基于STM32F103C8T6的宠物情绪检测预警装置设计与实现研究报告

一、 研究团队、发表信息与学术背景

本研究的主要作者为刘博民、陈奕和、陈思翰、朱姝，以及通信作者赵宇副教授。作者单位分别为扬州大学广陵学院机械电子工程系以及扬州大学信息与人工智能学院。该研究成果以论文形式呈现，发表于期刊《科技风》2026年4月刊。

本研究属于嵌入式系统、物联网技术在宠物健康与行为监测领域的交叉应用研究。其学术背景源于当前宠物行业的快速发展以及宠物角色向“家庭成员”的转变。传统的宠物管理多集中于基础定位，而宠物主人日益增长的需求已升级为对宠物“健康监测、情绪感知、主动防护”的综合性安全管理。然而，宠物无法用语言直接表达其情绪与不适，其异常状态往往通过生理指标（如心率、体温、活动量）的间接变化来体现。目前，市场上缺乏能够实时、精准感知宠物生理状态并主动预警的集成化装置。因此，本研究旨在填补这一技术空白，利用现代传感器技术、微控制器技术和无线通信技术，设计并实现一种能够通过监测关键生理参数来评估宠物情绪与健康状态，并在异常时发出预警的智能装置。研究的核心目标是构建一个集数据采集、处理、分析、显示与预警于一体的完整系统，以实现对宠物状态的“精准感知”与“快速响应”，从而提升人宠共处的安全性，防范潜在风险。

二、 详细研究流程与方法

本研究是一项完整的嵌入式系统设计与实现工作，其流程主要包括总体方案设计、硬件模块设计与选型、软件程序开发以及系统集成测试四个主要阶段。研究对象为该装置本身及其各功能模块，研究过程即是对该装置从概念到实物的开发与验证过程。

第一阶段：总体方案设计
研究首先确立了以STM32F103C8T6微控制器为核心控制单元的总体架构。该芯片是一款基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器，具有高性能、低成本、低功耗及丰富外设资源的特点，适合作为数据采集与处理的中枢。系统设计目标为：通过各类传感器实时采集宠物的生理数据（体温、步频、心率、血氧饱和度），由微控制器进行数据处理并与预设的安全阈值进行比较分析，最终通过本地显示屏、声光报警器以及蓝牙无线传输等方式，实现数据的可视化与异常状态的预警。整个系统的工作流程被规划为“传感器采集 -> 微控制器处理分析 -> 结果显示与预警触发”的闭环。

第二阶段：硬件设计与模块选型
硬件设计是本研究的基础，涉及多个功能模块的选型与电路设计。研究团队为每个功能模块选择了特定的商用芯片或模块，并设计了它们与主控制器STM32F103C8T6的接口电路。

1. 主控制器模块：核心为STM32F103C8T6，利用其GPIO（通用输入输出端口）、ADC（模数转换器）、定时器、I2C、SPI、UART等接口连接其他所有模块。
2. 传感器模块：
   • 体温检测：选用DS18B20单总线数字温度传感器。其测温范围（-55°C至+125°C）和精度（±0.4°C）满足需求，且单总线接口简化了布线。
   • 步频检测：选用ADXL345超低功耗三轴数字加速度计。通过测量宠物运动时的加速度变化，经过算法处理可估算活动频率（步频）。该传感器通过I2C或SPI接口与主控通信。
   • 心率与血氧检测：选用MAX30102集成式光学传感器。该传感器内置红光（660nm）和红外光（880nm）LED以及光电探测器，通过光电容积脉搏波描记法（PPG）原理，采集反射光信号，进而计算心率和血氧饱和度。它通过I2C接口通信，并内置FIFO（先进先出）缓存减轻主控负担。
   • 计时模块：选用DS1302实时时钟芯片，为系统提供准确的时间信息，用于数据打标。
3. 交互与预警模块：
   • 显示模块：选用SSD1306驱动的OLED显示屏，通过I2C总线接收数据，显示各项生理指标和系统状态。
   • 声光预警模块：采用0905型有源蜂鸣器（高电平触发）和LED灯，由主控GPIO口通过三极管开关电路进行控制，实现异常时的听觉和视觉报警。
   • 蓝牙传输模块：选用BT04-A蓝牙4.0模块，通过UART串口与主控连接，将实时数据无线传输至用户的手机等终端设备，实现远程监控。
     所有模块通过精心设计的电路与STM32F103C8T6连接，构成完整的硬件平台。本研究未涉及全新的硬件发明，而是基于成熟的商用元器件进行系统集成与电路设计。

第三阶段：软件程序设计
软件设计是赋予硬件系统“智能”的关键。研究采用C语言进行编程，软件结构分为检测程序、预警系统程序和主控制程序三个层次。

1. 检测程序设计：针对每个传感器模块的通信协议编写底层驱动程序。包括：
   • 初始化各硬件接口（I2C, SPI, 单总线，UART等）。
   • 编写特定函数配置传感器参数（如设置ADXL345的测量范围、MAX30102的LED电流和采样率、读取DS1302时间等）。
   • 实现数据读取函数，定期从传感器寄存器中获取原始数据。
2. 预警系统程序设计：核心是数据处理与逻辑判断算法。流程如下：
   • 对从传感器读取的原始数据进行滤波处理（文中未详述具体算法，但提及此环节），以提高数据质量。
   • 为各项生理指标（体温、心率、血氧、步频）设定安全阈值。这些阈值是基于前期研究和测试校准的。
   • 在主循环中，持续将处理后的实时数据与安全阈值进行对比。
   • 设计预警触发逻辑。论文指出，当“步频、心率、血氧饱和度等指标中任意两项的检测值超出预设安全阈值时”，系统触发预警。这是一个多参数联合判断的逻辑，旨在提高预警的准确性，减少误报。
   • 预警执行：一旦触发条件满足，主控将控制蜂鸣器和LED的GPIO引脚输出高电平，启动声光报警。
3. 主程序控制设计：负责统筹调度所有模块，形成完整的工作流。其流程图展示了以下步骤：
   • 系统初始化：配置时钟、初始化所有外设和传感器。
   • 进入主循环：循环采集各传感器数据。
   • 数据处理与显示：将采集的数据整合，调用显示驱动函数在OLED屏上分区域更新显示。
   • 数据无线发送：通过串口将数据发送至蓝牙模块，传输至终端。
   • 安全阈值判断：执行上述预警逻辑。
   • 指令接收：监听蓝牙通道，接收用户指令（如启动/停止检测），实现人机交互。
     本研究软件部分的核心创新在于将多个异构传感器的数据采集、融合处理、阈值判断与预警触发机制整合在一个微控制器平台上，并设计了具体的多参数联合预警算法。

第四阶段：系统测试与验证
在硬件搭建和软件编程完成后，研究进入了系统测试阶段。测试对象是组装好的原型装置。

1. 测试方法：采用“人工模拟相关场景”的方式进行功能验证。例如，模拟宠物体温异常（高温、低温）的场景，以检验预警功能是否能被正确触发。
2. 测试过程：
   • 模块数据测试：依次测试各传感器模块，确保其能正确采集并换算数据。例如，读取ADXL345寄存器值计算倾斜角度；发送指令给DS18B20并读取温度寄存器换算实际温度；从MAX30102的FIFO中读取光强度数据计算心率和血氧；读取DS1302时间寄存器并解码。
   • 预警功能测试：这是核心测试。研究以宠物体温为例，详细描述了测试流程：当传感器采集的温度数据超过预设的上限或下限阈值时，该信号被传输至STM32F103C8T6，微控制器“在极短的时间内完成数据校验与指令下发，瞬间激活预警执行机制”，即驱动蜂鸣器和LED工作。
   • 集成测试：验证整个系统从数据采集、显示、无线传输到预警触发的完整链条是否正常工作。
3. 数据处理与分析：测试阶段持续采集装置参数和传感器数据，主要进行的是定性功能验证（是否能预警）和系统稳定性观察，论文未提供大量的定量实验数据（如大量样本的统计结果、预警准确率的具体数值等），但其结论基于模拟测试的效果得出。

三、 主要研究结果

本研究通过上述设计与实现流程，成功开发出一套可工作的宠物情绪检测预警装置原型。主要结果体现在系统功能的实现与测试验证上：

1. 硬件系统集成成功：成功以STM32F103C8T6微控制器为核心，集成了DS18B20（温度）、ADXL345（步频）、MAX30102（心率血氧）、DS1302（时钟）、SSD1306（显示）、BT04-A（蓝牙）、0905蜂鸣器及LED（预警）等多个模块，构建了完整的硬件平台。
2. 软件系统稳定运行：开发了包含底层驱动、数据处理、阈值判断、预警逻辑和用户交互的完整嵌入式软件。软件能够可靠地初始化所有硬件，循环采集多路传感器数据，并进行实时处理。
3. 多参数数据采集与显示：装置能够持续、同步地采集宠物的体温、运动步频（通过加速度推算）、心率、血氧饱和度以及当前时间等多项关键生理指标。所有数据能够实时显示在本地OLED屏幕上。
4. 无线数据传输功能实现：通过蓝牙模块，装置能够将采集到的所有生理数据实时传输到用户的手机或其它智能终端，实现了数据的远程监控。
5. 多参数联合预警机制有效触发：最重要的结果是，设计的预警逻辑在测试中被验证有效。当模拟的生理数据（如体温）超出预设的安全阈值时，系统能够迅速响应，准确触发声光报警（LED闪烁和蜂鸣器鸣响）。论文强调的“任意两项指标超阈值”的联合判断逻辑，在模拟测试中能够工作，这为降低单一指标波动引起的误报提供了初步方案。
6. 系统闭环形成：研究实现了从“感知”到“分析”再到“预警”和“交互”的完整闭环。传感器感知生理状态，微控制器分析状态并判断异常，预警模块执行报警，同时显示和蓝牙模块提供状态信息交互。这个闭环是本研究核心成果的体现。

这些结果逻辑连贯，逐步递进：硬件集成是基础，软件驱动使硬件发挥作用，数据采集与处理是核心，预警逻辑是基于数据处理的分析决策，而最终的功能实现（显示、传输、报警）则是研究成果的直接体现。所有结果共同支撑了“该装置能够实现宠物情绪检测与预警”这一核心结论。

四、 研究结论与价值

本研究成功设计并实现了一种基于STM32F103C8T6微控制器的宠物情绪检测预警装置。结论表明，该装置能够通过多传感器协同工作，实时采集并处理宠物的体温、步频、心率、血氧等生理指标，利用预设的安全阈值进行状态评估，并在检测到异常时（多项指标超阈）及时触发本地声光预警，同时将数据通过屏幕和蓝牙提供给用户。经模拟场景验证，该装置响应迅速，判断准确，能够有效反映宠物状态。

该研究的价值体现在以下几个方面：

1. 应用价值与市场前景：直接针对当前宠物安全管理升级的需求，提供了一种主动防护的技术解决方案。它有助于宠物主人或接触者提前察觉宠物的情绪波动或健康异常，避免因宠物突发攻击或疾病带来的伤害，对于构建和谐的人宠共处环境具有积极意义。论文指出其具有良好的实际应用价值和市场前景。
2. 技术示范价值：为嵌入式系统、物联网技术在特定垂直领域（宠物健康监护）的应用提供了一个完整的设计案例。展示了如何将多种商用传感器、无线通信模块与低成本微控制器相结合，解决一个具体的实际问题。
3. 方法论价值：研究实践了“多参数融合判断”的预警策略，相较于单指标预警，这种方法有望提高系统的可靠性和准确性，为类似健康监测设备的设计提供了参考思路。

五、 研究亮点

1. 系统集成创新：研究亮点不在于发明某个全新传感器或算法，而在于针对“宠物情绪检测”这一具体应用场景，进行了一次成功的、完整的系统级集成创新。将温度、加速度、光学心率血氧、计时、显示、无线通信、声光报警等多样化的功能模块，有机地整合在一个小型、低成本的嵌入式平台上。
2. 多参数联合预警逻辑：提出了基于“多项指标超阈值”的预警触发机制。这种机制考虑到了宠物生理状态的复杂性，单一指标的短暂异常可能不代表真正危险，而多项指标同时异常则更可能指示严重问题。这种设计增强了预警系统的智能性和实用性。
3. 双重人机交互通道：设计了本地（屏幕、声光）与远程（蓝牙至手机终端）相结合的数据呈现与预警方式，兼顾了宠物佩戴时身边人员的即时感知和宠物主人的远程监控需求，用户体验考虑较为周全。
4. 完整的开发流程呈现：论文清晰地呈现了从问题提出、方案设计、硬件选型、电路连接、软件编程到系统测试的完整嵌入式产品开发流程，具有很好的参考性和可复现性。

六、 其他有价值内容

本研究得到了江苏省大学生创新训练项目（省级一般项目，编号：202413987015Y）的资金支持，表明这是一项经过立项评审的学生科研实践项目，体现了产学研结合的初步探索。此外，论文中提及的硬件选型理由（如芯片特性、接口方式、功耗等）和软件设计框架（初始化、数据采集、处理、判断、输出的循环结构），对于嵌入式系统初学者或从事类似设备开发的工程师具有实际的参考价值。通信作者赵宇副教授的研究方向为人工智能和全息显示，虽然本论文中未深入体现复杂的AI算法，但为未来在该装置中引入更智能的情绪识别模型（如基于生理数据的时间序列分析）预留了接口和想象空间。