【决赛】会说话的兔子-数字孪生兔 简单

研究背景：

孩子很喜欢小动物，一年半前买了两只侏儒兔养在阳台上。在经历了最初的新鲜劲之后，孩子渐渐对小兔不闻不问。只有爸爸每周定时喂养小兔。由于兔子不会叫，还很安静，有时候经常想不起来去照料小兔。如果能够让小兔子开口说话，撒娇卖萌，是不是可以增进孩子与萌宠之间的互动和交流呢？于是就想到与孩子一起，共同制作这样的Demo作品。基于数据采集和数据分析，我们可以模拟一只数字孪生的兔子，实现真实兔子与孪生兔子的信息同步。利用采集到的数据加以分析和整理，让孪生兔子替真实兔子将需求及时的表达出来。对小主人进行提醒，增加孩子和萌宠之间的链接与互动。通过大数据的分析还能够及时了解兔子是否可能生病等，进一步提升小兔的生活品质。
除了关爱家里不会说话的萌宠，未来希望这样的场景可以应用到数字孪生动物园，失能人士陪护等，在满足基本的生理需求的基础上，不论是动物还是人，都应该得到更多的关怀和交流，从而实现生活品质的提升。

需求分析：

（1）怕热：兔子有比较厚的兔毛，它们不怕冷但是很怕热。由于我们身处南方，冬天不会低于5度，但是夏天的炎热天气对小兔子就不太不友好了。我们是把兔笼放在阳台的，所以夏季暴晒时阳台会非常热。

【解决方案】：将温度传感器放置在兔笼顶部，采集阳台的实时数据。如果温度高于37℃，就让虚拟兔子切换为“热兔子”角色，并进行语音提醒。

（2）怕水：小兔子的毛很厚，如果被水打湿，很难自然干透，就非常容易生病。阳台属于开放式的环境，特别是夏季台风来袭时，雨水会飘进来打湿兔笼，小兔也无处躲藏。

【解决方案】：将雨滴传感器放置在兔笼靠近阳台外的一侧，采集是否被雨淋湿。如果模拟量超过2500，让虚拟兔子切换为“湿兔子”角色，并进行语音提醒。

（3）缺水：兔子可以三天不吃兔粮也死不了，但是三天不喝水那就很危险了。对于水壶水量的监控，必不可少。

【解决方案】：将液位传感器固定在喂水器的底部，采集水量实时数据。如果水位低于液位传感器，回传0，虚拟兔子切换为“渴兔子”角色，并进行语音提醒。

（4）缺粮：没有哪种动物可以不吃饭，小兔也不例外，虽然可以少吃，但也不能没有饭。兔粮见底时，需要进行提醒。

【解决方案】：将亮度传感器用保鲜膜包裹，做防水防尘处理后，固定在食盒底部。当有大量食物覆盖其上时，亮度很低，反之如果亮度很高说明食盒可能差不多吃完了，这时切换为“饿兔子”角色，并进行语音提醒。

（5）生病：日常可能放满兔粮需要2-3天会吃完，如果有时候兔子饭量骤减，7-8天都还没有吃完兔粮，那它一定是哪里不太舒服了。上次有阵子母兔怀小宝宝时，就有饭量异常的情况发生。出现这种情况，要引起注意，多加关注。

【解决方案】：对每次缺粮提醒进行判断，如果缺粮了，则更新数据库。需要更新最近一次缺粮时间，并对数据库记录的缺粮次数+1（同一天缺粮只更新一次，因为实时数据每10秒采集一次，也许没有那么快去补粮），计算本次缺粮距离上次的耗时。并根据缺粮耗时计算出平均缺粮耗时，平均缺粮耗时=（（上次平均缺粮耗时*未更新前缺粮次数）+本次缺粮耗时）/（未更新前缺粮次数+1）

生病判断基于当前时间与上次缺粮时间进行对比，计算出此时的耗时。用此时的耗时与平均缺粮耗时进行对比，允许1天的误差。如果此时耗时+1仍大于平均缺粮耗时，说明兔子饭量减少了，有可能有生病的风险，需要特别关注。

上图摘自《博物》杂志2023年01月

数据链路：

由于会对采集的数据进行统计分析，所以这里的数据分为两类：实时类数据和统计分析类数据。

（1）实时类数据：利用sci采集器和行空板，直接采集并通过物联网传输至显示侧，显示侧根据数据结果直接呈现对应的动画。

水量、饭量、温度、雨滴这些都是实时类数据，采集后可直接呈现虚拟兔子的不同状态。

（2）统计分析类数据：先将数据采集后利用物联网传输至显示侧，显示侧接收到数据后，更新到tinywebdb中，根据记录的历史信息，计算后再进行判断和呈现。

平均缺粮耗时、平均缺水耗时、缺粮次数、上次缺粮时间、上次缺粮耗时等属于统计分析类数据，经过计算后才对应呈现不同状态的兔子。

整体链路如下：

实现过程：

整个装置分为两组，一组部署在兔笼上，负责采集信息。一组部署在人的周围，负责分析数据并加以提醒。
第一组：由传感器和行空板构成。安装在兔笼上，采集兔笼的温度，湿度，食物和水等的实时数据。行空板连接到物联网，将实时数据与物联网进行同步。
第二组：由电脑构成。在mind+中绘制并构建虚拟的数字孪生兔子。虚拟兔子通过物联网获取真实兔子的实时数据。利用这些数据我们可以得知是否还有兔粮，是否还有充足的水，是否温度过热，是否最近饭量骤减等。通过数据分析，转换为预制的语音mp3，播放出小兔的需求，从而实现与小主人及时交流的功能。提升小主人对兔子的关注度。后续还可以增加移动端，在小主人旅游不在家的时候，也可以对兔子的生活情况进行监控。

上图为部署在兔笼上的硬件

物联网：

在电脑侧启动siot物联网，并设置需要用到的各个主题。在行空板（采集端）和电脑（显示侧）都需要连接物联网地址，并订阅各主题。

数据库（TinywebDB）：

其实这里也可以用excel作为数据库进行数据的保存和读取，不过我是觉得有点麻烦，就采用了TinywebDB来做存储和计算。

打开链接：http://tinywebdb.appinventor.space/

注册并登录自己的账号，将下图的内容记录下来，等下连接数据库的时候会用到。

点击数据浏览，进入数据库，可以开始设计需要用的字段。

采集端：

采集端是由行空板连接sci采集器和其他传感器，负责采集数据的。部署在兔笼附近。

采集端编程比较简单，主要是连接物联网，并将获取的数据，每隔10秒发送至物联网即可。在采集的同时，也将数据同步呈现在行空板上，方便实时查看。

代码如下：

显示端：

显示端用到的是电脑，原本是想用另一个行空板显示。但是考虑到想要自己独创造型，以及需要连接tinywebdb（行空板目前没有支持），所以改用电脑来呈现。后续的改进可能会继续转入行空板或安卓手机进行呈现，方便移动使用。

显示端我们设计了独创的表情包造型，一共六组角色：开心兔、饿兔子、渴兔子、湿兔子、热兔子、病兔子。每个角色的每个造型都是小朋友自己绘制的，非常可爱哦！

在背景我们做了主要的计算和数据接收，经过数据判断以广播的形式控制不同表情包的兔子进行动态呈现。

背景部分的代码：

这里比较难的部分是对生病的判断，我们需要知道它至今为止距离上次吃完兔粮过去的天数，如果这个天数（允许误差1天）大于平均每次吃完兔粮的天数，那么认为兔子可能最近胃口不太好，吃的很慢，需要多多关注了。

每个兔子角色的代码（以热兔子为例，其他雷同）：

可爱的兔子造型：

总结：

项目亮点

1、数据模型分析：除了使用传统实时数据之外，还采用了统计分析数据。利用对一段时间的数据采集，建立兔粮消耗的数据模型，通过计算和分析，得出预测性的信息，并及时进行提醒。

2、数字孪生：数字孪生的概念已经不是什么新的概念了，但大多都集中在大型组织机构，比如数字孪生电网，数字孪生城市等。落实在个体上，其实也是很好的应用场景，比如可以让不会说话，不善于表达的个体，更好的呈现出自己的各种状态，以便更有针对性的进行改善。

不足之处：

1、布线需要考虑兔子会啃咬，特别是埋在食盒里的传感器。当时安装的时候就一直要防着兔子上来，可能需要对食盒钻孔暗装，并且需要加装比较硬朗的防护装置。比如亚克力板之类覆盖其上，防止兔子啃咬传感器。一方面会破坏设备，另一方面如果误食对兔子也会造成不可逆的伤害。

2、优化数据模型的算法，可以增加兔笼清洁提醒的数据模型，对一段时间未打扫进行预估和判断，提醒主人及时清扫兔笼。

3、增加移动端的设计，方便便携使用。特别是当全家人外出时，更加需要关注萌宠的状态。增设一些兔笼端的互动，例如自动喂食等操作。