藍(lán)牙智能語(yǔ)音胰島素儲(chǔ)存箱設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉麗娟，劉仲鵬，王健

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北保定 071000；2.保定學(xué)院教務(wù)處，河北保定 071000；3.國(guó)家稅務(wù)總局大名縣稅務(wù)局，河北邯鄲 056900）

0 引言

許多糖友對(duì)胰島素的保存不夠重視，經(jīng)常把胰島素注射筆儲(chǔ)存在冰箱里。由于家用冰箱溫度控制不精確，無(wú)法保證胰島素存儲(chǔ)溫度的穩(wěn)定，因此胰島素注射筆不適合存放在普通冰箱中，這是因?yàn)闇囟鹊淖兓瘯?huì)降低注射筆的使用壽命，影響藥效。而我們的藍(lán)牙智能語(yǔ)音半導(dǎo)體胰島素儲(chǔ)存箱能夠很好地解決這個(gè)問(wèn)題[1]。

本產(chǎn)品支持多種不同的供電方式，例如較為常用的家用交流電源、鋰電池，甚至可采用車載電源。該儲(chǔ)存箱可以通過(guò)與手機(jī)藍(lán)牙配對(duì)進(jìn)行智能手機(jī)控溫，并可在液晶顯示屏上顯示對(duì)應(yīng)的溫度，適合于糖尿病患者在各類場(chǎng)合中冷藏貯存胰島素，是糖尿病患者理想的便攜式胰島素貯藏盒。本產(chǎn)品給糖尿病患者的生活和工作帶來(lái)了許多的方便，使胰島素的存儲(chǔ)和使用變得不再困難，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本較低、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 研究目的和意義

研究制作此類小巧、便攜、供電方式多樣的胰島素儲(chǔ)存箱，為廣大糖尿病患者開(kāi)辟了專用空間來(lái)儲(chǔ)存藥物，避免了胰島素與其他物品混雜儲(chǔ)存產(chǎn)生的污染情況，并為胰島素藥品的存放提供了一個(gè)安全穩(wěn)定的儲(chǔ)存空間。

本次研發(fā)的藍(lán)牙智能語(yǔ)音半導(dǎo)體胰島素儲(chǔ)存箱采用的半導(dǎo)體無(wú)氟制冷技術(shù)，可以使冷藏箱瞬間制冷，使其性能更加穩(wěn)定。本產(chǎn)品具有智能控溫功能，控溫功能由智能電腦芯片控制實(shí)現(xiàn)，可以做到箱內(nèi)溫度精確可控。本設(shè)計(jì)還配有LED雙制式攝氏、華氏可調(diào)溫度顯示系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)反饋箱內(nèi)溫度，該顯示系統(tǒng)具備抗低溫特性，使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。

1.2 研究目標(biāo)和研究方案

1）研究目標(biāo)

Care-box 藍(lán)牙智能語(yǔ)音半導(dǎo)體胰島素儲(chǔ)存箱具有以下功能。

①顯示日期時(shí)間、溫濕度；

②通過(guò)GSM短信控制開(kāi)關(guān)；

③通過(guò)藍(lán)牙指令控制開(kāi)關(guān)；

④通過(guò)紅外遙控控制開(kāi)關(guān)；

⑤溫濕度超出設(shè)定值向綁定的手機(jī)號(hào)碼發(fā)送提示短信；

⑥利用PC 上位機(jī)進(jìn)行定時(shí)操作（執(zhí)行時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)）和校對(duì)日期；

⑦利用PC 上位機(jī)設(shè)置溫濕度上限，綁定手機(jī)號(hào)碼等。

2）研究方案

查閱文獻(xiàn)資料，將儲(chǔ)存箱與手機(jī)藍(lán)牙連接，用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行手機(jī)App的控制，以及了解各模塊的詳細(xì)參數(shù)，最終確定控制方案為Arduino 板執(zhí)行動(dòng)作、采集數(shù)據(jù)，GSM 短信[2]、手機(jī)藍(lán)牙、紅外遙控、電腦進(jìn)行上位機(jī)控制。

控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)和控制模塊設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)、溫濕度信息采集；控制模塊設(shè)計(jì)包括基于手機(jī)藍(lán)牙、紅外遙控、電腦上位機(jī)、控制指令的處理設(shè)計(jì)、整機(jī)制作、調(diào)試等。

1.3 產(chǎn)品創(chuàng)新點(diǎn)

1）HC-06 藍(lán)牙模塊，可以與手機(jī)的藍(lán)牙配對(duì)通信，實(shí)現(xiàn)手機(jī)實(shí)時(shí)了解胰島素儲(chǔ)存箱的工作狀態(tài)，控制胰島素儲(chǔ)存箱的溫度。

2）MP3-TF-16P 語(yǔ)音模塊，通過(guò)簡(jiǎn)單的幾個(gè)串口指令就可以完成語(yǔ)音播報(bào)功能，以及定時(shí)語(yǔ)音提示等功能。本設(shè)計(jì)的語(yǔ)音庫(kù)可以在指定時(shí)間或溫度到達(dá)指定溫度時(shí)，進(jìn)行定時(shí)服藥提示。

3）DHT11 型號(hào)的溫濕度傳感器可以檢測(cè)溫濕度并輸出數(shù)字信號(hào)，采集存儲(chǔ)箱外部溫濕度。此傳感器價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定。

4）DS1302時(shí)鐘芯片模塊，可以顯示萬(wàn)年歷。

2 系統(tǒng)各功能模塊設(shè)計(jì)

Care-box 藍(lán)牙智能語(yǔ)音半導(dǎo)體胰島素儲(chǔ)存箱主要包括以下幾部分：制冷半導(dǎo)體制冷片、OLED 顯示屏、時(shí)鐘模塊、溫濕度傳感器、藍(lán)牙模塊與語(yǔ)音提示模塊[3]。以下介紹控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與功能。

2.1 語(yǔ)音提示模塊

本設(shè)計(jì)使用的Mp3-TF-16P 軟件支持TF 卡驅(qū)動(dòng)程序，以及FAT16、FAT32 文件系統(tǒng)。通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的串行命令，可以播放指定的語(yǔ)音內(nèi)容，同時(shí)還可以設(shè)置定時(shí)語(yǔ)音提示等功能，只需要簡(jiǎn)單的底層操作，這也是本設(shè)計(jì)的特別之處[4]。此模塊有以下功能。

1）支持多種采樣率:8/11.025/12/16/22.05/24/32/44.1/48(KHz)。

2）24 位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器輸出，動(dòng)態(tài)范圍支持90dB，信噪比支持85dB。

3）完全支持FAT16、FAT32 文件系統(tǒng)，最大支持32G的TF卡。

4）多種控制模式可選：輸入/輸出控制模式、串口模式、AD 按鍵控制模式。

5）廣播語(yǔ)插播功能，實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)提醒模式、溫度即時(shí)播報(bào)等功能。

定時(shí)播報(bào)功能，通過(guò)定時(shí)調(diào)控，提醒用戶每天服用的時(shí)間，停止自動(dòng)提醒停頓期和延期時(shí)自動(dòng)開(kāi)始下一個(gè)階段。而且此模塊選用了系統(tǒng)芯片方案，增加了一個(gè)aDSP，對(duì)音頻進(jìn)行硬解碼以達(dá)到高品質(zhì)的音質(zhì)音色，同時(shí)，硬解碼的方式抗干擾性更強(qiáng)，也保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

串口通信協(xié)議：串口是一種在許多領(lǐng)域常用的通信方式，對(duì)此模塊我們進(jìn)行了特別的優(yōu)化處理，加入的Frames的校驗(yàn)、重發(fā)、錯(cuò)誤處理等措施，大大增強(qiáng)了通信的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)可以在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展更加強(qiáng)大的RS485，進(jìn)行組網(wǎng)功能。串口的Communication baud rate 可自行設(shè)置，默認(rèn)通訊標(biāo)準(zhǔn)為9600bps，通過(guò)串口接受上位機(jī)發(fā)送的命令，并且支持異步串口通訊模式。模塊返回的數(shù)據(jù)包含以下五部分。

1）模塊在關(guān)鍵地方進(jìn)行數(shù)據(jù)返回，供用戶掌握模塊的工作狀態(tài)。

2）模塊上電初始化成功的數(shù)據(jù)和模塊播放完當(dāng)前溫度的數(shù)據(jù)。

3）模塊成功接收到指令返回的ACK(應(yīng)答)。

4）模塊接收一幀數(shù)據(jù)出錯(cuò)（包括數(shù)據(jù)沒(méi)收完整、校驗(yàn)出錯(cuò)兩種情況）。

5）模塊在繁忙時(shí)，有數(shù)據(jù)過(guò)來(lái)，模塊會(huì)返回忙的指令。

2.2 散熱模塊

散熱器如圖1所示，其主要功能是散熱，在本產(chǎn)品中是把半導(dǎo)體的熱量傳給空氣，防止半導(dǎo)體制熱端過(guò)熱。物理學(xué)上，溫差越大則導(dǎo)熱越快，本設(shè)計(jì)的散熱功能正是利用了這個(gè)原理。要解決導(dǎo)熱和散熱的問(wèn)題，首先要將熱量從半導(dǎo)體中導(dǎo)出，再把熱量傳遞到空氣中。目前來(lái)講，銅適合導(dǎo)熱，鋁適合散熱。但是單靠銅的導(dǎo)熱還不夠出色，本產(chǎn)品采用了導(dǎo)熱效率極好的熱管。

圖1 初型風(fēng)冷

根據(jù)氣液轉(zhuǎn)換熱量交換定理，液體轉(zhuǎn)換氣體吸收熱量，反之釋放熱量，這即是熱管的工作原理。熱管就是一根空心銅管，內(nèi)部填充了相變冷卻液，這種液體低溫狀態(tài)下是液體，在半導(dǎo)體發(fā)熱端吸熱液體轉(zhuǎn)氣體，在風(fēng)扇端再液化為液體散發(fā)熱量，利用這個(gè)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的熱量轉(zhuǎn)移。常見(jiàn)的散熱設(shè)計(jì)有以下三種。

1）初型風(fēng)冷。把一塊鋁壓在發(fā)熱的物體上，熱量通過(guò)進(jìn)入鋁再被風(fēng)扇傳給空氣這樣一個(gè)過(guò)程，效果不佳。

2）初型＋銅柱的風(fēng)冷。初型增強(qiáng)版，通過(guò)使用導(dǎo)熱效率更高的銅柱嵌入鋁塊中，這樣半導(dǎo)體的熱量會(huì)被銅柱更快地傳出，相比初代的熱量傳輸效率提高了百分之四十，但是效果依舊沒(méi)有達(dá)到預(yù)期。

3）初型加熱管的設(shè)計(jì)。相變冷卻液的效果十分明顯，熱管首先把熱量傳遞給散熱鰭片，然后風(fēng)扇給熱管和鋁塊散熱。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，最終選擇了這種熱管加鋁塊的散熱模塊。

而常規(guī)的熱管加鋁塊風(fēng)冷的風(fēng)道往往是相垂直的，但這種設(shè)計(jì)需要較大的空間，基于空間的限制，采用散熱器的下壓式設(shè)計(jì)，將風(fēng)扇和散熱底座處于一條直線，在有限的空間里得以發(fā)揮出最大的散熱效力。

2.3 傳感器模塊

DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一種多功能復(fù)合傳感器，如圖2所示，具有校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)輸出能力，具有溫度和濕度數(shù)據(jù)傳感和專業(yè)數(shù)字模塊數(shù)據(jù)采集技術(shù)所保證的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)可靠性。這些傳感器由高性能的8 位單片機(jī)連接，而且ESP32CAM 使用封裝結(jié)構(gòu)，不需要復(fù)雜的接線操作，接上接口就可以使用，同時(shí)也對(duì)產(chǎn)品未來(lái)的維護(hù)降低了門檻[5]。本設(shè)計(jì)將其應(yīng)用于視頻采集系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)最小系統(tǒng)的編程，將收集到的音視頻儲(chǔ)存在SD 卡中。后期可搭建出Wi-Fi 環(huán)境，將視頻傳到用戶手機(jī)中，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，下載及回放等。

圖2 DTH11數(shù)字溫濕度傳感器

2.4 時(shí)鐘芯片模塊

DS1302是一個(gè)DALLAS涓流充電時(shí)鐘芯片，如圖3所示，它功耗低、性能高，還能對(duì)時(shí)間計(jì)時(shí)，不僅可以精確到秒，而且擁有定時(shí)提示的功能。該芯片包含一個(gè)能夠計(jì)時(shí)、顯示萬(wàn)年歷的鬧鐘以及一個(gè)靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，三者通過(guò)接口與Ardunio 進(jìn)行通信。DS1302 實(shí)時(shí)時(shí)鐘不僅可以精確到秒，還可以提供分、小時(shí)、日期、月、年等信息。芯片自帶了精確校驗(yàn)日期的功能。

圖3 DS1302時(shí)鐘芯片

DS1302 實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片廣泛應(yīng)用于電話、傳真、便攜式儀器等領(lǐng)域，其主要性能指標(biāo)如下。

1）DS1302 是一種精確到秒數(shù)，還可以提供小時(shí)、日期、月、年等信息的時(shí)鐘芯片。

2）擁有31字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM。

3）與其他芯片相比，DS1302 的運(yùn)行電壓較寬，可在2.0V 至5.5V 之間正常運(yùn)行，對(duì)于本產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

DS1302 可以實(shí)時(shí)記錄一個(gè)具有特定意義的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)時(shí)地記錄每一個(gè)數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)發(fā)生的時(shí)刻。首先通過(guò)分析長(zhǎng)期連續(xù)的測(cè)控系統(tǒng)得到的結(jié)果，然后尋找出異常大小數(shù)據(jù)。DS1302 是美國(guó)公司的最新產(chǎn)品，與舊版本的DS1202 相兼容，但隨著針硬件部分的主電源和備用電源雙功能電源針硬件組成部分的使用而增加，它還具有在緩慢的微電流中為備用電源充電的功能。DS1302 型號(hào)在時(shí)鐘電路內(nèi)具有臨時(shí)參數(shù)的RAM 寄存器。傳統(tǒng)的時(shí)鐘只能記錄時(shí)間而不能記錄異常的狀態(tài)出現(xiàn)異常的時(shí)間，所以使用DS1302是這款制冷器的不二選擇。

2.5 半導(dǎo)體制冷片

從理論上來(lái)看，半導(dǎo)體的冷卻芯片只能看作是傳走熱量的工具。雖然冷卻芯片會(huì)主動(dòng)為芯片散熱，但為了散熱的制冷端工作過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生額外的熱量。半導(dǎo)體的冷卻芯片是以半導(dǎo)體材料的熱電效應(yīng)為原理，選用優(yōu)質(zhì)的半導(dǎo)體材料以及高精工藝，并不斷改進(jìn)，利用這種原理設(shè)計(jì)制造出可以應(yīng)用的半導(dǎo)體電子制冷器件溫差電制冷組件，此器件又被稱為電子制冷芯片或制冷芯片(半導(dǎo)體制冷片)，如圖4所示，英文為:Thermoelectric Cooling Module，簡(jiǎn)稱TEC。在冷卻芯片運(yùn)行過(guò)程中，只要冷熱兩端存在溫度差，熱量就會(huì)不斷地通過(guò)晶格從高溫處傳往低溫處，熱量會(huì)被移動(dòng)到冷端并通過(guò)熱電效應(yīng)的制冷端。通過(guò)散熱系統(tǒng)，降低熱端的溫度，從而使半導(dǎo)體制冷片的工作效率提高，讓冷端的溫度更符合胰島素儲(chǔ)存的溫度。當(dāng)冷熱兩端之間的溫差達(dá)到一定程度時(shí)，冷熱兩端之間的傳熱是平等的，兩端將達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)。在這段時(shí)間里正極和負(fù)極之間的傳熱彼此抵消。這樣會(huì)導(dǎo)致冷熱兩端的溫度保持不變，但是為了讓溫度可以達(dá)到更低，本設(shè)計(jì)通過(guò)散熱系統(tǒng)，降低熱端的溫度，從而使半導(dǎo)體制冷片的工作效率提高，讓冷端的溫度更符合胰島素的儲(chǔ)存條件。

圖4 半導(dǎo)體制冷片

此種制作與傳統(tǒng)制作技術(shù)相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高、無(wú)噪聲、無(wú)損害、無(wú)污染；制冷速度快，控制方便；熱電堆可以隨意操縱，其形狀和大小可以人為地改變。由于上述優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的推廣。半導(dǎo)體制冷片體積小、重量輕，微型半導(dǎo)體制冷片可以小到幾十克甚至幾克重；無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部件，工作時(shí)不產(chǎn)生噪聲，液氣不發(fā)生轉(zhuǎn)換，所以不會(huì)污染環(huán)境；制冷參數(shù)不受環(huán)境影響，在機(jī)械過(guò)載狀態(tài)下，仍能正常工作；可連續(xù)不間斷工作且容易安裝。

半導(dǎo)體制冷片有兩種功能，既可以制冷，也可以加熱，雖然制冷效率不是很高，但制熱效率非常高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1。因此使用一個(gè)制冷片就可以進(jìn)行兩邊獨(dú)立的制冷和加熱。

半導(dǎo)體制冷片采用電流換能的原理，可以通過(guò)改變電流的方向和大小來(lái)控制制冷。半導(dǎo)體制冷片具有高精度控溫功能，再加上采集溫度模塊和藍(lán)牙控制溫度模塊，與手機(jī)藍(lán)牙配對(duì)通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，通過(guò)手機(jī)跟蹤溫度變化并實(shí)現(xiàn)溫度控制。

半導(dǎo)體制冷片具有很小的熱慣性，制冷制熱效率高，在冷端空載并且熱端散熱良好時(shí)，制冷片兩端一分鐘內(nèi)就可到達(dá)最大溫差。半導(dǎo)體制冷片可以在零下100℃到90℃的溫差范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

2.6 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊是具有無(wú)線連接功能的用于短程數(shù)據(jù)交流的電路soc模塊。作為取代有線數(shù)據(jù)連接的短距離無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)方案，藍(lán)牙支持與現(xiàn)代智能設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通信，藍(lán)牙模塊一般是由芯片、PCB板、穩(wěn)定電路的其他組件構(gòu)成。藍(lán)牙模塊可以與手機(jī)藍(lán)牙配對(duì)通信，通過(guò)手機(jī)App實(shí)時(shí)觀察儲(chǔ)存箱的工作情況[6]。

3 總結(jié)

本產(chǎn)品基于Internet of things，采用手機(jī)藍(lán)牙通信，紅外遙控，以半導(dǎo)體制冷片為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的檢測(cè)和顯示、時(shí)鐘讀寫和顯示、對(duì)十幾個(gè)繼電器的操作與狀態(tài)顯示的功能。支持與藍(lán)牙、電腦、手機(jī)軟件的串口通信，支持與溫濕度傳感器、液晶顯示屏的通信，實(shí)現(xiàn)了GSM、藍(lán)牙、語(yǔ)音控制等多種控制方式以及超過(guò)溫濕度上限的報(bào)警模式[7]。

本產(chǎn)品主要針對(duì)需要用胰島素治療的糖尿病患者，在患者外出時(shí)，方便攜帶與儲(chǔ)存胰島素。應(yīng)用于消費(fèi)級(jí)的便攜式胰島素冰箱更多地注重溫控功能，但是人箱交互方面并未被各廠商和研究人員所重視。而胰島素的需求者往往是老年人群，如果沒(méi)有簡(jiǎn)單合理功能全面的操作設(shè)定，很容易導(dǎo)致使用者因使用不規(guī)范而使藥品出現(xiàn)變質(zhì)情況的發(fā)生。為此，本產(chǎn)品采用了DHT11的溫濕度傳感模塊，在保證了溫控功能的前提下，利用擴(kuò)展性，添加了DS1302時(shí)鐘芯片模塊與HC-06藍(lán)牙模塊、DHT11數(shù)字溫濕度采集模塊、MP3-TF-16P語(yǔ)音模塊使得用戶可以在更多設(shè)備上查看并遙控冷藏箱，降低了用戶使用門檻，提高了便捷性。