基于EFM32和GSM的智能藥盒監(jiān)測系統(tǒng)設計*

李志強, 高繼森, 田浩杉, 胡亞琦

(蘭州交通大學 電子與信息工程學院,甘肅 蘭州 730070)

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基于EFM32和GSM的智能藥盒監(jiān)測系統(tǒng)設計*

李志強, 高繼森, 田浩杉, 胡亞琦

(蘭州交通大學 電子與信息工程學院,甘肅 蘭州 730070)

針對越來越多長期服藥的老年慢性病患者因誤服藥而發(fā)生危險后果的情況,提出了一種基于EFM32和GSM的智能藥盒系統(tǒng)的方案。高精度稱重傳感器輸出的信號通過CS1242模塊轉(zhuǎn)換后,主控制器EFM32通過UART讀取測量值,并通過軟件上的算法修正,排除噪聲干擾的影響后,將采集的數(shù)據(jù)通過GSM上傳到服務器并獲取操作指令,完成與PC端管理平臺或移動端的實時互相通信。系統(tǒng)能夠有效提醒患者準時服藥,且能夠監(jiān)測藥品重量變化實現(xiàn)對患者服藥的歷史統(tǒng)計,在評估患者服藥依從性方面有重要意義。

壓力傳感器； EFM32； 全球移動通信系統(tǒng)； 智能藥盒

0 引 言

針對常見慢性病[1]的治療和管理,其基礎在于對患者的日常行為及其疾病狀況數(shù)據(jù)的采集,根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果分析和應用等方面做出對患者針對性的管理方案。未來的慢病管理將會步入互聯(lián)網(wǎng)時代,通過智能化的軟硬件結(jié)合,提升數(shù)據(jù)的可視化輔助分析,同時線上、線下落實服務,最終實現(xiàn)對智能化硬件采集的數(shù)據(jù)完成更合理的利用[2]。

為了準確收集到患者的日常服藥數(shù)據(jù)供醫(yī)生分析,提出了基于EFM32和GSM的智能藥盒系統(tǒng)采集數(shù)據(jù),采用基于應變測量原理的壓力傳感器[3],監(jiān)測系統(tǒng)具有精度高、測量壽命長、結(jié)構簡單、技術成熟、成本低廉、頻響特性好,能在惡劣條件下工作,同時也非常容易實現(xiàn)小型化。監(jiān)測系統(tǒng)滿足實際應用中對患者微小藥品的重量變化的精度要求,有助于提高醫(yī)生等慢病管理者對患者的服藥依從性[4]進行準確分析以及智能化的管理水平。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)總體硬件電路設計框圖如圖1所示,壓力傳感器輸出的模擬差分信號輸入至可編程模/數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)CS1242[5]的信號輸入引腳,CS1242可以選擇將信號輸入通道模擬緩沖器(Buffer)或者直接將信號輸入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,通過UART串行接口與主控制器連接。系統(tǒng)工作時,EFM32按照串口通信協(xié)議命令CS1242采集信號,讀取采集結(jié)果并進行軟件算法修正后,排除干擾得到測量值,將結(jié)果采用Protobuf[6]協(xié)議的方式通過GSM無線發(fā)送至服務器記錄,管理平臺或APP端實時顯示服務器記錄結(jié)果并提供準確的數(shù)據(jù)化分析,同時也將操作指令即服藥數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)配置信息命令等交給服務器,并采用Protobuf協(xié)議發(fā)送給控制器,供EFM32執(zhí)行智能化服藥提醒功能。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,系統(tǒng)擴展外部FLASH存儲模塊用于存儲應服藥品的數(shù)據(jù)、智能硬件異常記錄以及系統(tǒng)配置等信息。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 AD采集模塊

CS1242是高精度、低功耗Σ—Δ模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,有效分辨率達22位。CS1242輸出通道,可以選擇輸入通道模擬緩沖器或者直接將信號輸入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),模擬緩沖器可以有效提高芯片的輸入阻抗。CS1242提供的1～128倍可編程增益放大器,在128倍時,CS1242有效分辨率可達18 bit。調(diào)制器是一個二階Σ—Δ調(diào)制器,芯片的FIR濾波器提供50 Hz和60 Hz陷濾波,有效提高芯片的抗干擾性能。并且CS1242為雙通道可編程ADC,可以采集兩路傳感器數(shù)據(jù),滿足系統(tǒng)多樣化測重需求。處理器通過UART與CS1242通信,其通信協(xié)議如表1。

表1 處理器與CS1242通信協(xié)議

2.2 處理器模塊

MCU是整個系統(tǒng)的核心,為了將采集到的各個傳感器的數(shù)據(jù)實時、有效地記錄并處理,系統(tǒng)選用Energy Micro公司推出的EFM32型微處理器作為主控制模塊,該處理器基于32位ARM Cortex-M3平臺,適合各種電池供電應用,在保持高性能的同時功耗較低,特有的LETIMER低功耗定時器可以在大部分器件關閉的情況下、或者系統(tǒng)保持很低功耗情況下仍然計時和產(chǎn)生輸出。其豐富的引腳及外設資源容易滿足系統(tǒng)的開發(fā)與擴展。

2.3 GSM模塊

GSM模塊也是系統(tǒng)關鍵的部件之一,系統(tǒng)采用了SIMCom公司的SIM800C模塊,該模塊功耗低,在最小功能模式下的功耗為0.6 mA,工作電壓范圍為3.4～4.4 V,可支持4頻GSM/GPRS,在自動波特率模式下可以自動檢測適應主機的波特率,模塊還可以提供GSM語音。

為了提高系統(tǒng)的可靠性,主控制器每隔50 min需要通過SIM800C與服務器通信一次,以保證控制器時鐘與服務器時鐘同步,記錄的重量變化時間點準確,才能保證服藥記錄的數(shù)據(jù)是有意義的。

出現(xiàn)網(wǎng)絡異常時,數(shù)據(jù)無法上傳服務器,則將所有異常情況下的數(shù)據(jù)存儲在FLASH模塊中,等待主控制器重新發(fā)送AT指令初始化SIM800C模塊,首先SIM800C模塊引腳Powerkey拉低1 s重啟開機,其次控制系統(tǒng)中所使用的初始化AT命令,過程如下:開機之后循環(huán)發(fā)送AT,每500 ms發(fā)一次,接收到OK時,表示串口通；收到正確應答后,發(fā)“AT+CPIN?”,如果未收到正確應答,以每500 ms為間隔循環(huán)發(fā)送,最多發(fā)20次；當收到正確應答后(CPIN READY是正確應答)。發(fā)“AT+CSQ”,如果未收到正確應答,以每500 ms為間隔循環(huán)發(fā)送,最多發(fā)100次；當收到正確應答后(CSQ≠0正確應答)。發(fā)“AT+CGATT?”,如果未收到正確應答,以每500 ms為間隔循環(huán)發(fā)送,最多發(fā)100次；當收到正確應答后(+CGATT: 1,該值必須為1),表示模塊初始化及注冊網(wǎng)絡已成功,然后進行數(shù)據(jù)發(fā)送。如圖2為GSM模塊電路。

圖2 GSM模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 主程序設計

系統(tǒng)軟件使用EFM32開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境IAR,采用C語言編寫,分立模塊設計,主要流程包括:系統(tǒng)和外設初始化、功能模塊初始化、秤校準流程、GSM流程、磁控檢測流程、智能藥盒邏輯流程、LED(背景及時段顯示燈)流程、AD數(shù)據(jù)采集流程、數(shù)據(jù)處理與保存流程。

圖3 主程序流程

3.2 數(shù)據(jù)采集流程

系統(tǒng)進入AD采集流程后,EFM32首先初始化端口并清除傳感器計數(shù)標志位。然后參照通信協(xié)議發(fā)送命令給CS1242,執(zhí)行相應的步驟。命令簡介如下:獲取重量{0xCA,0x06,0x01,0x04,0x00,0x00,0x00,0x00,0x03}；對傳感器執(zhí)行零點標定{0xCA,0x06,0x01,0x03,0x00,0x00,0x00,0x00,0x04}；以及喚醒CS1242{0xCA,0x06,0x01,0x06,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01}等。通過發(fā)送對應命令完成CS1242自校正以糾正溫漂和誤差。如圖4所示為AD采集流程。

圖4 AD采集流程

3.3 數(shù)據(jù)處理

為了確保測量結(jié)果的可靠性,除了在傳感器安裝結(jié)構上采取減震抗干擾措施以外,EFM32硬件上對實時采集到的數(shù)據(jù)進行軟件修正。由于采集的重量為離散數(shù)據(jù),而系統(tǒng)所用CS1242采集數(shù)據(jù)后的最小檢測重量為25 mg，為了對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行分析,選擇50 mg作為臨界變化跳躍值。每次采集均循環(huán)記錄一組20個值,記錄在x[n]中,首先,去除最大值 max{x[n]}和最小值min{x[n]},然后將剩余數(shù)值取加權均值作為參考值,其中越早采集的數(shù)據(jù)權重越低,然后排除掉所有與參考值之差大于臨界變化的記錄值,其過程可表示為

(1)

(2)

式中y[n]即為軟件過濾后的采樣值。計算出均值,作為本次采集到的最終結(jié)果。

3.4 數(shù)據(jù)發(fā)送

系統(tǒng)采用GPRS數(shù)據(jù)流量的方式完成處理器與服務器的交互,在GSM模塊初始化及注冊網(wǎng)絡已成功的條件下,處理器通過串口給GSM模塊發(fā)送命令的方式完成檢測當前網(wǎng)絡狀態(tài)、查詢信號強度、激活網(wǎng)絡、設置參數(shù)、發(fā)送數(shù)據(jù)等。如圖5為數(shù)據(jù)發(fā)送流程。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送流程

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

完成測試藥品信息的配置,對一種測試藥品實施連續(xù)多個時段的服藥過程實驗,監(jiān)測整個服藥歷史進行分析和處理。測試藥品單元的重量規(guī)格為120 mg,系統(tǒng)監(jiān)測中定義重量最少減少80 mg則判斷藥品單元被取走即已服藥。依據(jù)表2中數(shù)據(jù)可以看出,采集到的數(shù)據(jù)最大誤差為45 mg,在系統(tǒng)設計參數(shù)50 mg以內(nèi)。由于傳感器在結(jié)構安裝上會造成一定的物理影響,通過軟件上的過濾處理,服藥正確判斷率達94 %,表明系統(tǒng)完全滿足重量為80 mg藥品單位以上的監(jiān)測設計要求。

表2 稱重測試結(jié)果

5 結(jié)束語

系統(tǒng)采用EFM32處理器,利用傳感器技術以及GSM通信技術實現(xiàn)了遠程監(jiān)測服藥功能的智能藥盒,系統(tǒng)在應用過程中,如出現(xiàn)漏服藥或者未按時服藥等異常情況時可及時聲光報警,并將相應的記錄信息顯示在PC或者APP端[8]。實際測試證明:統(tǒng)計信息可以給醫(yī)生或者藥師直觀的評判標準,采集數(shù)據(jù)與實際服藥數(shù)據(jù)基本保持一致,同時系統(tǒng)功耗低,運行穩(wěn)定,實時性良好,在滿足老年慢性病患者服藥智能化提醒的同時,能夠準確及時地記錄下服藥歷史,有助于管理者通過數(shù)據(jù)及時做出相應的管理方案。

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Design of smart pill box monitoring system based on EFM32 and GSM*

LI Zhi-qiang, GAO Ji-sen, TIAN Hao-shan，HU Ya-qi

(School of Electronic and Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

Aiming at situation that more and more aging people who have chronic diseases taking medicine for a long time once take by mistake will cause serious problems,put forward a scheme for smart pill box case system which based on EFM32 and GSM.After the signal which high precision sensor output transformed by CS1242 module,the main controller EFM32 read value through UART,and modify the algorithm,exclude the by impact of the noise.And then upload the obtained value by GSM,at the same time,get command,finish real-time communication with PC manage platform or mobile terminal.This system can effectively remind patients to take medicine timely and it can statistic the history of patients taken medicine by monitoring medicine weight,change which takes important significance in evaluating the dependency of patients on medicine.

pressure sensor； EFM32； global system for mobile communication(GSM)； smart pill box

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0089—03

2016—09—20

甘肅省自然科學基金資助項目(145RJZA034)

TP 277

A

1000—9787(2017)08—0089—03

李志強(1989-),男,碩士研究生,主要研究方向為圖像處理。