吳振磊 顧楚楚

摘要：科技讓我們的生活更加美好，近些年來(lái)，伴隨著微電子技術(shù)、微機(jī)械控制技術(shù)、大型集成電路技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)在人們的學(xué)習(xí)、生活、工作中得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹了一款基于STM32技術(shù)的智能型藥盒，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)督老年人按時(shí)吃藥并通過(guò)通信系統(tǒng)及時(shí)將信息反饋到APP端。本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)難度適中，成本較低，易于維護(hù)，使用方便，滿足日常需求，可為智慧養(yǎng)老醫(yī)療系統(tǒng)提供良好的支撐。

關(guān)鍵詞：智能藥盒;STM32芯片;嵌入式技術(shù);

1 ??引言

國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不斷提高人民的生活水平，人們?cè)絹?lái)越注意生活的品質(zhì)。隨著生育率逐漸降低，社會(huì)人口老齡化問題逐漸凸顯出來(lái)，如何贍養(yǎng)好老年人成為社會(huì)關(guān)注和亟需解決的問題。而隨著通信和計(jì)算機(jī)等高科技的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)智能輔助技術(shù)在日常生活中對(duì)老年人醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用一直備受關(guān)注。將智能輔助技術(shù)應(yīng)用到老年人的醫(yī)療中是當(dāng)下技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)典范，隨著產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代，智能化的藥盒將具有更加豐富的功能，通過(guò)藥盒的數(shù)據(jù)記錄老年人服藥數(shù)據(jù)，可以提供良好的藥療分析數(shù)據(jù)，可以讓醫(yī)生更好的了解患者情況并對(duì)癥下藥。

因此針對(duì)這種現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種家用智能藥盒，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本設(shè)計(jì)是一款基于STM32嵌入式技術(shù)智能藥盒。該藥盒可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定藥物的種類和服藥時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)老年人每天定時(shí)提醒，提醒使用者服用多種藥物中的一種或多種，以幫助服藥者按時(shí)服藥，緩解病狀。

2 ??基本控制要求

為滿足使用者越來(lái)越復(fù)雜多樣的要求，本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)APP端設(shè)定時(shí)間和藥物種類后，經(jīng)由通信模塊發(fā)送至藥盒控制器中，控制器接受指令以后，根據(jù)設(shè)定情況分類定時(shí)，以聲音和警示燈的方式提醒使用者服藥，在使用者服藥以后單片機(jī)通過(guò)信息采集模塊將數(shù)據(jù)及時(shí)反饋給APP并記錄于APP后臺(tái)，護(hù)理人員可以了解使用者的服藥情況。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該藥盒主要由控制模塊、通信模塊、電源模塊、提示模塊和軟件APP等組成。

控制模塊：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理及指令發(fā)送;

通信模塊：負(fù)責(zé)單片機(jī)與APP間的通信數(shù)據(jù)傳輸;

電源模塊：為各個(gè)模塊供電，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行;

提示模塊：發(fā)出提示聲音和警示燈，提醒并引導(dǎo)用戶定時(shí)服藥;

檢測(cè)模塊：檢測(cè)使用者服藥情況，并及時(shí)反饋給控制器;

軟件APP：設(shè)定服用藥物的類型和時(shí)間并及時(shí)反饋給控制器。

3 ??單元電路分析與實(shí)現(xiàn)

3.1 控制模塊

本設(shè)計(jì)采用STM32F103單片機(jī)作為主控芯片。STM32F103是當(dāng)前主流控制芯片，該芯片支持在線仿真等多種仿真模式，使用領(lǐng)域廣泛、開發(fā)者眾多。在智慧醫(yī)療、智慧養(yǎng)老、智能家居控制等領(lǐng)域中都發(fā)揮了重要的作用。本設(shè)計(jì)作為智慧養(yǎng)老的重要一環(huán)，后期必須具有強(qiáng)大的擴(kuò)展能力和組網(wǎng)能力，采用STM32F103作為主控制芯片，可實(shí)現(xiàn)后期的潛力開發(fā)和通信方式的多樣化。

STM32F103單片機(jī)是基于ARM的32位通用增強(qiáng)型微控制器，支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤。由Cortex-M3內(nèi)核D-bus、S-bus、DMA1、DMA2和以太網(wǎng)DMA五個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，內(nèi)部SRAM、閃爍存儲(chǔ)器和連接所有APB設(shè)備的AHB2APBx三個(gè)被動(dòng)單元組成。該控制器實(shí)時(shí)性能好、功耗低、強(qiáng)大的處理能力和最大程度的集成整合，易于開發(fā)。

STM32與其他單片機(jī)相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

1.與51系列相比，STM32F103采用當(dāng)前移動(dòng)端廣泛使用的ARM構(gòu)架，功耗低，技術(shù)成熟;

2.與MSP430相比可進(jìn)行位操作，接口使用方便簡(jiǎn)單，學(xué)習(xí)難度小;

3.與其它8/16位單片機(jī)相比，內(nèi)存更大、處理速度快，可開發(fā)潛力更大;

4.應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，開發(fā)難度小。

主控模塊電路圖的設(shè)計(jì)如圖1所示。

3.2 通信模塊

通信技術(shù)方面可采用藍(lán)牙技術(shù)。相比于其他通信技術(shù)，藍(lán)牙可連接多個(gè)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和消費(fèi)電子領(lǐng)域，具有成本低、穩(wěn)定性好、技術(shù)成熟、開發(fā)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)10米，完全滿足本設(shè)計(jì)要求，而且其數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩苑浅８摺?/p>

利用通用藍(lán)牙模塊作為本設(shè)計(jì)的無(wú)線通信模塊，該模塊支持串口通信，支持SPP串口協(xié)議，信號(hào)較好，傳輸速率較高。本設(shè)計(jì)中采用了JDY-30藍(lán)牙模塊，其特點(diǎn)是支持 Android 手機(jī) SPP 通信、內(nèi)置 PCB 天線、支持 UART 接口、功耗低。在與主控芯片連接時(shí)，只需要將藍(lán)牙模塊中的TXD和RXD分別連接芯片的RXD和TXD端。

3.3 電源模塊

電源作為整個(gè)系統(tǒng)的重中之重，是整個(gè)系統(tǒng)的能量來(lái)源。首先采用常規(guī)手機(jī)充電器將220V交流電轉(zhuǎn)成5V直流電以后再進(jìn)入藥盒內(nèi)部，但由于在整個(gè)系統(tǒng)中存在3.3V和5V兩種直流電需求，需要將5V轉(zhuǎn)換成3.3V以滿足個(gè)單元電路的電源需求。因此本設(shè)計(jì)選用了AMS1117-3.3芯片作為電源轉(zhuǎn)換芯片。

AMS1117-3.3是一種低漏失電壓調(diào)整器，輸出3.3V，帶保護(hù)可靠性極高。體積小，價(jià)格低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，該芯片屬于穩(wěn)壓輸出，利用AMS1117-3.3經(jīng)典電源轉(zhuǎn)換電路，將輸入的5V直流電轉(zhuǎn)為3.3V直流電。電源轉(zhuǎn)換電路圖如圖2所示。

3.4提示模塊

提示模塊作為該設(shè)計(jì)輸出部分，必須具有可靠的提醒作用。由于老年人本身的身體情況不佳，只采用單一的提示方式可能會(huì)存在容易遺漏或容易忽視等特點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)中采用蜂鳴器+LED的聲光雙重提醒方式，增加提醒的有效性。

蜂鳴器作為有源電子訊響器，采用的是5V直流電壓供電，電路中采用8050三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)，其最大電流500MA，放大倍數(shù)在10-60倍。本模塊采用5V供電，按照放大50倍計(jì)算，采用100歐電阻最為合適，通過(guò)單片機(jī)輸出高電平實(shí)現(xiàn)報(bào)警，其電路原理圖如圖3所示：

LED燈是一種基于半導(dǎo)體材料的發(fā)光管，是一種高亮度低功耗的二極管燈。該燈在節(jié)能領(lǐng)域有著很大的作為。本設(shè)計(jì)采用LED與電阻串聯(lián)，降低電路電流，并將單片機(jī)引腳端作為流入端。引腳呈現(xiàn)低電壓LED燈發(fā)光，反之關(guān)閉。由于單片機(jī)引腳功率有限，其管腳電流最大不超過(guò)25MA，總的電流不超過(guò)150MA，為防止電流對(duì)單片機(jī)引腳的沖擊，和將LED置于合適亮度，因此采用1K電阻，作為限流電阻，其具體電路原理圖如圖4所示。

3.5 開關(guān)檢測(cè)電路

信號(hào)的接收與轉(zhuǎn)換是通過(guò)開關(guān)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)撥動(dòng)開關(guān)處于1位置，單片機(jī)管腳接收到0，撥動(dòng)到2位置，單片機(jī)管腳接收到1信號(hào)。通過(guò)這種轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)藥盒是否使用的檢測(cè)。其電路圖如圖5所示。

3.6 APP程序

由于本APP主要支持Android平臺(tái)，因此可采用如Android SDK、JDK、Eclipse+ADT等開發(fā)工具，APP編程采用JAVA語(yǔ)言模塊化編程，主要包括：

藍(lán)牙接口設(shè)計(jì)：由于該設(shè)計(jì)在硬件與軟件通信采用的是藍(lán)牙通信模塊，所以本APP在接口設(shè)計(jì)中需要調(diào)用startDiscover（ ）方法使用藍(lán)牙，并通過(guò)對(duì)接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，本設(shè)計(jì)搜索時(shí)間設(shè)定為13s左右，同時(shí)加入了連接失敗報(bào)警。

廣播及數(shù)據(jù)處理：在進(jìn)行APP與藍(lán)牙連接時(shí)需要調(diào)用blueadapter.startDiscovery （ ）進(jìn)行廣播搜索對(duì)接，在通過(guò)一段時(shí)間的廣播搜索以后進(jìn)行配對(duì)，配對(duì)完成以后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)接。通過(guò)APP端的設(shè)置窗口實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間和藥盒編號(hào)的設(shè)定并通過(guò)藍(lán)牙節(jié)后寫入芯片內(nèi)部，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)APP端對(duì)硬件的間接控制。

定時(shí)功能設(shè)計(jì)：由于APP與主控芯片之間需要通過(guò)藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫，因此APP中需要設(shè)計(jì)時(shí)間控制及接口數(shù)據(jù)的預(yù)處理。在實(shí)現(xiàn)通信的之前需要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的必須實(shí)現(xiàn)對(duì)接，不通過(guò)線程獲取輸出和輸出實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分享，本設(shè)計(jì)可采用函數(shù)封裝，方便簡(jiǎn)單。

4 ??結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103嵌入式技術(shù)的智能藥盒，旨在積極引導(dǎo)服藥者按時(shí)分類吃藥。該藥盒利用APP程序，方便使用者設(shè)定時(shí)間和數(shù)據(jù)記錄，可以作為智慧養(yǎng)老或者智能家居的得力助手。由于該設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，技術(shù)方案相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)單。同時(shí)，利用STM32F103作為控制芯片，處理速度快，實(shí)時(shí)性好，開發(fā)潛力巨大。

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作者簡(jiǎn)介：吳振磊（1981-），男，江蘇蘇州人，碩士，講師，研究方向：電子信息工程技術(shù)。