基于STM32和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能藥盒設(shè)計(jì)

董鴻宇，李佳睿

（防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201）

0 引 言

近年來，我國人口老齡化日益嚴(yán)重，人們對(duì)健康觀念也日益重視，然而很多老年人隨著年齡的增長，逐漸有了健忘的毛病[1]。目前不少老年人苦于用藥的合理管理和定時(shí)服用。通常子女作為監(jiān)護(hù)人容易因?yàn)楣ぷ髅Φ仍颍瑢?dǎo)致難以對(duì)老人服藥狀態(tài)做到細(xì)致的監(jiān)督；易出現(xiàn)忘記服藥，重復(fù)服藥，以及服錯(cuò)藥物劑量等問題，便會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

而本文設(shè)計(jì)的智能藥盒操作簡單并具有剩余藥量檢測、服藥提醒、自動(dòng)出藥的功能；安卓APP 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)藥盒所有設(shè)置提醒信息的上傳、時(shí)鐘自動(dòng)同步等功能。該設(shè)計(jì)將有效解決老人漏服、錯(cuò)服、多服的問題，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)藥物短缺，為老人的服藥狀態(tài)提供安全保障[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能藥盒的設(shè)計(jì)以STM32 為智能藥盒的核心，配備有微型步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制芯片、揚(yáng)聲器等功能模塊。采用串口屏實(shí)時(shí)監(jiān)控服藥時(shí)間、藥物缺少提醒等功能，同時(shí)基于Android 系統(tǒng)開發(fā)手機(jī) APP，完成輔助監(jiān)控，并同步用藥數(shù)據(jù)等功能。產(chǎn)品集智能化、簡易化、現(xiàn)代化、實(shí)用化于一體，可隨時(shí)調(diào)控用藥時(shí)間與頻率，設(shè)置用藥種類，能夠有效地幫助所需人群解決在服藥方面帶來的不便，并養(yǎng)成良好的按時(shí)服藥習(xí)慣[3-4]。

基于STM32 和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能藥盒的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能藥盒的總體結(jié)構(gòu)

控制模塊：負(fù)責(zé)藥倉的打開關(guān)閉。

通信模塊：負(fù)責(zé)單片機(jī)與傳感器、單片機(jī)與APP 間的通信數(shù)據(jù)間的傳輸。

串口屏模塊：實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面交互功能。

提醒模塊：發(fā)出提示聲音，定時(shí)提醒用戶服藥。

學(xué)前教育學(xué)科基礎(chǔ)課程模塊中，音樂舞蹈相關(guān)的課程有樂理視唱練耳聲樂、學(xué)前鋼琴基礎(chǔ)、幼兒歌曲彈唱與律動(dòng)、學(xué)前舞蹈基礎(chǔ)、學(xué)前舞蹈與創(chuàng)編。筆者經(jīng)過實(shí)際走訪、進(jìn)課堂等多渠道了解發(fā)現(xiàn)，這些課程沒有融入本地音樂舞蹈特色的教學(xué)素材，教學(xué)模式單一，無特色、無優(yōu)勢，這也是大部分地方高校的通病。

軟件APP：用于同步藥盒信息，可也設(shè)定藥物類型及提醒時(shí)間。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了滿足此智能藥盒操作簡單、安全性高、實(shí)用性強(qiáng)的基本需求，在硬件設(shè)計(jì)中盡可能選擇功耗小、性能穩(wěn)定、使用壽命長的集成電路。本系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要包括：STM32 主控芯片、倉門控制模塊、CAN 通信模塊、藍(lán)牙通信模塊、串口屏模塊、語音播報(bào)模塊、電源模塊。本文選取主控模塊、CAN 通信模塊、藍(lán)牙通信模塊、串口屏模塊進(jìn)行說明。

2.1 主控模塊

主控模塊以STM32 單片機(jī)為核心。主控芯片為STM32F411CEUx，具有512 KB 的ROM，128 KB 的SRAM，以及連接到2 個(gè)APB 總線、2 個(gè)AHB 總線和1 個(gè)32 位總線的各種增強(qiáng)型I/O 和外設(shè)多AHB 總線矩陣。在100 MHz的工作頻率下運(yùn)行，背部預(yù)留有焊接SPI 閃存芯片的位置，可以增加更多的空間用來記錄數(shù)據(jù)或儲(chǔ)存文件。開發(fā)板上有一個(gè)Type-C 接口和一個(gè)3.3 V 100 mA 的LDO 穩(wěn)壓器。STM32F411 單片機(jī)具有高性能、低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，以及出眾的控制和通信，非常適合低電壓、低功耗的應(yīng)用場合。STM32F411 單片機(jī)主控模塊如圖2所示。

圖2 STM32 單片機(jī)

2.2 CAN 通信模塊

每個(gè)藥盒模塊內(nèi)都有32位芯片，模塊之間通過觸點(diǎn)連接，采用CAN 通信的方式。

CAN 總線是德國 Bosch 公司在80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線，它是一種多主總線系統(tǒng)，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速率[5]可達(dá)1 Mb/s。

CAN 通信協(xié)議幀共有數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀、過載幀和幀間隔5 種，本文選取的是標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)幀[6]。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。

圖3 CAN 通信標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

模塊之間觸點(diǎn)包括用于實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊內(nèi)MCU 和倉門舵機(jī)進(jìn)行供電的2 個(gè)供電觸點(diǎn)，以及實(shí)現(xiàn)模塊間CAN 通信的2 個(gè)通信觸點(diǎn)。模塊化藥盒觸點(diǎn)定義如圖4所示。

圖4 藥盒模塊化觸點(diǎn)定義

2.3 藍(lán)牙通信模塊

智能藥盒通信技術(shù)采用藍(lán)牙模塊，與其他通信模塊相比，藍(lán)牙模塊可連接多個(gè)設(shè)備，具有成本低、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。本系統(tǒng)使用JDY-23 藍(lán)牙透傳模塊，模塊如圖5所示。該模塊基于藍(lán)牙5.0，工作頻段為2.4 GHz，最大傳輸距離為60 m。

圖5 藍(lán)牙模塊

該藍(lán)牙模塊與主藥盒模塊的STM32 芯片相連接，通過串口傳輸數(shù)據(jù)。藍(lán)牙連接至手機(jī)端后，通過手機(jī)APP 完成藥品提醒的設(shè)置工作，將設(shè)置數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送至STM32 芯片，STM32 芯片將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)向串口屏幕，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端設(shè)置，智能藥盒同步的功能。

2.4 串口屏模塊

藥盒主模塊采用一片4.3 寸IPS 觸摸串口屏，在屏幕上編寫代碼實(shí)現(xiàn)例如設(shè)置提醒時(shí)間、定時(shí)提醒等各種人機(jī)界面交互功能。人機(jī)界面（Human Machine Interaction,HMI）是指人與機(jī)器之間進(jìn)行信息傳遞、交互的媒介和對(duì)話接口，實(shí)現(xiàn)了信息的機(jī)器內(nèi)部形式與人類可接受形式之間的轉(zhuǎn)換[7]。串口屏內(nèi)置RTC 時(shí)鐘模塊，帶有紐扣電池為時(shí)鐘模塊供電，保證掉電后時(shí)間不重置。

使用屏幕供應(yīng)商提供的工具進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面[8]。開發(fā)工具如圖6所示。人機(jī)界面如圖7所示。

圖6 串口屏開發(fā)工具

圖7 人機(jī)界面展示

通過串口屏幕提供的界面，可以實(shí)現(xiàn)藥品名稱的輸入和設(shè)置提醒時(shí)間。設(shè)定界面展示如圖8所示。

圖8 設(shè)定界面展示

到達(dá)預(yù)定時(shí)間后，通過屏幕和揚(yáng)聲器進(jìn)行服藥提醒，通知用戶藥物位置、藥物名稱及服藥種類，并且將開倉門指令通過串口發(fā)送到STM32 單片機(jī)，自動(dòng)打開對(duì)應(yīng)倉門。效果如圖9所示。

圖9 提醒狀態(tài)展示

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能藥盒，可通過串口屏或手機(jī)APP 端設(shè)置藥品提醒時(shí)間、每次服藥藥量、藥品名稱等信息。到達(dá)設(shè)定時(shí)間后，會(huì)通過手機(jī)APP 和藥盒發(fā)聲同步提醒。該藥盒采用模塊化設(shè)計(jì)，可以在主藥盒基礎(chǔ)上安裝多個(gè)藥盒，實(shí)現(xiàn)更多藥品的管理。

（1）藍(lán)牙通信模塊

打開APP 界面，系統(tǒng)提示打開手機(jī)藍(lán)牙，搜索智能藥盒設(shè)備，綁定當(dāng)前賬戶。視覺引導(dǎo)界面如圖10所示。

圖10 視覺引導(dǎo)界面

（2）藥物提醒設(shè)置模塊

可根據(jù)藥品的使用方法設(shè)置服藥量和服藥的提醒時(shí)間，如圖11所示。

圖11 藥物提醒設(shè)置模塊

（3）同步智能藥盒數(shù)據(jù)

添加設(shè)備提醒，點(diǎn)擊添加到藥盒，選擇要添加的藥盒位置后點(diǎn)擊確認(rèn)，將會(huì)通過藍(lán)牙提醒設(shè)置上傳至智能藥盒中，同時(shí)通過服務(wù)器，上傳至數(shù)據(jù)庫[9]。上傳數(shù)據(jù)界面如圖12所示。同步智能藥盒數(shù)據(jù)如圖13所示。

圖12 上傳數(shù)據(jù)至藥盒

圖13 同步智能藥盒數(shù)據(jù)

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于STM32 及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能藥盒設(shè)計(jì)實(shí)物圖如圖14所示，圖中：A為STM32F411CEUx單片機(jī)；B為串口屏；C 為藍(lán)牙模塊；D 為倉門控制模塊；E 為手機(jī)APP 端。

圖14 智能藥盒設(shè)計(jì)的硬件實(shí)物圖

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的智能藥盒，為家庭藥物管理提供了一種新的解決方案，可以方便地解決用戶的用藥需求，設(shè)定提醒，防止錯(cuò)過吃藥時(shí)間，一定程度上提高了用戶的生活質(zhì)量。采用STM32+串口屏的開發(fā)方式，拓展性強(qiáng)，提供了友好的人機(jī)交互界面，也便于后期增加其他功能。利用APP 程序，方便使用者設(shè)定服藥時(shí)間以及同步數(shù)據(jù)記錄。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)藥物使用的智能化及物聯(lián)網(wǎng)化，將智能產(chǎn)品融入到人們的生活當(dāng)中，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域和智能家居領(lǐng)域?qū)⒊蔀橐粋€(gè)具有現(xiàn)實(shí)意義和使用價(jià)值的項(xiàng)目。