家庭智能管理藥箱的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

俞昊 杜丹蕾 韋美雁 陳宇龍 侯長發(fā) 文昕

摘? 要： 為了解決家庭儲存藥品的繁瑣藥品管理問題，設(shè)計(jì)了以STM32F103VE為硬件平臺的家庭智能藥箱。采用嵌入式技術(shù)集成了條碼掃描識別模塊，WiFi模塊，語音播報(bào)模塊，顯示模塊，環(huán)境監(jiān)測模塊等，實(shí)現(xiàn)了藥品智能入庫、按時(shí)服藥提醒、藥品過期提醒、藥箱內(nèi)溫濕度監(jiān)測等功能。

關(guān)鍵詞： 嵌入式技術(shù); 條碼掃描識別; WiFi; 語音播報(bào)

中圖分類號：TP311.13? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2021）09-63-03

Abstract： In order to solve the cumbersome drug management problem of storage drugs in home， a family intelligent medicine box based on STM32F103VE is designed. Embedded technology is adopted to integrate bar code scanning and recognition module， WiFi module， voice broadcasting module， display module and environment monitoring module etc.， and realize the functions of drug intelligent warehousing， reminder of taking medicine on time， reminder of drug expiration， and temperature and humidity monitoring in the medicine box.

Key words： embedded technology; barcode scanning; WiFi; voice broadcast

0 引言

當(dāng)今世界新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方興未艾，數(shù)字技術(shù)飛速發(fā)展，智能化的概念已經(jīng)滲透到了各行各業(yè)以及我們生活中的方方面面，而嵌入式技術(shù)的發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)世界的到來，給智能家居產(chǎn)品帶來了發(fā)展契機(jī)[1]，與此同時(shí)，隨著生活水平的不斷提高，普通的傳統(tǒng)藥箱實(shí)現(xiàn)的功能已經(jīng)不能滿足人們的需求，人們期待產(chǎn)品更智能化和人性化。

國內(nèi)老齡化態(tài)勢日趨嚴(yán)峻，2019年超過60歲的老人已有2.5億，占全國人口的18.1%，其中約有1.8億老人身患各種慢性疾病。人口老齡化問題已成為我國前所未有的重大挑戰(zhàn)[2]。人隨著年齡的增長，患上慢性疾病的概率也隨之增大，慢性疾病需要長期服藥，由于老年人記憶力差，又缺少子女、家人陪伴和指導(dǎo)，所以忘記服藥或錯誤用藥的現(xiàn)象十分普遍。如果病人不正確按照醫(yī)囑用藥，會導(dǎo)致病情惡化，乃至威脅到病人的生命安危。針對以上的情況，設(shè)計(jì)一款提醒老人正確服藥，幫助家庭管理藥品，允許家人遠(yuǎn)程獲悉老人用藥情況的集智能化和人性化的家庭藥箱刻不容緩。

1 家庭智能藥箱整體架構(gòu)

對于本家庭智能藥箱所實(shí)現(xiàn)的功能和應(yīng)用場景，在搭建具體硬件平臺時(shí)，需要考慮硬件系統(tǒng)占用的空間應(yīng)該盡量小、且性能要保證穩(wěn)定。藥箱的主控系統(tǒng)采用的是STM32F103VET6芯片，外部的主要功能模塊包括了ESP8266WiFi模塊，MD300條碼掃描識別模塊，SYN6288語音合成模塊，LCD顯示模塊，DHT11溫濕度模塊等，主要的任務(wù)是完成藥品的自動入庫，提醒用戶按時(shí)吃藥，以及通過WIFI模塊實(shí)現(xiàn)與安卓端交互。家庭智能藥箱整體架構(gòu)如圖1所示。

2 家庭智能藥箱硬件各模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊設(shè)計(jì)

主控單元采用的是STM32F103VET6芯片，STM32F103VET6是32位Cortex-M3內(nèi)核的新型處理器。它具有更多片內(nèi)RAM和外設(shè)，其出色的性能和豐富的資源幾乎不需要擴(kuò)展外圍電路就能滿足一般的設(shè)計(jì)要求，硬件設(shè)計(jì)大為簡化，且執(zhí)行速度和內(nèi)存容量完全滿足主控模塊的多任務(wù)實(shí)時(shí)應(yīng)用[3]。有100個(gè)引腳，多達(dá)80個(gè)GPIO以及豐富的外圍設(shè)備接口，采用LQFP封裝，支持多種通訊方式，擁有兩個(gè)SPI（Serial Peripheral Interface），兩個(gè)IIC（Inter-Integrated Circuit），五個(gè)USART（Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter），一個(gè)USB（Universal Serial Bus），一個(gè)CAN（Controller Area Network）通信，一個(gè)SDIO（Secure Digital Input and Output），同時(shí)GPIO口多達(dá)80個(gè)，CPU工作主頻可達(dá)72MHz，滿足我們對藥箱的開發(fā)需求。

2.2 智能入庫模塊設(shè)計(jì)

智能入庫單元采用了MD300條碼掃描識別模塊以及門鎖模塊，當(dāng)用戶有新的藥品需要儲存到藥箱中，只需要將藥品盒上的條形碼對準(zhǔn)我們的MD300完成掃描后，藥品的信息將會通過串口傳給MCU，MCU再通過串口發(fā)送給ESP8266WIFI模塊，信息將通過WiFi通訊將藥品條碼信息傳輸給服務(wù)器，服務(wù)器通過數(shù)據(jù)匹配查詢，再向安卓端發(fā)送藥品信息，隨后用戶在安卓端即可查看藥品說明等相關(guān)信息，同時(shí)MCU控制門鎖模塊允許用戶將藥品存入箱內(nèi)，具體工作流程如圖2所示。

2.2.1 條碼掃描識別模塊

隨著科技的進(jìn)步及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，條形碼及二維條碼具有快速、準(zhǔn)確、成本低、信息容量大、保密防偽性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。在票務(wù)、零售、倉儲、物流等應(yīng)用領(lǐng)域，支持多個(gè)二維碼掃描終端的多點(diǎn)無線傳輸系統(tǒng)具有非常廣闊的應(yīng)用前景[4]。MD300條碼掃描識別模塊帶有USB+串口雙接口（帶TTL和232串口）可以同時(shí)識別二維碼和EAN-13等多種不同條碼類型，完成信息讀取后通過蜂鳴器嘀一聲表示完成，可連續(xù)多個(gè)掃描讀取信息，綜上該模塊滿足我們藥箱的功能需求，在本設(shè)計(jì)中我們只需要采集條碼信息，采用TTL串口與MCU通訊。

2.2.2 門鎖模塊

為保障藥品得到妥善保管，以及避免家中孩子誤食藥品，在本次設(shè)計(jì)中我們采用了機(jī)械卡口加上電磁鎖的結(jié)構(gòu)，只有當(dāng)藥品上傳入庫或用戶使用安卓端控制鎖開啟時(shí)，鎖才會解開，正常情況下鎖為閉合狀態(tài)。

2.3 智能提醒模塊

針對老年人年歲漸長，視力下降，閱讀藥盒上的文字或者藥品說明書很是吃力，以及為了提供用戶更好的使用體驗(yàn)，家庭智能藥箱設(shè)計(jì)了智能提醒模塊，該模塊采用了SYN6288語音模塊和蜂鳴器模塊，SYN6288芯片支持任意中文文本的合成，可以采用GB2312，GBK等編碼方式，支持串口通訊，當(dāng)?shù)搅擞脩粼O(shè)定的用藥時(shí)間，服務(wù)器就會通過WiFi向MCU發(fā)送請求，蜂鳴器打開，語音模塊溫馨提醒用戶，用戶可在藥箱端手動關(guān)閉提示。具體流程如圖3所示。

語音合成采用SYN6288是北京宇音天下科技有限公司于2010年初推出的采用PSOLA拼接合成技術(shù)的一款語音合成芯片[5]。該芯片具有性價(jià)比高，硬件接口簡單、低功耗、音色清亮圓潤的特點(diǎn)，支持16級的數(shù)字音量控制和6級詞語語速控制，支持4種主要編碼體系：GB2312，GBK， BIG5，Unicode;此外SYN6288通過異步串口（UART）通訊方式，接收待合成的文本數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)文本到語音（或TTS語音）的轉(zhuǎn)換。為了讓用戶輸出聲音，SYN6288內(nèi)置了推挽式（Push-Pull）的DAC，可直接驅(qū)動喇叭，進(jìn)行聲音播報(bào)。

2.4 WiFi通訊模塊

在本次設(shè)計(jì)中我們采用的是ESP8266模塊，ESP8266是一個(gè)完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為從機(jī)搭載于其他主機(jī)MCU運(yùn)行。ESP8266在搭載應(yīng)用并作為設(shè)備中唯一的應(yīng)用處理器時(shí)，能夠直接從外接閃存中啟動[6]。在本次設(shè)計(jì)中MCU通過串口通訊發(fā)送AT指令給ESP-01S模塊，在ESP-01S模塊連接上設(shè)定網(wǎng)絡(luò)后，進(jìn)入STA模式，向服務(wù)器發(fā)送建立連接請求，建立后即可向服務(wù)器傳輸藥品數(shù)據(jù)，接收客戶安卓端的指令。

2.5 LCD顯示模塊

在本次設(shè)計(jì)中我們采用的是分辨率為320*240的3.2寸液晶屏，其內(nèi)部包含了一個(gè)信號為ILI9341的液晶控制芯片該液晶控制器使用8080接口與單片機(jī)通訊，且控制器中包含有顯存，MCU會把從DHT11檢測到的溫度濕度數(shù)據(jù)和RTC中的時(shí)間通過8080接口發(fā)送到液晶控制器，這些數(shù)據(jù)會被存儲到它內(nèi)部的顯存中，然后液晶控制器不斷把顯存的內(nèi)容刷新到液晶面板。

2.6 DHT11溫濕度模塊

在本次設(shè)計(jì)中我們采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，DHT11是一款已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器[7]。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和先進(jìn)的溫濕度傳感技術(shù)，具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定型[8]。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能八位單片機(jī)相連接，因?yàn)镈HT11是通過單總線來通訊的，所以我們只需要使用一個(gè)IO口讀取即可，這使我們系統(tǒng)集成變得簡易快捷。

3 結(jié)論

本藥箱的設(shè)計(jì)主要采用了嵌入式技術(shù)和WI-FI技術(shù)，通過模塊化的設(shè)計(jì)方案，硬件平臺與后臺服務(wù)器以及用戶端的交互，實(shí)現(xiàn)了藥品自動入庫、按時(shí)提醒服藥、藥品過期提醒、藥箱內(nèi)溫濕度的監(jiān)測的四大主要功能。

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