基于stm32嵌入式技術(shù)的智能藥盒設(shè)計

吳振磊 顧楚楚

摘要：科技讓我們的生活更加美好，近些年來，伴隨著微電子技術(shù)、微機械控制技術(shù)、大型集成電路技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)在人們的學(xué)習(xí)、生活、工作中得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹了一款基于STM32技術(shù)的智能型藥盒，可以實現(xiàn)監(jiān)督老年人按時吃藥并通過通信系統(tǒng)及時將信息反饋到APP端。本設(shè)計采用模塊化設(shè)計，設(shè)計難度適中，成本較低，易于維護，使用方便，滿足日常需求，可為智慧養(yǎng)老醫(yī)療系統(tǒng)提供良好的支撐。

關(guān)鍵詞：智能藥盒;STM32芯片;嵌入式技術(shù);

1 ??引言

國民經(jīng)濟的發(fā)展不斷提高人民的生活水平，人們越來越注意生活的品質(zhì)。隨著生育率逐漸降低，社會人口老齡化問題逐漸凸顯出來，如何贍養(yǎng)好老年人成為社會關(guān)注和亟需解決的問題。而隨著通信和計算機等高科技的快速發(fā)展，計算機智能輔助技術(shù)在日常生活中對老年人醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用一直備受關(guān)注。將智能輔助技術(shù)應(yīng)用到老年人的醫(yī)療中是當(dāng)下技術(shù)應(yīng)用的一個典范，隨著產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代，智能化的藥盒將具有更加豐富的功能，通過藥盒的數(shù)據(jù)記錄老年人服藥數(shù)據(jù)，可以提供良好的藥療分析數(shù)據(jù)，可以讓醫(yī)生更好的了解患者情況并對癥下藥。

因此針對這種現(xiàn)狀，本文設(shè)計了一種家用智能藥盒，具有較高的應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義。本設(shè)計是一款基于STM32嵌入式技術(shù)智能藥盒。該藥盒可根據(jù)實際情況設(shè)定藥物的種類和服藥時間，實現(xiàn)對老年人每天定時提醒，提醒使用者服用多種藥物中的一種或多種，以幫助服藥者按時服藥，緩解病狀。

2 ??基本控制要求

為滿足使用者越來越復(fù)雜多樣的要求，本設(shè)計通過對APP端設(shè)定時間和藥物種類后，經(jīng)由通信模塊發(fā)送至藥盒控制器中，控制器接受指令以后，根據(jù)設(shè)定情況分類定時，以聲音和警示燈的方式提醒使用者服藥，在使用者服藥以后單片機通過信息采集模塊將數(shù)據(jù)及時反饋給APP并記錄于APP后臺，護理人員可以了解使用者的服藥情況。

根據(jù)設(shè)計要求，該藥盒主要由控制模塊、通信模塊、電源模塊、提示模塊和軟件APP等組成。

控制模塊：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理及指令發(fā)送;

通信模塊：負(fù)責(zé)單片機與APP間的通信數(shù)據(jù)傳輸;

電源模塊：為各個模塊供電，保證系統(tǒng)正常運行;

提示模塊：發(fā)出提示聲音和警示燈，提醒并引導(dǎo)用戶定時服藥;

檢測模塊：檢測使用者服藥情況，并及時反饋給控制器;

軟件APP：設(shè)定服用藥物的類型和時間并及時反饋給控制器。

3 ??單元電路分析與實現(xiàn)

3.1 控制模塊

本設(shè)計采用STM32F103單片機作為主控芯片。STM32F103是當(dāng)前主流控制芯片，該芯片支持在線仿真等多種仿真模式，使用領(lǐng)域廣泛、開發(fā)者眾多。在智慧醫(yī)療、智慧養(yǎng)老、智能家居控制等領(lǐng)域中都發(fā)揮了重要的作用。本設(shè)計作為智慧養(yǎng)老的重要一環(huán)，后期必須具有強大的擴展能力和組網(wǎng)能力，采用STM32F103作為主控制芯片，可實現(xiàn)后期的潛力開發(fā)和通信方式的多樣化。

STM32F103單片機是基于ARM的32位通用增強型微控制器，支持實時仿真和跟蹤。由Cortex-M3內(nèi)核D-bus、S-bus、DMA1、DMA2和以太網(wǎng)DMA五個驅(qū)動單元，內(nèi)部SRAM、閃爍存儲器和連接所有APB設(shè)備的AHB2APBx三個被動單元組成。該控制器實時性能好、功耗低、強大的處理能力和最大程度的集成整合，易于開發(fā)。

STM32與其他單片機相比具有以下優(yōu)勢：

1.與51系列相比，STM32F103采用當(dāng)前移動端廣泛使用的ARM構(gòu)架，功耗低，技術(shù)成熟;

2.與MSP430相比可進行位操作，接口使用方便簡單，學(xué)習(xí)難度小;

3.與其它8/16位單片機相比，內(nèi)存更大、處理速度快，可開發(fā)潛力更大;

4.應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，開發(fā)難度小。

主控模塊電路圖的設(shè)計如圖1所示。

3.2 通信模塊

通信技術(shù)方面可采用藍(lán)牙技術(shù)。相比于其他通信技術(shù)，藍(lán)牙可連接多個設(shè)備，廣泛應(yīng)用于計算機、網(wǎng)絡(luò)和消費電子領(lǐng)域，具有成本低、穩(wěn)定性好、技術(shù)成熟、開發(fā)簡單等特點，數(shù)據(jù)傳輸可達10米，完全滿足本設(shè)計要求，而且其數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩苑浅８摺?/p>

利用通用藍(lán)牙模塊作為本設(shè)計的無線通信模塊，該模塊支持串口通信，支持SPP串口協(xié)議，信號較好，傳輸速率較高。本設(shè)計中采用了JDY-30藍(lán)牙模塊，其特點是支持 Android 手機 SPP 通信、內(nèi)置 PCB 天線、支持 UART 接口、功耗低。在與主控芯片連接時，只需要將藍(lán)牙模塊中的TXD和RXD分別連接芯片的RXD和TXD端。

3.3 電源模塊

電源作為整個系統(tǒng)的重中之重，是整個系統(tǒng)的能量來源。首先采用常規(guī)手機充電器將220V交流電轉(zhuǎn)成5V直流電以后再進入藥盒內(nèi)部，但由于在整個系統(tǒng)中存在3.3V和5V兩種直流電需求，需要將5V轉(zhuǎn)換成3.3V以滿足個單元電路的電源需求。因此本設(shè)計選用了AMS1117-3.3芯片作為電源轉(zhuǎn)換芯片。

AMS1117-3.3是一種低漏失電壓調(diào)整器，輸出3.3V，帶保護可靠性極高。體積小，價格低，設(shè)計簡單，該芯片屬于穩(wěn)壓輸出，利用AMS1117-3.3經(jīng)典電源轉(zhuǎn)換電路，將輸入的5V直流電轉(zhuǎn)為3.3V直流電。電源轉(zhuǎn)換電路圖如圖2所示。

3.4提示模塊

提示模塊作為該設(shè)計輸出部分，必須具有可靠的提醒作用。由于老年人本身的身體情況不佳，只采用單一的提示方式可能會存在容易遺漏或容易忽視等特點，因此本設(shè)計中采用蜂鳴器+LED的聲光雙重提醒方式，增加提醒的有效性。

蜂鳴器作為有源電子訊響器，采用的是5V直流電壓供電，電路中采用8050三極管來驅(qū)動，其最大電流500MA，放大倍數(shù)在10-60倍。本模塊采用5V供電，按照放大50倍計算，采用100歐電阻最為合適，通過單片機輸出高電平實現(xiàn)報警，其電路原理圖如圖3所示：

LED燈是一種基于半導(dǎo)體材料的發(fā)光管，是一種高亮度低功耗的二極管燈。該燈在節(jié)能領(lǐng)域有著很大的作為。本設(shè)計采用LED與電阻串聯(lián)，降低電路電流，并將單片機引腳端作為流入端。引腳呈現(xiàn)低電壓LED燈發(fā)光，反之關(guān)閉。由于單片機引腳功率有限，其管腳電流最大不超過25MA，總的電流不超過150MA，為防止電流對單片機引腳的沖擊，和將LED置于合適亮度，因此采用1K電阻，作為限流電阻，其具體電路原理圖如圖4所示。

3.5 開關(guān)檢測電路

信號的接收與轉(zhuǎn)換是通過開關(guān)實現(xiàn)的。當(dāng)撥動開關(guān)處于1位置，單片機管腳接收到0，撥動到2位置，單片機管腳接收到1信號。通過這種轉(zhuǎn)換實現(xiàn)藥盒是否使用的檢測。其電路圖如圖5所示。

3.6 APP程序

由于本APP主要支持Android平臺，因此可采用如Android SDK、JDK、Eclipse+ADT等開發(fā)工具，APP編程采用JAVA語言模塊化編程，主要包括：

藍(lán)牙接口設(shè)計：由于該設(shè)計在硬件與軟件通信采用的是藍(lán)牙通信模塊，所以本APP在接口設(shè)計中需要調(diào)用startDiscover（ ）方法使用藍(lán)牙，并通過對接實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，本設(shè)計搜索時間設(shè)定為13s左右，同時加入了連接失敗報警。

廣播及數(shù)據(jù)處理：在進行APP與藍(lán)牙連接時需要調(diào)用blueadapter.startDiscovery （ ）進行廣播搜索對接，在通過一段時間的廣播搜索以后進行配對，配對完成以后實現(xiàn)數(shù)據(jù)對接。通過APP端的設(shè)置窗口實現(xiàn)對時間和藥盒編號的設(shè)定并通過藍(lán)牙節(jié)后寫入芯片內(nèi)部，進而實現(xiàn)APP端對硬件的間接控制。

定時功能設(shè)計：由于APP與主控芯片之間需要通過藍(lán)牙實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫，因此APP中需要設(shè)計時間控制及接口數(shù)據(jù)的預(yù)處理。在實現(xiàn)通信的之前需要實現(xiàn)設(shè)備的必須實現(xiàn)對接，不通過線程獲取輸出和輸出實現(xiàn)數(shù)據(jù)分享，本設(shè)計可采用函數(shù)封裝，方便簡單。

4 ??結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于STM32F103嵌入式技術(shù)的智能藥盒，旨在積極引導(dǎo)服藥者按時分類吃藥。該藥盒利用APP程序，方便使用者設(shè)定時間和數(shù)據(jù)記錄，可以作為智慧養(yǎng)老或者智能家居的得力助手。由于該設(shè)計采用模塊化設(shè)計，技術(shù)方案相對簡單，設(shè)計的穩(wěn)定性強、維護簡單。同時，利用STM32F103作為控制芯片，處理速度快，實時性好，開發(fā)潛力巨大。

參考文獻

[1]郭志彪，蘇恭超.基于藍(lán)牙4.0和APP控制的智能藥盒設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2017，36（23）：86-88+92.

[2]江達飛.基于MSP430F5529的智能交互藥盒設(shè)計[J].科技視界，2016（14）：61+74.

[3]張文靜. 基于老年人生活形態(tài)的智能藥盒設(shè)計研究[D].西安工程大學(xué)，2017.

[4]楊繼森，楊長才，趙立鑫.智能電子藥盒研究與設(shè)計[J].測控技術(shù)，2016，35（04）：67-71.

[5]?譚浩強.C程序設(shè)計（第三版）.北京：清華大學(xué)出版社，2005.7

[6]?霍孟友.單片機原理與應(yīng)用[M?].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[7]Warren Gay. SPI Flash[M].Apress：2018-06-08.

[8]鄺愛華.基于STM32的智能家居系統(tǒng)基本實現(xiàn)[J].微型電腦應(yīng)用，2019，35（04）：136-140.

作者簡介：吳振磊（1981-），男，江蘇蘇州人，碩士，講師，研究方向：電子信息工程技術(shù)。