способом. Подводя итог, данная система состоит из открывающего и закрывающего механизмов и транспортера для перемещения кормовой емкости к секции кормления, благодаря чему устраняется неприятный запах и исключается проникновение в использованный контейнер насекомых и вредителей.

Аналогичный патент описан в источнике [13], но от предыдущего экземпляра он отличается тем, что больше направлен на удовлетворение потребностей именно домашних животных. Однако, оба патента потеряли свою актуальность в свете современных технологий. В погоне за первоначальной целью: накормить животное, ни один из патентов не побеспокоился об удобстве пользования устройством. Именно этот недостаток будет необходимо устранить в ходе реализации нового продукта. Одним из возможных вариантов устранения данного недостатка может являться способ описанный в статье “Роботизированное оборудование для откорма свиней с возможностью дистанционного контроля и управления с использованием глобальной сети Интернет” [14]. К сожалению, даже данная готовая технология требует модернизации для применения в нашем проекте, так как специфика и реализация кормления рассчитаны не на домашних питомцев, а на сельскохозяйственных животных.

3.5 Влияние используемых технологий на здоровье животных

При всей сложности и многогранности используемых технологий, не стоит забывать о наиболее важном показателе, а именно, здоровье животного. Только ради здоровья и счастья наших питомцев и были начаты данные исследования. На этот случай стоит обратиться за помощью к исследованиям, проведенных компетентными биологами и зоологами.

В частности, Ермаков А.М в своей работе “Функциональное состояние сердечно-сосудистой системы у щенков 1,5 месяцев с различным типом кормления” [15] говорит о том, что несбалансированное кормление, особенно в период интенсивного роста щенков и их адаптации к внешним воздействиям, может оказывать негативное влияние на организм, а именно на производительные показатели сердечно-сосудистой системы. Аналогичные результаты были получены Некрасовой О.С., что подробно зафиксировано в статье “ Влияние системы кормления собак на рост и развитие щенков пастушьих пород” [16]. автоматический микрокомпьютер сервер приложение

На фермах ситуация со здоровьем и кормлением животных обстоит примерно таким же образом. Но, помимо этого, стоит отметить, что на кормление приходится 40 - 50 % затрат практически любого сельскохозяйственного предприятия [17]. Поэтому оптимизация управления кормлением является выгодным вложением средств, существенно повышающей конкурентоспособность любого вида продукции, как на отечественном, так и на зарубежных рынках, улучшающим интеграцию животных в стаде, репродукцию и здоровье стада, минимизирующим столкновения между животными в стаде за доступ к корму, снижающим потери кормов. Основной ценностью работы стала концепция того, что оптимизация кормления происходит за счет составления рациона и раздачи корма в автоматическом режиме, анализа подаваемого корма в режиме реального времени и автоматического пересмотра рациона по ходу раздачи.



4. Обоснование методов решения поставленных задач

Исходя из сделанных выводов об актуальности создания системы кормления домашних животных, обеспечивающей удаленный доступ к мониторингу и настройке основного устройства системы, поставлена следующая цель работы.

Основной целью данной работы является создание универсальной системы кормления, а именно устройства автоматической подачи и веб-приложения для настройки и мониторинга системы.

Содействуя реализации поставленной цели разработки системы кормления для домашних животных были поставлены следующие задачи:

проектирование структуры системы кормления;

выбор элементной базы;

подбор камеры видеонаблюдения;

создание 3D-модели подающего корм устройства;

печать 3D-модели на 3D-принтере;

программирование микроконтроллера;

сборка и отладка работы основного устройства;

разработка веб-приложения;

написание кода коммуникации микроконтроллера - удаленного сервера;

написание кода коммуникации удаленного сервера - веб-приложения;

тестирование работоспособности всей системы.

В связи с этим планируется использовать сервопривод с таймером для подачи корма, датчики силы тяжести для проверки работоспособности системы и камеру наблюдения для дистанционного контроля состояния устройства. Все эти компоненты будут контролироваться через микрокомпьютер Orange Pi One.

Корпус подачи корма должен быть выполнен с учетом размера выбранных элементов, при этом необходимо исключить острые края и небольшие выступы для безопасности питомца. Датчик гравитации планируется разместить под миской питомца, а сервопривод внутри контейнера с едой, потому что это единственно возможное техническое решение. Описанные элементы должны быть изолированы от влаги во время процесса омывания основного устройства. Микроконтроллер и камера видеонаблюдения должны быть установлены вне устройства подачи, так как эти элементы имеют значительные размеры и большую массу для их интеграции в основное устройство. Кроме того, необходимо обеспечить их удобное подключение и отключение от основного блока системы подачи. Довольно важно избегать доступа животного к этим элементам системы и их проводам, например, один из вариантов - использовать оболочку из металлической проволоки или толстого пластика.

Веб-приложение, расположенное на сервере, будет иметь удаленный доступ к микроконтроллеру и предоставит возможность управлять системой кормления для пользователя из разных мест. В качестве основных функций веб-приложение должно позволять пользователям изменять частоту кормления, проверять наличие пищи в миске питомца и показывать состояние системы кормления в режиме реального времени. Веб-приложение не будет зависеть от размера и конструктивных особенностей корпуса устройства подачи. Именно это обеспечивает масштабируемость и универсальность системы для любого вида животного.

4.1 Проектирование системы, описание структурных частей и их взаимосвязи

Исходя из проведенного сравнительного анализа существующих автоматизированных кормушек, с целью избежать ошибок и недостатков рассмотренных устройств, а также для реализации варианта наиболее выгодного с точки зрения функциональности и комфорта пользователя в эксплуатации, было принято решение использовать в проектируемой автоматизированной системе кормления такие элементы, как сервопривод для периодической, а не постоянной подачи корма, датчик тяжести для определения наличия корма в миске, камеру для видеонаблюдения за работоспособностью системы, микрокомпьютер для преобразования данных, получаемых с датчика тяжести, управления сервоприводом, и коммуникации элементов с веб-приложением, сервер для обработки, передачи и хранения получаемых от устройства и пользователя данных, а также веб-приложение для дистанционного доступа пользователя к кормушке и удобной эксплуатации устройства. Описанную схему проектируемой системы можно наблюдать на рисунке ниже (рис. 5).

Рис. 5. Схема проектируемой системы.

Рассмотрим подробнее способы коммуникации структурных частей разрабатываемой системы кормления животных. Прежде всего, осуществляется подключение сервопривода и датчика тяжести к пинам (40 GPIO-пинов) микрокомпьютера для дальнейшей обработки и передачи получаемой информации. Камера может быть подключена к микрокомпьютеру через USB порт или специализированную камеру, именуемую «Camera Module», можно подсоединить посредством соответствующего для нее входа в микрокомпьютере под названием «Camera Interface». Микрокомпьютер, в свою очередь, подключается к Wi-Fi роутеру с помощью сетевого кабеля (Ethernet). После получения доступа в сеть Интернет микрокомпьютер осуществляет подключение к серверу по IP-адресу и TCP-порту. Сервер уже ожидает подключение к TCP-порту с определенным номером. Данное соединение реализовано, руководствуясь логикой, что подключение извне может осуществляться с различных адресов глобальной сети, на статический публичный IP-адрес сервера, по данному TCP-порту. В свой черёд сервер по HTTP запросу отправляет клиенту страницу веб-приложения, на которой отображаются данные с основного устройства системы кормления такие, как видеопоток с камеры наблюдения и масса корма в миске с датчика тяжести. Помимо этого, посредством веб-приложения пользователь может изменить режим питания питомца, и актуальное расписание поворотов сервопривода будет передано микрокомпьютеру и, при успешной передаче, впоследствии сохранено.

Именно так, можно описать происходящие внутри системы взаимодействия между ее структурными частями. Данная логика была сформирована путем изучения различных вариантов соединения описанных ранее элементов разрабатываемой системы. Как итог, представленный выше вариант взаимодействия различных компонентов оказался наиболее подходящим с точки зрения функциональности и надежности разрабатываемой системы.



5. Обоснование выбора элементной базы, языков программирования

После создания структурной схемы проектируемой системы кормления появилась задача определиться с выбором элементной базы. С учетом разработанной схемы взаимодействия элементов и требуемых от элементов характеристик были подобраны следующие компоненты.

Из множества доступных вариантов был выбран сервопривод Tower Pro 9g SG90 (рис. 6).

Рис. 6. Сервопривод Tower Pro 9g SG90.

Данная модель не имеет мощных характеристик (крутящий момент всего 1,2-1,6 кг*см при напряжении ~ 5В), однако этого достаточно для поворота лопастей подающего устройства с резервуаром корма, а значит и для применения в реализуемой системе кормления. Главным, но не единственным достоинством является невысокая стоимость данной модели. К весомым преимуществам можно также отнести и низкую скорость поворота вала, что, к примеру, позволяет более точно получить требуемый угол поворота.

В качестве датчика силы тяжести был выбран тензодатчик (типа "мост" или типа "полу-мост") и микросхема HX711 (рис. 7).



Рис. 7. Тензодатчик типа "мост" и микросхема HX711.

Тензорезистивный датчик предназначен для создания на его основе весов, датчиков давления или концевых датчиков. В основе своей конструкции имеют тонкопленочные резисторы, которые изменяют свое сопротивление при деформации. Преимущества данного выбора заключаются в том, что тензодатчик имеет достаточно маленькие размеры, но при этом способен производить измерения в диапазоне до 20 кг с разрешением в 1 грамм. К сожалению, следует отметить, что показания тензодатчика зависят от температуры окружающей среды -- при разных температурах показания могут отличаться.

Выбор камеры было решено свести к категории IP-камер. Интересным экземпляром можно считать HD-видеокамеру SQ11 (рис. 8).

Рис. 8. HD-видеокамеру SQ11.

Данная камера имеет множество преимуществ. Прежде всего это возможность USB подключения, что потребуется для взаимодействия с микрокомпьютером. Помимо этого, камера имеет уникально маленькие размеры (2,3 х 2,3 х 2,3 см). Однако несмотря на данные размеры камера обладает широким углом обзора в 140 градусов, режимом ночного видения (6 ИК светодиодов), форматом записи Full HD (1920x1080, 30 fps) и HD (1280x720, 30 fps), а также удобным механизмом для крепления. Практически во всех смыслах, эта камера является лучшим вариантом для реализации поставленных перед ней задач.

Микрокомпьютер является одним из наиболее важных элементов нашей системы. Из описанной ранее схемы взаимодействия элементов разрабатываемой системы кормления стало очевидно, что микрокомпьютер должен иметь USB-разъём, Ethernet-разъём и GPIO-пины. Таким набором обладает микрокомпьютер Orange Pi One (рис. 9).

Рис. 9. Микрокомпьютер Orange Pi One.

Orange Pi One -- одноплатный микрокомпьютер с четырехъядерным процессором ARM Cortex-A7 H3. К тому же Orange Pi поддерживает широкий набор операционных систем: Android, Ubuntu, Debian, Arch Linux, и т. д. Стоимость данного микрокомпьютера весьма приемлемая, что и послужило решающим поводом для его выбора.

В ходе реализации коммуникации между микрокомпьютером, сервером и веб-приложением будут по необходимости использованы различные языки программирования: Python, JavaScript, HTML, CSS и т. д. Будет реализована концепция архитектурного стиля REST API, применены фреймворки GStreamer и Flask, использован JSON формат обмена данными, задействованы библиотеки jQuery, Requests, OpenCV.



6. Изучение и выбор способов передачи данных между структурными частями системы

С точки зрения передачи данных между структурными частями системы можно выделить два подраздела: «Передача данных между основным устройством и микрокомпьютером», а также «Передача данных между микрокомпьютером, сервером и веб-приложением». Каждый из этих подразделов описывает разный формат данных и поэтому целесообразно их рассматривать по отдельности.

6.1 Передача данных между основным устройством и микрокомпьютером

В данной части отчета будут рассмотрены способы передачи данных и обработки электрических сигналов, поступающих на сервопривод и с тензодатчика. Для этого необходимо ознакомиться с принципом работы каждого из данных элементов в отдельности.

Работа тензодатчика основана на изменении какого-либо физического параметра, пропорционально весу измеряемого предмета [18]. Параметр зависит от того, какой элемент используется в датчике. В данной работе используется тензодатчик, выполненный на упругом резисторе и при изменении веса, меняется его сопротивление, а, следовательно, и напряжение, снимаемое с мостовой схемы. Схематично это можно представить в виде рисунка ниже (рис. 10).

Датчик представляет собой прямоугольный блок из алюминиевого сплава с отверстием посередине. Тонкопленочные резисторы соединены на боковых поверхностях мостовой схемой, так что датчик сопротивления имеет 4 гибких провода. Все элементы датчика заполнены эпоксидной смолой. На стержне предусмотрены резьбовые отверстия, чтобы закрепить его на основании и установить плиту под измеряемой нагрузкой. Передняя часть датчика отмечена максимальным весом измеряемой нагрузки. Чтобы резисторы изменили свое сопротивление, тензодатчик должен быть прикреплен к основанию на одном конце, а нагрузка должна действовать на другом конце, чтобы деформировать шину и, соответственно, пленочные резисторы. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) HX711 используется для преобразования аналогового сигнала с выхода тензорного датчика в двоичный код.

Рис. 10. Схема устройства и подключения тензодатчика к микросхеме HX711.

Интегральная схема HX711 представляет собой аналого-цифровой преобразователь с 24-битной частотой дискретизации и встроенным малошумящим операционным усилителем. С мультиплексором вы можете выбрать один из двух доступных входных каналов. Микросхема содержит встроенный стабилизатор напряжения, что означает, что внешний стабилизатор напряжения не требуется. Любой импульсный сигнал от внешнего источника может быть подан на вход синхронизации. Поскольку тензорные резисторы датчика соединены в мостовой схеме, 4 проводника с различной цветовой кодировкой используются для подключения устройства устройство. Опорное напряжение подается на два плеча моста, и выходное напряжение, которое подается на вход операционного усилителя в HX711 чипе снимается с двух других плеч.

HX711 подключен к микрокомпьютеру Orange Pi для дальнейшей обработки и передачи информации. При изменении напряжения на выходе измерительного моста оно преобразуется в двоичный код. Диапазон контролируемых напряжений зависит от выбранного усиления. Эти данные относятся только к напряжению питания +5 В. Обратите внимание, что калибровочный коэффициент должен быть отрегулирован. Кроме того, этот коэффициент используется после каждого измерения АЦП для преобразования в единицы массы и передачи их в микрокомпьютер.

Управляющий сигнал, импульсы постоянной частоты и переменной длительности [19] является решающим для управления сервоприводами. Длительность импульсов является одним из наиболее важных параметров, определяющих положение сервопривода. Эта длительность может быть установлена ??вручную в программе, используя метод выбора угла или используя команды библиотеки. Длительность может быть разной для каждой марки устройства.

Когда сигнал поступает в цепь управления, генератор генерирует собственный импульс, длительность которого определяется потенциометром. В другой части схемы сравниваются длительность подаваемого сигнала и сигнала от генератора. Если эти сигналы различаются по длительности, включается электродвигатель, направление вращения которого определяется тем, какой из импульсов короче. Если длительность импульса одинакова, двигатель останавливается.

Стандартная частота, с которой следуют импульсы, составляет 50 Гц. При этих значениях длительность составляет 1520 микросекунд, а сервопривод находится в среднем положении. Изменение длительности импульса приводит к вращению сервопривода - с увеличением продолжительности вращение происходит по часовой стрелке, а с уменьшением - против часовой стрелки. Существуют ограничения по продолжительности использования серво-библиотеки. Значение импульса устанавливается равным 544 мкс (нижний предел) для 0 °, а для 180 ° - 2400 мкс (верхний предел) (рис. 11).

Рис. 11. Схема устройства и подключения тензодатчика к микросхеме HX711.

Управление напрямую зависит именно от длины импульса, частота их появления не так важна. Корректная работа будет обеспечена как при 40 Гц, так и при 60 Гц, вклад внесет только сильное уменьшение или увеличение частоты. При резком спаде сервопривод начнет работать рывками, при завышении частоты выше 100 Гц устройство может перегреться.

6.2 Передача данных между микрокомпьютером, сервером и веб-приложением

Со стороны микрокомпьютера коммуникация проходит посредством трех выделенных TCP-портов определенного диапазона (к примеру, номер порта в диапазоне от 3000 до 5000). Один из данных портов будет использован для регулярной отправки информации о массе корма, получаемых с тензодатчика. Другой будет передавать RTSP поток с камеры видеонаблюдения. А последний будет «слушать» приходящие сообщения об изменении режима питания и впоследствии сохранять расписание поворота сервопривода. В раде случаев данные будут переданы посредством HTTP запросов реализованных с помощью программ на языке Python с использованием фреймворка Flask и библиотеки Requests. Данные будут отправляться в формате JSON. Как и было уже реализовано в программах передачи данных о массе корма. Рассмотрим это подробнее.

Для получения сервером данных с микрокомпьютера был написан код для обмена данными на стороне Orange Pi (Приложение 1) и REST-сервера (Приложение 2). В данных программах реализованы HTTP запросы между Orange Pi и сервером. Оба компонента системы питания используют TCP (Transmission Control Protocol) [20] протокол передачи данных для отправки расписания поворота сервопривода и данных о массе с тензодатчика в формате JSON. Orange Pi слушает и принимает HTTP запросы на 4000 порту, а удаленный REST-сервер на 3000 порту соответственно. Входная информация поступает на шину расширения на 40 контактов (GPIO-пины) Orange Pi. Перед отправкой электрические показания на микрокомпьютере преобразуются в данные, которые конвертируются в формат JSON, а при получении на сервере распаковываются. Запуск программы осуществляется путем включения системы кормления и подачи питания на микрокомпьютер Orange Pi. В свою очередь, запуск обмена данными осуществляется после подключения микрокомпьютера к серверу. Подводя итог, программа позволяет конвертировать данные, поступающие на микрокомпьютер, в формат JSON и отправлять их на сервер для последующего отображения в веб-приложении.

Для передачи RTSP потока с камеры видеонаблюдения необходимо сперва получить данный поток. Для чего была написана программа на языке Python с использованием мультимедийного фреймворка GStreamer и библиотеки OpenCV (Приложение 3). В данной программе был получен и транслирован видеопоток с камеры наблюдения на 8554 порт RTSP-сервера. Впоследствии, данный поток с использованием Websockify был изменен в WS поток и с помощью программного кода на языке JavaScript ретранслирован в веб-приложение.

REST-сервер, в свою очередь, не только принимает и отправляет HTTP запросы, но и хранит файлы веб-приложения. Каждое веб-приложение можно логически разделить на два компонента: клиентскую и серверную часть. Клиентская часть включает браузер и выполняемые им сценарии, а серверная содержит некоторое количества сценариев, которые генерируют ответ в случае запроса от пользователя. Загрузка страницы веб-приложения начинается с запроса от клиента к серверу. Ответом является код страницы, который, помимо стиля и структуры, также содержит логику клиентской стороны. После получения страницы с сервера браузер отображает ее на стороне клиента и запускает прикрепленные к ней скрипты. Клиентская часть реагирует на различные события, например, когда пользователь нажимает кнопку или вводит какие-либо данные. Дополнительные, обычно асинхронные, запросы используются для получения (или отправки) определенных данных с сервера.

Клиент может использовать HTTP-запросы [21] для обновления информации о расписании кормления домашних животных. Посредством написанного кода на языке Python с использованием фреймворка Flask и классов Response и Request. Эта информация сперва отправляется на сервер, а затем на микрокомпьютер, где обрабатывается и хранится. В данном случае при реализации описанного взаимодействия между компонентами системы питания используется архитектура REST API. Основными преимуществами примененной архитектуры REST API являются:

Отсутствие дополнительных внутренних уровней (т. е. передача данных в исходной форме).

Каждая единица информации (ресурс) однозначно определяется по URL. Это означает, что URL является первичным ключом для блока данных. (Данные могут быть в любом формате - это может быть HTML, TXT, JSON, JPEG или документ Microsoft Word.)

Управление информацией о ресурсах полностью основано на протоколе передачи данных. Самым распространенным протоколом является, конечно, HTTP.

Среди основных методов протокола HTTP можно выделить:

GET -- получение ресурса;

POST -- создание ресурса;

PUT -- обновление ресурса;

DELETE -- удаление ресурса.

Для изменения клиентом актуального режима питания по HTTP запросу, следует возвращать расписание после изменения с Orange Pi на веб-приложение. В связи с этим новый режим питания сперва отправляется до микрокомпьютера и, только в случае успешной передачи и сохранения нового расписания на Orange Pi, отображение расписания в веб-приложении обновляется.

Обновление информации в веб-приложении происходит по мере поступления новых данных с микрокомпьютера. Благодаря программам, написанным на языке JavaScript, сервер будет только предоставлять данные, необходимые для отображения. В таком случае сервер не выполняет первоначальную генерацию страницы, её сборка осуществляется уже браузером клиента.

Схематично описанную выше логику передачи данных можно представить в виде нижеприведенного рисунка (рис. 12).

Рис. 12. Схема передачи данных между микрокомпьютером, сервером и веб-приложением.



7. Создание макета устройства

Первый этап - анализ существующих моделей раздаточных механизмов и разработка собственной модели, приспособленной к более точной настройке. Второй этап - создание корпуса для микроконтроллера, несущего не только функцию защиты от механических повреждений, но и функцию эстетическую. Также обе модели должны быть максимально компактными, чтобы упростить процесс монтажа для конечного пользователя.

...