引言

宠物作为人类忠实的伙伴，其健康与安全状况牵动着每一位宠物主人的心。然而，传统的宠物照护方式，在实时性、全面性和便捷性上存在一定的局限性，难以满足现代宠物主人对精细化、智能化照护的需求。

近年来，物联网、微电子和传感器技术的飞速发展，为宠物健康管理带来了新的机遇。将微型化、低功耗的传感器与强大的微控制器相结合，可以实现对宠物生理参数和活动状态的连续、非侵入式监测^[1]。同时，全球定位系统（GPS）及各类室内定位技术的成熟，使得对宠物位置的实时追踪成为可能^[2]。这为开发一款集健康监测与定位追踪于一体的智能宠物管理系统奠定了坚实的技术基础。STM32系列微控制器以其高性能、低功耗、丰富的外设接口和成熟的生态系统，成为嵌入式系统设计的理想选择，特别适合应用于需要集成多种传感器和无线通信模块的复杂应用场景^[3]。

基于上述技术的基础上，本设计旨在利用STM32平台，开发一套功能完善的宠物健康检测及定位系统。该系统将集成心率、体温、血氧等健康监测模块，并结合GPS定位技术，实现对宠物健康状况的实时评估和位置的精准掌握。研究成果有望为饲养者提供一种主动、智能、便捷的宠物照护新方式，减轻主人的照护负担与焦虑感，具有重要的现实意义和应用价值。

1 系统设计

1.1 设计要求

本系统的目标是对宠物身体情况及位置进行实时监测和远程管理，主要功能要求如下：

（1）能够实时检测宠物的体温、心率、血氧，在出现异常情况后及时进行预警；

（2）使用GPS定位功能对宠物的位置进行实时定位和更新；

（3）将体温、心率、血氧、位置等信息显示在OLED显示屏上

（4）利用WiFi网络将宠物身体的各项指标发送给手机，并且进行阈值设置和基本信息的管理；

（5）进行电池电量检测，在电量低于阈值的时候进行告警提示。

1.2 系统方案设计

根据以上设计要求，系统需包含温度检测、心率检测、定位、通信、报警、电量检测和WiFi等功能模块：温度检测模块用来检测宠物体温；心率检测模块来检测宠物心率、血氧；定位模块用GPS定位技术来定位宠物的位置，并更新经度和纬度；通信模块将宠物体温、血氧、心率、定位等数据信息发送到手机端，并且可以通过手机给定阈值以及输入相关信息；电量检测模块检测设备内电池电量，在电量过低后会提醒用户；报警模块当心率、血氧、温度、电量低于或高于阈值时，蜂鸣器发出警报。系统总体方案框图如图1所示。

Figure 1.

图1 系统设计框图

2 硬件设计

2.1 主控模块

主控模块是整个系统的核心，负责协调整个系统的运行，包括数据采集、处理、存储、定位信息获取以及与上位机或移动终端的通信。本设计选用基于ARM Cortex-M3内核的高性能、低功耗、高性价比的32位微控制器STM32F103C8T6作为主控芯片。

本设计以STM32F103C8T6为控制核心，最小系统由单片机、时钟电路、复位电路3部分组成，选用LDO稳压器将5V输入电压稳压为3.3V，为STM32F103C8T6以及其他模块提供电源；时钟电路用16MHz外置晶振加负载电容组成，为STM32F103C8T6提供稳定的时钟信号；复位电路用外部复位IC或R-C网络来保证系统上电的时候会进行复位操作，让系统进入正常工作状态。

Figure 2.

图2 单片机最小系统

2.2 温度检测模块

宠物的正常体温范围相对固定，体温的异常升高或降低往往预示着可能存在的健康问题。因此，实时监测宠物的体温对于及时发现健康隐患至关重要。而DS18B20有高集成度、数字化输出和单总线接口等优势，非常适合作为本宠物健康监测系统中温度检测模块的核心传感器^[4]。

DS18B20温度传感器通过单总线协议与STM32微控制器连接，其VCC引脚接至+5V电源，GND引脚接地，DATA引脚则连接至STM32的PB11口用于数据传输。温度检测电路如图3所示。

Figure 3.

图3 温度检测电路

2.3 心率检测模块

MAX30102是一款高度集成的脉搏血氧仪和心率传感器模块。可通过光电容积脉搏波描记法（PPG）来检测血液流动的变化，从而计算出心率和血氧饱和度。其优势在于高集成度、高灵敏度、低功耗以及抗干扰强，即使在宠物活动时也能提供相对稳定可靠的测量结果。因此本系统选用MAX30102作为心率检测的核心传感器^[5]。

MAX30102其VCC引脚连接至+5V电源供电，GND引脚接地，SCL和SDA引脚则分别连接至STM32微控制器的PB8和PB9接口，用于数据的双向传输。系统通过STM32的I2C总线与MAX30102建立通信，由传感器实时采集宠物体表的光学反射信号，并将原始数据传输至STM32。心率检测电路如图4所示。

Figure 4.

图4 心率检测电路

2.4 定位模块

为了提高宠物的安全性，实时或准实时地掌握宠物的位置信息至关重要，而NEO-6M GPS有其灵敏度高，定位精确度高，功耗低，模块体积小巧，启动速度快等优点。因此本系统定位模块选用NEO-6M GPS。

NEO-6M GPS模块通过其VCC引脚连接至+3.3V电源，GND引脚接地，RX引脚则连接至STM32的PA10，用于向STM32发送配置命令。在电路中，GPS模块通过接收卫星信号，实时测量并计算宠物的经纬度信息。GPS模块将测得的经纬度数据通过RX引脚以串口形式发送至STM32微控制器，STM32负责接收并解析这些数据。GPS定位模块电路如图5所示。

Figure 5.

图5 GPS定位模块电路

2.5 电量检测模块

电量检测模块采用锂电池+分压检测+STM32内置ADC的模式，对于电路连接部分，锂电池是经过分压后接入STM32的ADC输入通道中，比如PA1通道。首先是获取VREFINT通道上的ADC值(简称ADrefint)，然后是得到电池电压通道上的ADC值(简称ADchx)，最后根据公式1.1得出实际电池电压值。

（公式1.1）

根据电池电压和电量百分比的经验曲线关系，可以将测得的电压值换算成电量百分比来分档判断。电量检测模块电路如图6所示。

Figure 6.

图6 电量检测模块电路

2.6 显示模块

显示模块虽然不是核心功能，但可以让用户在不依赖手机或其他外部设备的情况下，快速了解设备的工作状态、当前的宠物状态信息等。考虑到设备的便携性、功耗以及显示内容的简洁性需求，选择OLED显示屏作为本系统的显示方案。

OLED的VCC引脚连接至+5V电源，GND引脚接地。数据线SDA引脚连接至STM32的PB7接口，用于传输显示所需的数据信息；时钟线SCL引脚则连接至PB6接口，传输时钟信号以保持数据同步。通过I2C总线协议，主控芯片能够高效地向OLED模块发送各种显示指令与数据内容，实现诸如实时显示宠物的体温、心率、位置信息等功能。液晶显示屏电路如图7所示。

Figure 7.

图7 液晶显示屏电路

2.7 通信模块

为了实现宠物健康数据及定位信息的远程传输与监控，考虑成本、功耗、易用性以及当前物联网应用的普及程度等方面，选择基于ESP8266芯片的WiFi模块作为系统的通信解决方案。

ESP8266模块VCC引脚连接至+3.3V电源，GND引脚接地；TXD（1号）和RXD（8号）引脚分别连接至STM32微控制器的PA2和PA3端口，用于实现通信模块与主控之间的串口数据通信。通过该串口连接，通信模块能够周期性地将采集到的位置信息（如经纬度数据）发送至STM32，同时STM32也可以通过串口向通信模块发送必要的配置指令，实现位置数据的解析与控制逻辑配合。WiFi模块电路如图8所示。

Figure 8.

图8 WiFi模块电路

3 系统软件设计

系统以STM32对所有功能模块调度，完成对各子模块的初始化、任务调用以及状态管理；系统启动后先对STM32的外设资源进行初始化并完成各传感器模块、定位模块、通信模块的初始化配置，在进入主循环后根据预设的采样顺序调用温度检测、心率监测、电量检测、定位等功能模块，对得到的数据进行逻辑判断是否超出预先设置的阈值范围，一旦有异常会马上触发报警功能模块；同时主程序每隔一定时间也会更新OLED屏内数据以显示当前最新的体征参数，并通过WiFi模块将数据上传至机智云和手机客户端；GPS的数据采集处理通过串口中断的形式接收、缓存、解析获取的结果。系统主流程图如图9所示。

Figure 9.

图9 系统主流程图

4 实物制作与分析

4.1 实物焊接制作

在硬件制作时，根据原理图检查元器件的功能是否符合要求，并完成元器件的排版、优化。使用EDA软件将各个功能模块中各器件的位置布局和布线完善，考虑到模块之间所占用的空间以及信号之间的互相干扰等问题，通过多次试验后确定最佳方案，在实际焊接中先焊好贴片元件，再焊好其余元件，最后将所有元件焊接完毕并调试完后再连接各种接口；将OLED屏幕放置到最下方靠近中央处方便调试，将GPS模块及通信模块分别安置在上方两侧，在不阻碍线路走线的情况下尽量占据大的面积。反复检测到焊接好的电路正常工作，达到系统要求。宠物健康检测及定位系统实物如图10所示。

Figure 10.

图10 宠物健康检测及定位系统实物

4.2 整体系统运行测试

开机后，模块自动开始初始化，此时OLED屏会正常显示设备当前的温度、心率、电量等信息；系统处于正常监测的状态下，保持与WiFi连接，在此状态下可将监测到的心率、体温、电量等数据发送给手机端App接收，也可以接收手机端App设置的阈值参数，一旦超过或低于阈值便能通过蜂鸣器发出报警信号，其响度大。

5 结论

为实现对宠物健康状况的实时监测和位置的精准追踪，设计并实现了一套集成多种功能的智能监控系统。系统以 STM32 微控制器为核心，集成了体温检测、心率监测、GPS 定位、电量检测、报警、OLED显示、WiFi 通信等多个模块，并通过云平台实现数据的远程可视化管理。测试结果表明系统数据采集、阈值判断、异常报警、信息上传等功能运行正常，能够帮助用户在日常养宠过程中实现对宠物健康状态与安全位置的持续监测与有效管理，具有较强的应用价值与推广前景。

参考文献

[1] 万涛,吴杰,葛晶晶,等.智能宠物管家系统的设计[J].现代电子技术,2023,46(16):155-159.

[2]范浩,徐龙,赖福明,等.基于STM32和MPU6050的姿态控制系统[J].电子元器件与信息技术,2020,4(2):74-75,86.

[3] 王文博，马凯凯.家养宠物智能监控项圈控制系统设计[J].农业装备与车辆工程,2025，63(02):152-157.

[4] 刘立勋,郑嘉仪,卢曼妮,等.智能宠物项圈设计[J].电子测试,2021(16):25-26,24.

[5] 陈典,涂晔,沈映涛,成霜,方愉,段如意.基于STM32的宠物远程投喂和监测系统设计[J].计算机科学与应用,2023,13(10),1882-1888.