基于STM32的智能醫(yī)囑手環(huán)設計

摘 要：老年人的記憶力隨著年齡的增長會逐漸下降，經(jīng)常出現(xiàn)忘記吃藥等現(xiàn)象；同時老年人也有實時觀測自己身體健康的需求。為此，基于STM32設計了集體溫心率檢測、定時提醒吃藥和一鍵呼叫等功能于一體的智能醫(yī)囑手環(huán)系統(tǒng)。以STM32單片機作為系統(tǒng)主控芯片，由心率傳感器模塊、DS18B20溫度傳感器模塊、JQ8400語音播放模塊和OLED屏幕模塊組成，整個系統(tǒng)通過WiFi模塊與手機連接，可以實現(xiàn)遠程監(jiān)測控制目的。該系統(tǒng)符合健康生活的需求，實際的應用空間也比較大。

關鍵詞：STM32單片機；心率傳感器；溫度傳感器；語音播報；WiFi模塊；OLED模塊

中圖分類號：TP393；G426 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-0-04

0 引 言

隨著老年人口數(shù)量開始逐漸增加，老年人的醫(yī)療問題成為當今社會面臨的重點問題。尤其是老年人常常需要服用一些藥品用來治療疾病，聽從醫(yī)生囑托按時吃藥是老年人身體康復的關鍵。有時吃藥和服用保健品的時間混亂，不能夠有計劃地進行，就達不到最大的效果。為了能夠讓老年人享受到便利的提醒服務，本文設計出基于STM32單片機的智能醫(yī)囑手環(huán)系統(tǒng)，將手環(huán)佩戴在胳膊上，可以隨時隨地監(jiān)測到每天按醫(yī)囑服用藥品或者保健品的情況。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)設計目標

我國老齡化人口逐漸增多，為了讓患者或者老人能夠聽從醫(yī)囑按時服藥，實時監(jiān)測自己的身體健康狀況，同時也能讓親人通過手機監(jiān)測和控制，設計出此系統(tǒng)。需要實現(xiàn)的功能如下：

（1）體溫心率檢測：心率傳感器模塊、DS18B20溫度傳感器模塊監(jiān)測用戶的心率和體溫情況[1]，將監(jiān)測到的體溫和心率傳輸?shù)絆LED屏顯示。

（2）語音提醒：通過手動和自動兩種方式可以設定需要吃藥的時間，當達到吃藥時間時，系統(tǒng)進行語音提醒。

（3）報警功能：可以通過按鍵設置體溫和心率的閾值，當測量到當前體溫和心率不在閾值范圍內(nèi)時，則會觸發(fā)報警。

（4）一鍵呼叫功能：按下按鍵時，小程序通過云平臺推送消息給綁定公眾號的親人，代表此時老人遇到危險。

（5）遠程監(jiān)測控制：系統(tǒng)通過WiFi模塊和網(wǎng)絡將測量的體溫和心率上傳到云平臺，人們可以在小程序進行監(jiān)測，并可以在小程序界面控制閾值和手動提醒吃藥[2]。

1.2 系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)在設計過程中分為硬件模塊和軟件模塊兩個部分。硬件模塊以STM32作為核心控制板進行開發(fā)，主要包括通信模塊、語音播報模塊、按鍵模塊、體溫和心率傳感器模塊等，系統(tǒng)整體主要實現(xiàn)體溫心率采集、狀態(tài)檢測、定時吃藥等功能。軟件設計模塊由騰訊連連小程序及定時語音播報等部分組成。通過將硬件和軟件部分相結合，構成一個有效的系統(tǒng)。該系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控模塊

本設計選擇STM32F030C8T6作為核心控制器，STM32F030C8T6微控制器集成了以48 MHz頻率運行的高性能ARM Cortex-M0 32位RISC內(nèi)核、高速嵌入式存儲器，以及廣泛的增強型外設和I/O。提供標準通信接口、1個12位ADC、7個通用16位定時器和1個高級控制PWM定時器[3]。STM32F030C8T6單片機內(nèi)存大，可以實現(xiàn)兼容，同時價格與同級別的單片機相比更加實惠，在書寫程序時可以實現(xiàn)重寫的功能，在程序編譯時為了防止出現(xiàn)亂碼的現(xiàn)象可以進行加密處理。

2.2 心率傳感器模塊

Pulse Sensor傳感器是一款用于脈搏波形測量、心率測量和HRV分析的廣電反射式模擬傳感器，傳感器對光電信號進行濾波[4]、放大，最終輸出模擬電壓值。具有使用簡單、佩戴方便、可靠性高等特點。本次設計Pulse Sensor傳感器通過杜邦線和單片機進行連接，并且將采集到的模擬信號傳輸給單片機，單片機通過將采集到的模擬信號值轉換為數(shù)字信號，再通過簡單計算就可以得到心率數(shù)值[5]。該芯片有三個端口，一個端口連接3.3 V的電源，一個端口接地GND，最后一個端口連接STM32F030C8T6單片機的PA0引腳。心率傳感器模塊電路和實物如圖2所示。

2.3 溫度傳感器模塊

溫度傳感器模塊采用DS18B20溫度傳感器進行監(jiān)測，它的體積較小、成本低、功耗低、精度高，信號處理能力較強，其溫度誤差小于0.4 ℃，實用性很強。本次設計DS18B20傳感器測量老人的體溫，它有三個端口，一個端口接3.3 V的電源，一個端口接地GND，最后一個端口DATA與STM32F030C8T6單片機的PA1引腳連接。心率傳感器模塊電路和實物如圖3所示。

2.4 語音播報模塊

語音提醒吃藥功能采用JQ8400語音播報模塊實現(xiàn)，自帶3 W功放，有4 MB的存儲空間，非常符合本項目的要求。設計JQ8400語音模塊時選擇的是SOC方案，在內(nèi)部裝載了1個16位的MCU，以及1個專門針對音頻解碼的ADSP，且采用硬解碼的方式，更加保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和音質(zhì)[6]，能夠靈活地更換SPI-FLASH內(nèi)的語音內(nèi)容。這個芯片有6個端口，一個連接5 V電源，一個接地GND，RX和TX端口與STM32F030C8T6單片機的TXD1和RXD1引腳連接，SPK正負極連接廣播進行語音播放。語音播報模塊電路和實物如圖4所示。

2.5 WiFi通信模塊

通信采用ESP8266來實現(xiàn)，該模塊是工作在2.4 GHz頻率下的短距離無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，具有低功耗、高度集成和低成本等特點。ESP8266系列無線模塊是一系列高性價比WiFi SOC模組。本次設計WiFi模塊支持標準的IEEE802.11b/g/n協(xié)議，內(nèi)置完整的TCP/IP協(xié)議棧，用戶可以使用該系列模塊為現(xiàn)有的設備添加聯(lián)網(wǎng)功能，也可以構建獨立的網(wǎng)絡控制器[7]。該WiFi模塊一共有8個引腳，RX端口連接STM32F030C8T6單片機的TXD2引腳，2引腳連接5 V的電源，GND接地，TX端口連接STM32F030C8T6單片機的RXD2引腳[8]。WiFi通信模塊電路和實物如圖5所示。

2.6 OLED顯示屏模塊

OLED屏幕選用0.96寸的液晶顯示屏，具備SPI接口，工作電壓為5 V，工作電流小于150 μA。屏幕工作時，最多可以顯示4*8個漢字信息，滿足本系統(tǒng)的需求。本設計中的OLED液晶模塊是一款控制器為SSD1306、分辨率為128*64的點陣OLED顯示模塊，具有自發(fā)光的特性。OLED屏幕顯示模塊有6個端口，1個端口接地，1個端口接3.3 V電源，其余4個端口分別是SCK、SDA、RST和DC引腳，與STM32F030C8T6單片機的SCLK2、MOSI2、OLED RST和OLED DC引腳連接，SCK負責控制時鐘，SDA負責數(shù)據(jù)通信，RST負責控制復位功能，DC負責發(fā)出指令或者通過數(shù)據(jù)選擇切換引腳。OLED顯示屏模塊電路和實物如圖6所示。

2.7 聲光報警模塊

聲光報警模塊采用驅(qū)動蜂鳴器，蜂鳴器是一種通過震蕩發(fā)音的電子器件，被廣泛應用于打印機[9]、汽車玩具和計算機等場景，具有壽命長、可靠性高等特點。本次設計采用NPN三極管，用以管制蜂鳴器。當三極管為高電平時，三極管就會飽和導通，這時蜂鳴器就會工作，STM32F030C8T6單片機的BEEP引腳串聯(lián)10 kΩ的電阻與NPN三極管串聯(lián)。聲光報警模塊電路和實物如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)總體軟件設計

系統(tǒng)通電后各個模塊開始進行初始化，然后就會檢測人體體溫是否正常，若正常則在顯示屏幕上顯示；檢查心率檢測是否開啟，開啟后在顯示屏上顯示；查看是否按時吃藥并進行顯示，最后進行聲光報警，完成一個循環(huán)。本智能醫(yī)囑手環(huán)系統(tǒng)是基于STM32設計與實現(xiàn)的。整個系統(tǒng)通過WiFi模塊與手機連接，可以將采集的數(shù)據(jù)實時顯示在手機上，同時可以在手機上設置傳感器采集的范圍以及吃藥次數(shù)；并且在老人出現(xiàn)危險時可通過按下按鍵推送消息給綁定公眾號的親人。程序流程如圖8所示。

3.2 體溫和心率監(jiān)測子系統(tǒng)程序設計

體溫和心率傳感器把采集的數(shù)據(jù)信息傳入主控芯片，再經(jīng)過主控芯片的一系列處理操作，最終把數(shù)據(jù)顯示到顯示屏上，如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，蜂鳴器會及時報警。接通電源后，系統(tǒng)開始進行初始化，體溫和心率傳感器就開始進行工作，檢測人體的體溫和心率數(shù)據(jù)，在一段時間內(nèi)進行心率的計算，然后在顯示屏幕上顯示，并與事先設置的溫度數(shù)據(jù)閾值進行對比[10]。體溫和心率監(jiān)測子系統(tǒng)程序流程如圖9所示。

3.3 語音子系統(tǒng)程序設計

系統(tǒng)接通電源后進行初始化處理，將芯片通過WiFi和手機端進行連接，此時會同步時鐘，顯示在OLED屏幕上；通過按鍵可以設置吃藥時間，當時鐘到設定時間時，此時語音播報模塊便開始工作，播報“時間到了，該吃藥了”信息；也可通過手機端小程序界面設置吃藥時間，同樣地，到時間時語音播報模塊開始工作。語音播報子系統(tǒng)程序流程如圖10所示。

3.4 WiFi通信子系統(tǒng)程序設計

本次設計接通電源后，就會啟動手機APP開啟WiFi功能，對目標設備進行掃描配對。假如發(fā)現(xiàn)目標設備就會進行設備連接，假如沒有掃描到目標設備就會一直處在掃描目標設備的狀態(tài)。連接上目標設備后用戶就可以輸入信息，進入到主控界面進行觀察，然后就可以收到主控系統(tǒng)發(fā)送的信息數(shù)據(jù)，并在手機上顯示，最后結束本次運行，系統(tǒng)處在待機狀態(tài)。WiFi通信子系統(tǒng)程序流程如圖11所示。

3.5 OLED模塊子系統(tǒng)程序設計

顯示屏幕模塊負責顯示心率、溫度、用藥時間等數(shù)據(jù)。當接通電源后，先對屏幕進行初始化，使得屏幕全像素進行激活，然后根據(jù)設計的X、Y坐標值進行數(shù)據(jù)更新。OLED顯示模塊子系統(tǒng)程序流程如圖12所示。

3.6 聲光報警模塊子系統(tǒng)程序設計

系統(tǒng)接通電源后就開始進行初始化處理，然后聲光報警模塊會等待判斷主控系統(tǒng)傳輸?shù)氖欠袷菆缶盘?，當接到聲光報警的信號后，就會啟動聲光報警，二極管的紅燈亮起，并發(fā)出聲音進行報警；假如沒有信號進行聲光報警，二極管就會處于綠燈狀態(tài)。聲光報警模塊子系統(tǒng)程序流程如圖13所示。

4 系統(tǒng)測試

為驗證系統(tǒng)是否達到設計要求，需要對系統(tǒng)進行功能測試。主要對系統(tǒng)的語音播報功能、小程序控制功能、報警功能和一鍵呼叫功能進行測試。

4.1 語音播報功能測試

系統(tǒng)接通電源后，會在顯示屏幕上顯示當前的數(shù)據(jù)，會進行心率、溫度等數(shù)據(jù)信息的閾值設置，進入小程序設置界面可以對提醒吃藥時間進行設置，當達到吃藥時間時，便會開始語音播報提醒吃藥。系統(tǒng)語音播報功能的測試總共做了30次，其中自動10次、手動20次，有效次數(shù)是27次，無效次數(shù)為3次，通過計算可得出有效率為90%，滿足合格標準。

4.2 小程序控制功能測試

系統(tǒng)接通電源后，通過WiFi模塊與用戶的手機配對成功后，就會在手機上實時監(jiān)測到智能醫(yī)囑手環(huán)傳輸?shù)男畔?，可以直觀地看到服藥的次數(shù)、當前的身體溫度和心率等，以及身體溫度和心率的范圍等，可以在小程序上調(diào)整閾值以及服藥提醒。手機控制功能主要測試了手機控制的五種操作共計30次，其中體溫最小值、體溫最大值、心率最小值和心率最大值各5次，服藥提醒測試10次，而每種操作的有效次數(shù)分別是4次、5次、5次和4次，服藥提醒有效次數(shù)為10次，所以小車遙控功能的測試有效率大于90%，基本滿足合格標準。

4.3 報警功能測試

系統(tǒng)上電后，OLED屏幕會顯示當前的體溫和心率，通過溫度傳感器和心率傳感器進行采集，通過按鍵可以設置界面，調(diào)整體溫和心率的閾值，也可以通過小程序進行調(diào)整，當前的體溫和心率如果超過設定的閾值，便會報警。報警功能的測試總共做了30次，其中有效次數(shù)也是27次，無效次數(shù)為3次，通過計算可得出有效率為90%，滿足合格標準。

4.4 一鍵呼叫功能測試

當老人遇到危險時，可以按下按鍵進行呼救，系統(tǒng)將上傳一條SOS呼叫信息給綁定公眾號的親人。一鍵呼救功能的測試總共做了15次，其中有效次數(shù)是14次，無效次數(shù)為1次，通過計算可得出有效率大于90%，滿足合格標準。

4.5 系統(tǒng)總體測試

測試過程：將系統(tǒng)上電，進入設置界面，調(diào)整閾值，使當前的體溫心率超過閾值，在小程序界面添加場景設定時間，按下K3鍵。測試結果：超過閾值后報警，到達設定時間語音播報提醒吃藥，按下K3后手機收到呼救信息。結果分析：根據(jù)功能測試，該設計基本符合各項需求。系統(tǒng)實物和小程序界面如圖14所示。

5 結 語

本文設計的基于STM32的智能醫(yī)囑手環(huán)系統(tǒng)，主要實現(xiàn)對老年人的體溫和心率的監(jiān)測，提醒老年人按時吃藥，在老人遇到危險時能夠及時通知他們的家人?；赟TM32的智能醫(yī)囑手環(huán)設計符合現(xiàn)代人的需求，用戶通過智能醫(yī)囑手環(huán)可以實時監(jiān)測自己的身體健康狀況，以便根據(jù)監(jiān)測的結果有針對性地做出調(diào)整，符合人們的現(xiàn)實生活需求。

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作者簡介：范培棟（2001—），男，本科在讀，研究方向為嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)相關技術等。

閔 改（1981—），女，碩士，講師，研究方向為圖像識別等。

收稿日期：2023-05-04 修回日期：2023-06-01