【DIY】花式喂猫器
2017-02-03
起源
去年我和MS报名参加了2017年1月20-22号的SpartaHack（官网的UI很抽象，动画很华丽，但是没啥内容……）。这是一个MSU自己办的Hackathon活动。这个活动号称做什么东西都可以，只要和编程有关就行。
然后就有了做个自动化喂猫机器（以下简称「机器」）的想法。然后就有了这篇日志。不想看长篇大论的直接拖到后面看Youtube视频即可……
目标
这个东西的目的是能通过语音控制来触发机器工作，然后放出一定数量的猫粮，这样猫就不会因为狂吃而变胖了（平时人们一般会把猫粮盆装满，快没了再加一拨）。同时机器能够自动设定时钟，如果超过一天（86400秒）没有收到语音指令，那么就会自动喂一些猫粮以防猫饿死……
编程部分对我来说那是相当简单（下面提到），所以功夫主要花在把这个机器做出来上。
思路
硬件
通过电机旋转，带动主轴旋转，主轴上的凸轮机构把旋转运动变成直线进给运动，推动厚木块运动，把猫粮推机器，滑落到猫粮盆里面。我还录过一个SolidWorks的Motion Study动图发在Instagram上，可以围观。
当然，原理不是我想出来的，虽然以前机械学学过凸轮机构，但主要启发来自Youtube上的日本DIY大牛Denha的视频，另一个随便找的类似的视频可以围观这里。
和视频不一样的是，猫粮是消耗品，就不用做视频里面抬升钢珠的机构了。我只需要一个大的容器放在上面，利用重力的作用让猫粮下落到凸轮推进机构上即可。
整个机构两边需要两块木板把固定住，然后还需要两块小木板支撑电机、轴承和主轴。大体上就是这样一个结构。我就不深入描述了，要是想象不出来直接往下看就行了，一图胜千言。
软件控制
为了实现语音控制，我们第一个想到的就是Amazon Echo，亚马逊自己推出的语音音响，似乎目前只在北美和德国上市，可以想象成一个能连蓝牙和WiFi的音响加上了Siri语音助手类似物（叫「Alexa」）。注意，Echo是设备，Alexa是语音服务，就像苹果手机和Siri关系一样。
正常来说要和Amazon Echo连起来也不是那么简单的事，首先开发者账号这些东西都得注册：
然后又有两种Skills可以用：
区别主要是：SHS能连接其他的云设备网络，控制设备（主要是家电）的启动、停止、温度调节，主打智能家居。而CS则主要用来和各种网页或者API交互，至于和什么交互，如何交互是开发者自己决定的。
打个比方，CS可以用来Uber叫车，用来订Pizza，用来查天气等等，这些SHS都做不来。
我个人感觉SHS是CS的子集，只是说SHS把常用的服务都集成好了，用来做智能家居方面开发比较便捷。Amazon Echo生成给用户的语音也是开发者自定义的，而SHS这方面会有限制，总体来说肯定是CS可玩性更高。
说了这么多其实我采用了曲线救国的方式——上面两个都没用。我为了对付SpartaHack学习了上面两个东西的用法，所以po在这里希望可以给路过的提供一些信息。
取而代之的是，我找到了一个Python库，叫做「Fauxmo」。运行这个程序的设备可以模拟成一个WeMo开关（一个做智能家居的牌子），并能够被Echo发现和控制。
这个简直神器。有了它就可以把家里的设备变成「家庭物联网」模式，而不经过各种设备云（Device Cloud）。咖啡机、烤箱、灯等等这些东西都可以变成语音控制的。
还是直接进入正题吧。
材料工具一览
材料
- 3 ft x 3.5 in x 1/4 in （长x宽x高，下同）薄木板一块
- 3 ft x 2.5 in x 1/4 in 薄木板一块
- 1 ft x 2.5 in x 3/4 in 厚木板一块
- 裱边用木条一根
- 1/4 in 直径木条一根
- 1/4 x 3/4 x 9/32 in 滚珠轴承一只
- 3mm转5mm联轴器一只
- 6V 30RPM减速电机一只
- 光耦隔离（隔离不是必须）继电器模块一只
- 导线若干
- Raspberry Pi Model 2 B（树莓派）
（用一下英制单位以表面我对其的痛恨，1 inch = 2.54 mm，1 foot = 30.48 cm）
工具
- 电锯
- 锉刀
- 木工F夹3个
- 木材胶水
- 热熔胶枪
- 螺丝刀
- 电钻（手钻 + 台钻）
- 尺子（直尺 + 数显游标卡尺）
零部件切割
由于板长宽高等等我都设计好了，所以只花了几个小时就把需要的材料都切割出来了。下图并不是全部，还有些零碎的。
最费劲的是装轴承的小板的切割。轴承的孔比较大，而小木板却不大，这就导致了开孔的时候特别容易断裂。总而言之费尽周折终于弄完了。
组装工的生活
高级一点的木工当然不会像我这样用胶水把全部东西粘起来了，不但费时，而且拆卸成本太高，容错率低。但是我这处于初级阶段，很多木料的加工工具都没有，所以只能用这种原始的方式。
- 第一步先把上面说的「裱边用木条」切出来的1 cm宽的小木条固定到小木板两侧，然后上胶水。目的是让小木板处于竖直状态。只有孤零零一块板很容易前后倾。加了小木条就有一种直角尺的作用。胶水凝固需要大约1-2 h的时间。与此同时把电机固定到小木板上，上热熔胶（这小电机连个固定螺丝孔都没有，只好强制固定了）。
- 第二步安装两块大木板。最好完全垂直，然后热熔胶固定底部。这一步完成以后就得到了最原始的绝对基准，其他的部件都要向这个东西看齐。要垫几张纸留够间隙，因为最关键的两块厚木块的宽度必须小于两木板的间距，否则就没法运动了。
- 第三步把椭圆穿到木棒上，然后把距离分好，上热熔胶，让椭圆和木轴合为一体。
- 第四，把上面得到的运动结构固定到底板上。由于木轴和轴承并没有固定死，所以只要大概合适的位置即可。到这里为止运动部件就安装完毕了。
连上电机看看好不好使。
- 第五，安装滑块所在的木板，这个的组装精度要求最高（相对来说）。安装前的侧视图是下面这样的：
安装辅助板（上图薄的那几块），夹住滑块并形成导槽。这里花了我们最多时间。辅助板只需要热熔胶相对固定就好了，胶水粘死容易出问题，不好调整。最主要是要留出间隙，这样滑块才能运动。
- 第六，对接，把两个模块拼在一起，上胶水。把其他辅助导槽等等用热熔胶弄上。
- 第七，把顶部猫粮容器弄上，然后各个部分微调。完工，可以加猫粮了。
底部细节图：
虽然能用，但是一点也不精致，哈哈。等我以后用亚克力板重做一个，一定会更有科技感……
控制部分
继电器作为开关连到电机上电源为5V，这个比较简单就不说了。说说树莓派这边。
上面软件控制一节也已经说得比较清楚了。整个流程是：
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首先树莓派运行Fauxmo服务器，用于和Echo互动。Fauxmo只是个库，需要一些代码把它实例化，设备名字，端口等等需要自己定义。
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第二，对Echo喊「Alexa, discover devices」。注意需要树莓派和Echo连接到同一WiFi网络下，而且分配域名的前三字段必须一致，例如「192.168.10.XX」两个设备只能在「XX」上不一样。在家弄很容易实现当然没问题，但是SpartaHack的公用WiFi比较坑，后两位字段都不一样，这样Echo就没法发现树莓派了。纠结了三分钟后我们的解决方案是拿手机开热点，两个设备都连到手机。
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第三，上面都没问题以后在手机里的Amazon Alexa App就可以发现可控制设备了。
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第四，喊「Alexa, Turn on XXXX」，这时候Echo就会给XXXX发送一个Turn On请求，然后树莓派代码里面的某标志位就会变1。至于采取什么行动，在Python代码里面写就好了。比如触发继电器需要写一个树莓派GPIO控制的代码，让某个引脚变成高电平。这样继电器闭合，电路导通，电机开始转，整个机器运转起来，猫粮出来。
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第五，微调。控制电机转的时间，以达到控制出猫粮的量的目的。设定好时间戳，如果一天（或者任何其他时间长度）没有来语音指令，则自动喂猫粮。
真·完工
加上Alexa效果图若干：
效果最后就是对Echo喊「Alexa, turn on Candy Shower.」（演示的时候我们取了另一个名字），然后喂猫粮机器工作15秒，放出一杯左右的猫粮。中间也可以响应「Turn Off」命令，不过没什么必要。
【Youtube视频戳这里。】
末尾补一丢丢
为了一只猫可真是煞费苦心，虽然也「其乐融融」。SpartaHack真是累的不行，两天睡了也就8个小时（其他组的可能更少），导致我到现在还不想碰这个东西（还需要很多改进和优化）。所以这喂猫机器也没有在真正在家里使用。还有就是我发现树莓派可玩性略高，所以还在慢慢开发别的东西，摆在喂猫粮的地方那可就浪费了。
下一步是尝试使用ZigBee建立家庭小规模物联网，这样可以实现在网站上控制家里的各种灯和电器。这个喂猫机器到时候将作为首批试点家电进行测试，啧啧，嗯嗯……说得好像不会烂尾一样。
LanternD
