基于半導(dǎo)體帕爾帖效應(yīng)的WiFi智能藥箱

王奕林，李 響，崔博言，李孫笑何，彭大衛(wèi)，袁小平

（中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

近年來，國內(nèi)外對(duì)于老年人的健康問題格外關(guān)注。智能藥箱就是針對(duì)老年人服藥問題所設(shè)計(jì)的一款家用智能服藥系統(tǒng)。目前市場(chǎng)上的智能藥箱是以讓老人能按時(shí)按點(diǎn)吃藥為目標(biāo)設(shè)計(jì)的，主要包括及時(shí)提醒和監(jiān)督取藥兩方面的功能，存在的主要不足在于：

（1）針對(duì)人群?。耗壳爸悄芩幭浯蟛糠止δ苁菫槔夏耆巳涸O(shè)計(jì)制作的，并沒有充分考慮其他患者人群，便攜能力較差，在運(yùn)輸、攜帶過程中困難重重。

（2）保存能力有限：目前的藥箱僅限于保存對(duì)溫度無特定要求或要求較寬松的藥物，而不能存放對(duì)溫度較敏感，有特殊存儲(chǔ)需求的藥物。

（3）智能化程度低：目前的藥箱只局限于藥物簡單存放與獲取，使用不便，功能單一，與互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系更是不夠緊密。

本項(xiàng)目從更廣范圍的用戶人群及更高的用戶需求出發(fā)，通過半導(dǎo)體制冷、檢測(cè)傳感、WiFi通信、算法設(shè)計(jì)等技術(shù)的應(yīng)用，制作一款在溫濕度控制、藥量檢測(cè)、遠(yuǎn)程控制等方面更具優(yōu)勢(shì)的智能藥箱。此藥箱具有極大的應(yīng)用前景，同時(shí)相關(guān)研究成果也可在其他領(lǐng)域發(fā)揮指導(dǎo)和借鑒作用。

1 系統(tǒng)功能

要求保證藥箱對(duì)存儲(chǔ)條件特殊藥物的穩(wěn)定性、可靠性，以及藥箱的遠(yuǎn)程可控性、便捷性等等，因此，設(shè)計(jì)的智能藥箱系統(tǒng)需具有以下幾項(xiàng)功能。

（1）能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)并用屏幕顯示智能藥箱內(nèi)部存儲(chǔ)藥物的溫濕度狀況。

（2）能夠通過壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)藥物余量，在低于某一設(shè)定值時(shí)，可自動(dòng)進(jìn)行語音播報(bào)提醒用戶對(duì)藥物進(jìn)行補(bǔ)充。

（3）能夠把檢測(cè)到的溫濕度情況與藥物余量傳輸?shù)阶灾频氖謾C(jī)APP端。

（4）能夠通過手機(jī)APP端對(duì)藥物所處溫度范圍進(jìn)行設(shè)定。

（5）能夠使藥箱自動(dòng)對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)空間進(jìn)行制冷或加熱以達(dá)到設(shè)定溫度，并保持恒溫。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件電設(shè)計(jì)是智能藥箱設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，主要實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)控制以及信息交互等功能。

智能藥箱的硬件電路的控制模塊采用STM32C8T6芯片，該芯片高性能、低成本、功耗低；溫濕度采集模塊采用DHT21溫濕度傳感器，該模塊能夠在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)的讀??；語音播報(bào)模塊采用DY-SV17F芯片，芯片驅(qū)動(dòng)喇叭播放達(dá)到語音播報(bào)的效果；壓力采集模塊采用HX711芯片；顯示模塊采用OLED作為液晶顯示，該模塊較輕薄并且功耗低。WiFi模塊采用ESP8266，通過該模塊實(shí)現(xiàn)藥箱與手機(jī)客戶端APP的人機(jī)交互；溫控執(zhí)行模塊由半導(dǎo)體片TEC1-12706及驅(qū)動(dòng)電路組成，單片機(jī)控制器可以控制驅(qū)動(dòng)電路輸出電流的大小以及改變電流的方向進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)藥箱的制冷或加熱。

經(jīng)過分析研究后，本次設(shè)計(jì)的基于半導(dǎo)體的智能藥箱控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 智能藥箱控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

采用模塊化思想設(shè)計(jì)軟件，主程序流程圖如圖2所示。各個(gè)模塊共同作用實(shí)現(xiàn)智能藥箱的各項(xiàng)功能。該程序首先完成各部分模塊的初始化，接著用戶可以通過手機(jī)客戶端APP進(jìn)行相應(yīng)溫度的設(shè)定。同時(shí)溫濕度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量藥箱內(nèi)的溫濕度并且將數(shù)據(jù)回傳給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算并輸出相應(yīng)的PWM值給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路再根據(jù)單片機(jī)的指令控制電流的方向以及大小進(jìn)而控制半導(dǎo)體片的制冷或加熱。壓力傳感器將采集到的壓力數(shù)據(jù)傳回給單片機(jī)，當(dāng)檢測(cè)到壓力小于某一設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)將控制語音播報(bào)模塊進(jìn)行語音播報(bào)提醒用戶補(bǔ)充。同時(shí)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)以及壓力數(shù)據(jù)等可通過OLED顯示屏進(jìn)行顯示并且可以回傳給手機(jī)客戶端APP。這樣的模塊化設(shè)計(jì)可以使各個(gè)部分獨(dú)立工作、互不打擾，便于后期進(jìn)行功能的升級(jí)以及維護(hù)工作。

圖2 智能藥箱控制系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 無線傳輸子程序設(shè)計(jì)

WiFi模塊進(jìn)行程序初始化后，隨后檢測(cè)是否有正常的連接，如果有則檢測(cè)當(dāng)前連接源的通信信息和請(qǐng)求信息，然后進(jìn)行信息的尋找和配對(duì)，找到對(duì)應(yīng)的通信通道后，對(duì)請(qǐng)求發(fā)送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行發(fā)送，信息發(fā)送完成后即為完成通信。具體工作流程如圖3所示。

圖3 WiFi通信流程圖

3.3 手機(jī)客戶端APP的開發(fā)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)智能藥箱的遠(yuǎn)程控制，需要開發(fā)出一款手機(jī)客戶端APP，用于對(duì)智能藥箱的溫濕度閾值的設(shè)定以及對(duì)藥品余量的監(jiān)測(cè)。本次APP的設(shè)計(jì)采用的是MIT APP INVENTOR。該開發(fā)平臺(tái)使用大量的可視化編程，可將待使用到的組件直接拖拽到指定位置，接著通過對(duì)指定功能的設(shè)定，完成了界面設(shè)計(jì)之后，可進(jìn)行程序的編寫。在MIT APP INVENTOR這個(gè)軟件中，雙擊指定的按鈕，就會(huì)進(jìn)入程序編程模塊，只用將待執(zhí)行的任務(wù)加入即可。完成程序的編寫之后，對(duì)其進(jìn)行打包成.apk文件，生成的.apk文件即為我們最終使用的APP軟件。用戶在手機(jī)端進(jìn)行安裝以后，可通過連接WiFi模塊的信號(hào)對(duì)藥箱進(jìn)行相應(yīng)的操作。APP界面設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 APP界面設(shè)計(jì)

4 測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 硬件與軟件調(diào)試

在整個(gè)智能藥箱系統(tǒng)搭建完成后，首先，要對(duì)硬件進(jìn)行調(diào)試。要先對(duì)其管腳進(jìn)行測(cè)試，檢查管腳是否會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)等狀況，檢查線路是否正確連接。其次，對(duì)各個(gè)傳感器模塊分別進(jìn)行回傳數(shù)據(jù)檢測(cè)。當(dāng)硬件系統(tǒng)的某個(gè)地方出現(xiàn)問題，可以萬用表輔助排查，檢查是有連接不牢固、器件損壞或器件短路等問題。硬件電路的穩(wěn)定的是后面軟件運(yùn)行成功的前提。

在硬件電路測(cè)試完好的情況下，緊接著進(jìn)行軟件調(diào)試。本系統(tǒng)對(duì)于軟件的測(cè)試方案選擇黑盒測(cè)試的方法，測(cè)試過程如下：

（1）編寫代碼，進(jìn)行編譯、調(diào)試，將編譯好的代碼下載到STM32單片機(jī)。

（2）觀察OLED顯示屏的初始界面，觀察是否顯示溫濕度等狀態(tài)信息。

（3）進(jìn)行溫濕度傳感器程序調(diào)試。觀察是否能夠正確讀取溫濕度數(shù)據(jù)。

（4）進(jìn)行溫壓力傳感器程序調(diào)試。觀察是否能夠正確讀取質(zhì)量數(shù)據(jù)。

（5）將手機(jī)WiFi與智能藥箱配對(duì)，觀察手機(jī)客戶端APP是否可以同步顯示數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程操控。

4.2 整機(jī)功能測(cè)試

經(jīng)過如上的軟硬件測(cè)試過程，本系統(tǒng)再進(jìn)行整機(jī)功能測(cè)試。我們記錄了初始溫度為15℃，濕度為94%左右，目標(biāo)溫度為5℃，測(cè)試藥箱制冷所需時(shí)間。測(cè)試表明，我們?cè)O(shè)計(jì)的藥箱制冷功能效果良好，達(dá)到設(shè)計(jì)的初步要求，見表1。

表1 目標(biāo)溫度為5℃時(shí)制冷效果測(cè)試結(jié)果

我們對(duì)藥箱所能檢測(cè)的藥物的最小重量做了測(cè)試，結(jié)果見表2。測(cè)試表明，我們?cè)O(shè)計(jì)的藥箱質(zhì)量檢測(cè)功能效果良好，達(dá)到設(shè)計(jì)的初步要求。將整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行24 h，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)功能運(yùn)行正常，供電電壓穩(wěn)定，設(shè)定溫度保持穩(wěn)定，程序沒有出現(xiàn)跑飛現(xiàn)象。所以，我們所設(shè)計(jì)的藥箱已基本達(dá)到要求。

5 結(jié)束語

為解決當(dāng)前藥箱智能化程度低的狀況，本文基于半導(dǎo)體技術(shù)并結(jié)合WiFi通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)藥箱的智能化、便捷化。并將半導(dǎo)體技術(shù)、傳感器技術(shù)與通信技術(shù)緊密結(jié)合，研究出一款可以進(jìn)行溫度控制、智能語音播報(bào)并且可通過客戶端APP進(jìn)行遠(yuǎn)程操控的智能藥箱。應(yīng)用半導(dǎo)體材料的帕爾帖效應(yīng)進(jìn)行制冷或者加熱。同時(shí)利用WiFi模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程無線通信，具有更快的傳輸速率以及更遠(yuǎn)的通信距離。本次設(shè)計(jì)也開發(fā)一款相配套的手機(jī)客戶端APP，具有良好的人機(jī)交互界面，可以更好地實(shí)現(xiàn)藥箱的智能化。同時(shí)本設(shè)計(jì)亦存在不足，該藥箱暫時(shí)只能對(duì)溫度進(jìn)行粗略的控制，亦無法對(duì)其進(jìn)行更精確的控制。所以后續(xù)對(duì)此進(jìn)行升級(jí)時(shí)可以考慮添加更適應(yīng)的算法，如模糊PID控制、大林算法等等。同時(shí)增加太陽能充電以及儲(chǔ)能環(huán)節(jié)亦是本藥箱的一個(gè)發(fā)展方向。