基于藍(lán)牙技術(shù)的智能戒煙盒設(shè)計(jì)

鄭鈜櫸，曹搏承，王恩可，李奕彤

（1.沈陽航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽，110036；2.沈陽航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，遼寧沈陽，110036）

0 引言

《中國吸煙危害健康報(bào)告2020》指出，人群吸煙率仍維持在較高水平，與《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》提出的控?zé)熌繕?biāo)尚有較大差距。一般來說，香煙拆開封裝后，超過三天暴露在空氣中的煙葉吸收水分口感質(zhì)量變差。工廠對(duì)香煙的存放一般都有著嚴(yán)格要求，溫度在4℃左右、濕度保持在60%儲(chǔ)存條件最佳。通過實(shí)況測(cè)試以及問卷調(diào)查顯示，以煙齡3 年左右有戒煙想法的大學(xué)生為例，他們表示，戒煙是一個(gè)難以控制抽煙欲望、漫長、需要循序漸進(jìn)的過程，他們?cè)诮錈熯^程中不僅會(huì)難以控制吸煙的行為，還會(huì)有擔(dān)心香煙因受潮口感變差煙葉質(zhì)量下降造成已購香煙浪費(fèi)的矛盾心理。

針對(duì)戒煙困難現(xiàn)象我們?cè)O(shè)計(jì)了一款戒煙輔助系統(tǒng)，本系統(tǒng)分為硬件軟件兩部分，分別為智能戒煙盒和戒煙APP 平臺(tái)。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)一共有三大目的，一是為了促進(jìn)人們戒煙，針對(duì)部分自控力能差同時(shí)想要戒煙的人群，通過設(shè)計(jì)一款智能煙盒定時(shí)解鎖煙盒功能以控制戒煙用戶吸煙，軟件開發(fā)部分不僅方便了設(shè)備的控制，同時(shí)構(gòu)建用戶社區(qū)平臺(tái)引入公域流量促進(jìn)戒煙用戶共同交流分享心得，達(dá)到共同戒煙的目的。二是為了保持已經(jīng)開封的香煙的新鮮度，由于戒煙人群抽一盒煙周期較長，故而需要一款設(shè)備來保持香煙的新鮮度，讓香煙存儲(chǔ)環(huán)境溫度控制在4℃左右，濕度要保持在60%左右。三是為了防止擠壓對(duì)香煙造成的破壞。軟件部分不僅可以使硬件運(yùn)行的可控，還具有監(jiān)測(cè)信息、云端交流等功能。旨在針對(duì)這些自控能力差的戒煙人群成功戒煙。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過使用STM32F103C8T6 單片機(jī)、DHT-11 溫濕度傳感器模塊、霧化片、風(fēng)扇模塊、半導(dǎo)體制冷片、PTC 加熱片、充電模塊。濕度控制部分以STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控，DHT-11 數(shù)字溫濕度傳感器將采集到的濕度信號(hào)傳送給STM32F103C8T6 單片機(jī)，手機(jī)APP 實(shí)時(shí)顯示。手機(jī)APP 由已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，通過HC-05 藍(lán)牙模塊將手機(jī)APP 與裝置通訊連接，用戶通過手機(jī)APP 可以獲取裝置狀態(tài)信息、選擇裝置工作模式、設(shè)置合適濕度閾值、控制控濕時(shí)長、設(shè)置煙盒鎖定時(shí)間，裝置程序設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。另設(shè)有點(diǎn)煙器、盛放糖果裝置人性化部分。

圖1 裝置程序設(shè)計(jì)框圖

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置整體結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，在盛放煙草裝置四周分布各個(gè)模塊，進(jìn)行連通布線。內(nèi)部底部空間安裝單片機(jī)、DHT-11 溫濕度傳感器、HC-05 藍(lán)牙模塊。鎖體部分安裝風(fēng)扇模塊、拔塞加水的儲(chǔ)水箱，儲(chǔ)水箱外殼中間放置霧化片，周圍保證防水。盛煙槽四周安裝PTC 加熱片、半導(dǎo)體制冷片、蓄電池、點(diǎn)煙器、盛放糖果裝置，蓄電池與兩種充電端口位于裝置底部，支持安卓接口與TYP-C 接口充電。為使溫濕度傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)不受干擾，獲得準(zhǔn)確檢測(cè)數(shù)據(jù)，將DHT-11 溫濕度傳感器與霧化片、PTC 加熱片、半導(dǎo)體制冷片分別安裝在外圍，合理排線連接主控電路，同時(shí)為使戒煙者有效控制吸煙頻率，設(shè)計(jì)煙盒自鎖裝置，由電磁鐵進(jìn)行裝置的鎖定。為使裝置內(nèi)水霧、熱氣、冷氣均勻分布，同時(shí)不阻礙水汽的噴出，將小型風(fēng)扇裝置，并且在上方、對(duì)面底盤打孔，促進(jìn)裝置內(nèi)空氣流，增設(shè)卡槽以保證設(shè)備硬件連接。其爆炸視圖如圖2 所示，實(shí)物圖如圖3 所示。

圖2 裝置爆炸視圖

圖3 裝置實(shí)物圖

■2.1 藍(lán)牙通信模塊

藍(lán)牙通信模塊是智能戒煙盒硬件與手機(jī)APP 交換數(shù)據(jù)的通道，藍(lán)牙通信模塊一般以串口的形式與單片機(jī)相連，本文選用的是HC-06 藍(lán)牙串口從機(jī)模塊，模塊上引出了VCC、GND、TXD 和RXD 四根管腳。HC-05 藍(lán)牙模塊通過串口與MCU 或其他設(shè)備進(jìn)行通信，可以使用UART、USB等接口進(jìn)行通信。藍(lán)牙通信分為兩種模式：主機(jī)模式和從機(jī)模式。HC-05 藍(lán)牙模塊可以設(shè)置為主機(jī)模式或從機(jī)模式，實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的通信。藍(lán)牙模塊可以傳輸串口數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)等多種類型的數(shù)據(jù)。藍(lán)牙通信模塊與單片機(jī)連接原理圖如圖4 所示。

圖4 藍(lán)牙通信模塊與單片機(jī)連接原理圖

■2.2 溫濕度傳感器模塊

DHT-11 數(shù)字溫濕度傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)智能煙盒內(nèi)的濕度情況，并反饋給單片機(jī)。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。DHT-11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款帶有已校正數(shù)字信息輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，內(nèi)部由一個(gè)八位單片機(jī)控制一個(gè)電阻型感濕器件和一個(gè)NTC 測(cè)溫元件。其溫度測(cè)量范圍為0℃～50℃，誤差在±2℃；濕度的測(cè)量范圍為20%～90%RH，誤差在±5%RH。

■2.3 溫濕度控制模塊

半導(dǎo)體制冷片是一個(gè)熱傳遞的工具。當(dāng)一塊N 型半導(dǎo)體材料和一塊P 型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成的熱電偶對(duì)中有電流通過時(shí)，兩端之間就會(huì)產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，熱量就會(huì)從一端轉(zhuǎn)移到另一端，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端。

超聲波霧化片利用電子高頻震蕩（振該電子振蕩對(duì)人體及動(dòng)物無傷害），通過陶瓷霧化片的高頻諧振，將液態(tài)水分子結(jié)構(gòu)打散而產(chǎn)生自然飄逸的水霧，當(dāng)水位低于水位開關(guān)時(shí)，霧化器會(huì)自動(dòng)停止工作。

PTC 加熱片采用PTC 陶瓷發(fā)熱元件與鋁管組成。該類型PTC 加熱器有熱阻小、換熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，是一種自動(dòng)恒溫、省電的電加熱器。PTC 產(chǎn)品有自動(dòng)節(jié)能的特性，當(dāng)加熱器把環(huán)境溫度提升后，其功率會(huì)逐漸降低，本裝置采用5V/50℃、0.3～1W 的加熱片。

本裝置選擇的風(fēng)扇模塊電壓5V，電流0.12A，尺寸20mm×20mm×10mm，用來將霧化片產(chǎn)生的水汽擴(kuò)散至智能煙盒內(nèi)的各個(gè)空間。

■2.4 裝置鎖定模塊

采用超小型化貫穿式電磁鐵，輸入電壓為3V，當(dāng)其電壓小于3V 時(shí)電磁鐵伸出，裝置鎖定；當(dāng)電壓大于3V 時(shí)，電磁鐵收縮，裝置解鎖。

■2.5 電源電路

選用5V 可充電鋰電池，供能相應(yīng)原件需要降壓，采用LDO 電源電路，可以作為線性穩(wěn)壓器，將5V 電壓轉(zhuǎn)化輸出為3.3V。電源電路原理圖如圖5 所示。

圖5 電源電路原理圖

■2.6 主控模塊

采用STM32F103C8T6，其小巧、成本低、高性能等優(yōu)勢(shì)是對(duì)裝置進(jìn)行良好控制的最優(yōu)選擇。

3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

Java 程序語言易于應(yīng)用和理解，它與其他傳統(tǒng)的編程語言手段的不同之處在于Java 編程語言不是對(duì)整個(gè)程序的結(jié)構(gòu)整體化進(jìn)行改變，而是進(jìn)行一個(gè)階段性的編寫，模塊之間同樣是相互之間聯(lián)結(jié)的。Java 語言在其可靠性上的要求較高，通過自己的安全防護(hù)機(jī)制可以有效防止病毒，這可以使得Java 編程語言能夠成為非常安全的編程語言。正是由于Java 以上優(yōu)點(diǎn)，保證了智能煙盒運(yùn)行的可行性與穩(wěn)定性。Java 網(wǎng)絡(luò)編程系統(tǒng)語言在準(zhǔn)確處理軟件網(wǎng)絡(luò)間的信息交換方面同樣有著強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在APP 開發(fā)應(yīng)用過程中，看護(hù)人不僅能夠直接進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督和遠(yuǎn)程操縱，將APP 可執(zhí)行性充分發(fā)揮提高到最大應(yīng)用程度，為看護(hù)人提供更良好的軟件使用交互體驗(yàn)。

應(yīng)用程序APP 是Android 手機(jī)與藍(lán)牙型智能戒煙盒的主要交互途徑，本APP 通過藍(lán)牙模塊將設(shè)備與手機(jī)進(jìn)行連接通訊，接受其傳遞的電信號(hào)并在APP內(nèi)顯示溫濕度以及電量百分比。當(dāng)由APP 控制其鎖定時(shí)間時(shí)，向設(shè)備發(fā)送電信號(hào)控制微型電機(jī)進(jìn)行自鎖，由手機(jī)自動(dòng)定時(shí)，當(dāng)時(shí)間達(dá)到預(yù)期，可發(fā)送電信號(hào)到設(shè)備控制微型電機(jī)進(jìn)行解鎖。另外具有顯示設(shè)備的信息、信息記錄查詢等一系列功能。針對(duì)戒煙者自己戒煙容易產(chǎn)生枯燥乏味心理，設(shè)計(jì)了用戶社區(qū)交流平臺(tái)，其中包含個(gè)人信息查詢、交流中心、未抽煙時(shí)長排行榜等功能，不僅可以讓戒煙者實(shí)現(xiàn)良好的交流，也能促進(jìn)戒煙者的競(jìng)爭(zhēng)、正向比較心理，實(shí)現(xiàn)共同進(jìn)步、共同戒煙的目的。其中排行榜功能，我們會(huì)定期為周榜月榜年榜排行靠前用戶發(fā)放獎(jiǎng)勵(lì)，一定程度上促進(jìn)戒煙者戒煙，手機(jī)APP 頁面如圖6 所示。

圖6 手機(jī)APP 頁面

■3.1 APP 應(yīng)用權(quán)限設(shè)置

Java 網(wǎng)絡(luò)編程系統(tǒng)語言在準(zhǔn)確處理軟件網(wǎng)絡(luò)間的信息交換方面有著強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在APP 開發(fā)應(yīng)用過程中，看護(hù)人不僅能夠直接進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督和遠(yuǎn)程操縱，將APP 可執(zhí)行性充分發(fā)揮提高到最大應(yīng)用程度，為看護(hù)人提供更良好的軟件使用交互體驗(yàn)。軟件用戶界面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和直接獲取應(yīng)用資源與直接使用其他資源，都非常需要應(yīng)用權(quán)限，因?yàn)檫@種權(quán)限設(shè)定可以對(duì)一個(gè)應(yīng)用程序本身起到安全保護(hù)的重要作用，就智能戒煙盒APP 開發(fā)應(yīng)用情況來看，在程序命名應(yīng)用權(quán)限能夠獲取的時(shí)候同時(shí)還需要能夠直接獲取其他的一些程序相應(yīng)應(yīng)用權(quán)限，保證了看護(hù)人操作體驗(yàn)的提升等，對(duì)戒煙者更好地進(jìn)行監(jiān)督。

■3.2 監(jiān)護(hù)人模式

針對(duì)戒煙者可能會(huì)有懈怠氣餒的行為，設(shè)計(jì)了監(jiān)護(hù)人模式，可以由戒煙者的家人進(jìn)入此模式，對(duì)戒煙設(shè)備實(shí)行優(yōu)先級(jí)控制，對(duì)戒煙者的戒煙時(shí)間等一系列行為進(jìn)行監(jiān)控及控制。并且其功能與上述相同，由無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)戒煙者手機(jī)APP 信息進(jìn)行控制如圖7 所示。

圖7 監(jiān)護(hù)人模式頁面組圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于藍(lán)牙技術(shù)的智能戒煙盒，可以對(duì)裝置的溫濕度信息收集，并針對(duì)不同的溫濕度情況通過控制PTC加熱片、半導(dǎo)體制冷片、小風(fēng)扇等實(shí)現(xiàn)理想溫濕度環(huán)境。由手機(jī)藍(lán)牙與設(shè)備進(jìn)行連接，通過手機(jī)APP 獲取裝置信息并進(jìn)行定時(shí)鎖定，還具有交流、監(jiān)護(hù)人模式等功能。一定程度地解決了某些戒煙者存在自制力不強(qiáng)、擔(dān)心香煙浪費(fèi)的矛盾心理等問題。