基于STM32的智能語(yǔ)音藥箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊瑞萍，陳博

（濟(jì)南職業(yè)學(xué)院，山東濟(jì)南，250100）

0 前言

權(quán)威統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截止到2019年末，中國(guó)60歲以上的老年人口數(shù)已經(jīng)超過(guò)2.5億，人口老齡化衍生出的問(wèn)題逐漸加重。在這一群體中，超七成的老年人正在被至少一種慢性病所困擾，需要依靠長(zhǎng)期服藥來(lái)維持正常生活，然而有相當(dāng)一部分老年人記憶力減退，甚至患有健忘癥，時(shí)常忘記服藥，給身體健康造成很大隱患。另一方面，大型醫(yī)療機(jī)構(gòu)每天都要接診很多患者，開(kāi)出大量藥方，傳統(tǒng)的配藥方式對(duì)配藥護(hù)士的勞動(dòng)強(qiáng)度要求較大，且容易出現(xiàn)失誤。針對(duì)這兩種現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出了一款可以識(shí)別用戶語(yǔ)音信息的智能語(yǔ)音藥箱控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可以提醒老年人按時(shí)服藥，方便藥物的存取，又可以應(yīng)用于醫(yī)療機(jī)構(gòu)的配藥工作中，減輕醫(yī)務(wù)工作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高配藥的速度和準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)方案

■1.1 功能分析

該系統(tǒng)使用基于ARM Crotex-M3內(nèi)核的32位單片機(jī)STM32F103C8T6作為控制芯片，該芯片功能強(qiáng)大，功耗較低，引腳數(shù)量適中，便于進(jìn)行功能擴(kuò)展，完全能夠應(yīng)對(duì)智能語(yǔ)音藥箱產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、鍵盤輸入檢測(cè)、定時(shí)報(bào)警提醒以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)等四大功能。語(yǔ)音識(shí)別功能主要是對(duì)用戶的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)用戶說(shuō)出的藥品名稱與系統(tǒng)預(yù)設(shè)值匹配成功時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能即發(fā)揮作用，自動(dòng)打開(kāi)存放相應(yīng)藥品的藥箱；此外，用戶也可通過(guò)鍵盤手動(dòng)打開(kāi)相應(yīng)藥箱，即鍵盤輸入檢測(cè)功能。定時(shí)報(bào)警提醒功能則可以提醒用戶按時(shí)服藥。

圖1 系統(tǒng)硬件電路

■1.2 系統(tǒng)框圖

根據(jù)功能分析，確定了系統(tǒng)總體框圖。系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)控制電路、電源電路、語(yǔ)音識(shí)別電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路和鍵盤檢測(cè)電路等幾部分組成，各部分之間的聯(lián)系如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)充分考慮了產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)需求，在保證系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定工作的前提下，對(duì)主要元器件的價(jià)格、體積、主要性能指標(biāo)等因素做了充分考慮。系統(tǒng)硬件主要由電源電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、語(yǔ)音信號(hào)輸入與識(shí)別電路、鍵盤輸入電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等幾部分組成，各部分具體介紹如下。

■2.1 電源電路

用戶可以使用5mm DC插座或micro_USB接口為系統(tǒng)提供5V直流電源，該電源一部分直接供給繼電器用以驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)藥箱抽屜的直流減速電機(jī)，另一部分經(jīng)過(guò)芯片AMS1117-3.3的穩(wěn)壓降壓以及外圍濾波電路的處理后產(chǎn)生3.3V電壓供給STM32單片機(jī)和語(yǔ)音信號(hào)處理模塊等器件使用。

■2.2 STM32最小系統(tǒng)電路

該部分主要由STM32F103C8T6單片機(jī)及其復(fù)位電路、8MHz時(shí)鐘電路、32kHz時(shí)鐘電路等組成，是單片能過(guò)正常工作的最基本電路，另外，為了方便系統(tǒng)的調(diào)試和升級(jí)等工作，這里還加入了串口、程序下載、BOOT啟動(dòng)方式選擇等接口。

■2.3 語(yǔ)音識(shí)別模塊和鍵盤輸入電路

語(yǔ)音信號(hào)的采集和識(shí)別功能主要由集成IC LD3320實(shí)現(xiàn)。該芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)有專門的語(yǔ)音信號(hào)處理器，最多支持50條關(guān)鍵詞的輸入；有單聲道模數(shù)轉(zhuǎn)換和雙聲道數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可外接話筒和揚(yáng)聲器等設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)工作電壓3.3V，在省電模式下的工作電流僅為1μA。

鍵盤輸入電路以獨(dú)立按鍵的方式接入到STM32，本設(shè)計(jì)共有4路輸入，因此采用4個(gè)輕觸按鍵即可。

■2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)用戶的語(yǔ)音與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的語(yǔ)音匹配成功后，STM32即驅(qū)動(dòng)相應(yīng)藥箱的電動(dòng)機(jī)工作，使藥箱打開(kāi)或關(guān)閉。由于該型號(hào)單片機(jī)GPIO的帶負(fù)載能力極其微弱，因此不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，這里采用5KV高隔離電壓的PC817光電耦合器、NPN型三極管S9014和額定電壓5V的HK4001F型繼電器等元器件實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)。控制藥箱1開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖2所示，這種設(shè)計(jì)使負(fù)載和主控電路完全隔離，可以有效減小不必要的電路干擾，增加系統(tǒng)安全性。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

圖3 系統(tǒng)主程序流程

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件使用C語(yǔ)言在Keil 5嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行編寫。該系統(tǒng)控制對(duì)象較多，因此采用模塊化的程序編寫方式，主要由語(yǔ)音識(shí)別模塊配置程序、系統(tǒng)中斷、按鍵檢測(cè)程序和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序等幾部分組成。

■3.1 主程序流程

智能語(yǔ)音藥箱控制系統(tǒng)的主程序流程如圖3所示。該程序主要為使用者提供了三種功能：語(yǔ)音信號(hào)輸入識(shí)別與藥箱自動(dòng)開(kāi)啟、定時(shí)用藥提醒和按鍵檢測(cè)與藥箱手動(dòng)開(kāi)啟。

■3.2 語(yǔ)音識(shí)別模塊配置程序

語(yǔ)音識(shí)別程序的編寫主要分為模塊初始化、識(shí)別列表寫入、信息識(shí)別以及中斷配置等幾步。舉例說(shuō)明：當(dāng)用戶有將存放有降壓藥物“伲福達(dá)”的藥箱打開(kāi)的需求時(shí)，在程序的相應(yīng)位置寫入小寫漢語(yǔ)拼音“ni fu da”，且每?jī)蓚€(gè)拼音之間用一個(gè)空格隔開(kāi)即可。當(dāng)用戶的信息與系統(tǒng)預(yù)設(shè)信息比對(duì)成功后，模塊產(chǎn)生中斷，向單片機(jī)反饋比對(duì)結(jié)果，若比對(duì)成功，則單片機(jī)輸出相關(guān)控制信號(hào)，打開(kāi)存放有伲福達(dá)的藥箱，延時(shí)一段時(shí)間后關(guān)閉藥箱。其中，模塊的識(shí)別列表寫入程序流程如圖4所示。

圖4 識(shí)別列表寫入程序流程

■3.3 鍵盤檢測(cè)程序

系統(tǒng)的4個(gè)輕觸按鍵分別控制相應(yīng)藥箱的開(kāi)合，按下一次按鍵相應(yīng)藥箱打開(kāi)，再按一次藥箱關(guān)閉。輕觸按鍵的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)使其在按下時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象，產(chǎn)生許多尖銳的不規(guī)則高電平信號(hào)，俗稱“毛刺”，會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)有效性的判斷，因此在設(shè)計(jì)程序時(shí)需做好軟件去抖。

圖5 智能語(yǔ)音藥箱控制系統(tǒng)PCB板圖

4 印制電路板設(shè)計(jì)

印制電路板（Printed circuit boards，PCB）是各種電子元件重要的支撐體和電氣連接載體。從普通消費(fèi)類電子，再到醫(yī)療電子、通信電子、軍工電子，幾乎所有電子產(chǎn)品中都有PCB的身影。在對(duì)智能語(yǔ)音藥箱控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試并確保功能得以實(shí)現(xiàn)后，最后進(jìn)行產(chǎn)品的PCB版圖設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)的電路原理圖使用Cadence公司的ORCAD Cap ture軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，之后導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)表，在PADS Layout VX2.4和PADS Router VX2.4兩款軟件中進(jìn)行PCB的布局和布線。PADS是Mentor Graphics公司研發(fā)的一款市場(chǎng)主流PCB設(shè)計(jì)軟件，功能強(qiáng)大，操作方便，在消費(fèi)類電子產(chǎn)品的硬件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工作中占有較大的市場(chǎng)份額。

系統(tǒng)PCB采用雙層板，單面元器件布局、雙面元器件布線的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，板子尺寸為96.0mm×92.0mm，并在四周添加定位孔和MARK點(diǎn)，便于產(chǎn)品的自動(dòng)化貼裝焊接生產(chǎn)與安裝。在對(duì)PCB版圖文件進(jìn)行連接性和安全間距檢查并確定結(jié)果無(wú)誤后，輸出可供電路板板廠生產(chǎn)作業(yè)的GERBER文件。最終設(shè)計(jì)好的PCB 版圖文件如圖5所示。

5 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)社會(huì)老齡化速度正逐漸加快，老年人身患多病、用藥品類復(fù)雜的問(wèn)題也日趨嚴(yán)重，但老年病人因?yàn)橛洃浟p退忘記服藥、混合用藥和漏服藥物等原因所造成的不能完全遵醫(yī)囑服藥的現(xiàn)象卻屢見(jiàn)不鮮，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí){其生命安全。老年人安全用藥問(wèn)題儼然成為一個(gè)社會(huì)熱點(diǎn)，對(duì)此提出一個(gè)完善的解決方案刻不容緩。鑒于這種情況，研發(fā)出這樣一款帶有按時(shí)用藥提醒和語(yǔ)音識(shí)別開(kāi)關(guān)的智能藥箱很有必要。本系統(tǒng)共可控制4個(gè)藥箱工作并留有功能擴(kuò)展接口，必要時(shí)可以進(jìn)行功能擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)十個(gè)甚至更多藥箱的智能化管理與控制。進(jìn)過(guò)多次實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便，進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)之后可為家庭中老年人的藥品存放與服用提供不少便利，亦可服務(wù)于醫(yī)療機(jī)構(gòu)的配藥工作中，解放出相關(guān)醫(yī)務(wù)工作者的勞動(dòng)力，更好的去服務(wù)患者的治療護(hù)理等工作。