余閏，王慧

湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢，430068

0 引言

我國(guó)老人占全國(guó)人口的比重在不斷加大，截至2018年我國(guó)老年人口高達(dá)2.5億人，其中獨(dú)居老和空巢老人增加到了1.18億人[1]。并且老年人的慢性病患病情況由2015年的44.81%上升到2021年的54.52%[2]，空巢老人獨(dú)自服藥的問題變得十分突出。根據(jù)調(diào)查，老年人平均用藥品種有五六種[3]，但我國(guó)市場(chǎng)上銷售的智能藥盒產(chǎn)品種類卻十分有限，現(xiàn)有產(chǎn)品普遍都不能滿足消費(fèi)者的需求。國(guó)內(nèi)典型藥盒的功能設(shè)計(jì)分析如表1所示，總體表現(xiàn)為功能十分單一，不具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等聯(lián)網(wǎng)功能[4]。

表1 國(guó)內(nèi)典型藥盒實(shí)例

在國(guó)內(nèi)市面上的常見藥盒都沒有實(shí)時(shí)監(jiān)控以及提醒的功能，成本相對(duì)也較高。如今伴隨著通信技術(shù)的普及和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，針對(duì)老年人經(jīng)常忘記吃藥的問題，本文設(shè)計(jì)出一種居家智能藥盒解決方案，其可以聯(lián)網(wǎng)使用，通過MQTT協(xié)議將吃藥信息傳輸?shù)椒?wù)器并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。其支持微信小程序顯示設(shè)備狀態(tài)、查詢數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容、刪除已設(shè)鬧鐘、設(shè)定時(shí)間、精準(zhǔn)設(shè)定語(yǔ)音和燈光提醒。其支持OLED面板顯示當(dāng)前城市時(shí)間與天氣、室內(nèi)溫濕度、吃藥記錄以及接收服務(wù)器信息。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)包括三個(gè)大的方面：硬件設(shè)備端（如ESP32為主控的設(shè)備端），服務(wù)器后端，軟件應(yīng)用前端。

圖1 總體系統(tǒng)框圖

硬件設(shè)備端通過WiFi與路由器相連接入互聯(lián)網(wǎng)之后，便可基于TCP協(xié)議的應(yīng)用協(xié)議MQTT與云服務(wù)器進(jìn)行通信，主要用于傳輸ESP32采集到的數(shù)據(jù)，以及來自應(yīng)用前端的指令。首先，移動(dòng)應(yīng)用端是通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)或者路由器連接上互聯(lián)網(wǎng)之后與云服務(wù)器進(jìn)行通信，然后通過服務(wù)器介質(zhì)獲取硬件設(shè)備端的狀態(tài)，隨后傳輸指令和訪問服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

本文介紹的硬件方案主要采用的是ESP32芯片作為主控芯片，滿足標(biāo)準(zhǔn)的TCP/UDP Client要求[5]，藍(lán)牙與WiFi集成其中，功耗小、成本低。最高主頻可達(dá)到240MHz，內(nèi)置雙核處理器，滿足實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)信息以及OLED實(shí)時(shí)顯示動(dòng)畫的要求。

硬件整體框架圖如圖2所示，此方案主要由四大部分組成，其中復(fù)制電路中的電源轉(zhuǎn)換電路采用的是典型的Buck電路設(shè)計(jì)，LM2596能將8～24V的電壓穩(wěn)定到5V輸出，最大輸出電流能達(dá)到3A，具有完善的保護(hù)電路[6]。由于自身是開關(guān)電源設(shè)計(jì)，因此其損耗只有肖特基二極管以及MOS在開關(guān)時(shí)的損耗，損耗小，并且可以達(dá)到額定15W的輸出，滿足系統(tǒng)整體供電需求。在音放電路中，由于老年人的聽力衰減比較嚴(yán)重，因此就需要大的音量來提醒老年人按時(shí)服用藥物。本方案采用的功率放大電路則是采用D類功放芯片LTK5128D來驅(qū)動(dòng)喇叭，此芯片效率高，最高可輸出5W功率，滿足大音量的設(shè)置要求。

圖2 硬件整體框架圖

1.3 設(shè)備端軟件設(shè)計(jì)

本方案在硬件端的MCU主程序圖如圖3所示，具體包括兩個(gè)大的狀態(tài)，即聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)和未聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)。

圖3 主程序流程圖

ESP32上電之后會(huì)對(duì)所有傳感器和OLED屏幕進(jìn)行初始化操作。如果設(shè)備當(dāng)前處于未連接上網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，首先ESP32會(huì)讀取內(nèi)存中儲(chǔ)存的上一次保存的WiFi名稱以及密碼，并進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)操作。若超時(shí)未成功，設(shè)備則會(huì)重新配網(wǎng)，然后設(shè)備打開WiFi熱點(diǎn)。當(dāng)手機(jī)連接到當(dāng)前的WiFi熱點(diǎn)，ESP32會(huì)將寫進(jìn)程序的網(wǎng)頁(yè)發(fā)送到手機(jī)端，此網(wǎng)頁(yè)包括附近WiFi熱點(diǎn)信息以及提交WiFi密碼和名稱的輸入框。當(dāng)用戶通過手機(jī)輸完目標(biāo)WiFi名稱和密碼時(shí)，ESP32會(huì)將得到的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到內(nèi)存中，并進(jìn)行復(fù)位，程序重新運(yùn)行。當(dāng)設(shè)備處于聯(lián)網(wǎng)的狀態(tài)時(shí)，ESP32會(huì)通過MQTT協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行通信，訂閱主題、監(jiān)聽端口信息；若服務(wù)器有消息輸入，則處理對(duì)應(yīng)事務(wù)，例如時(shí)間、消息留言板信息、數(shù)據(jù)庫(kù)回傳信息事務(wù)等。若藥盒蓋打開則發(fā)送消息到服務(wù)器，服務(wù)器則記錄數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)。由于ESP32本身是雙核處理器，因此可以多開線程。另一個(gè)線程則主要處理OLED顯示屏的動(dòng)態(tài)顯示，以及每隔一段時(shí)間發(fā)送當(dāng)前采集到的溫度與濕度數(shù)據(jù)到服務(wù)器[7]。

1.3.1 服務(wù)器軟件搭建

本文采用搭載了EMQ環(huán)境和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的服務(wù)器來搭建一個(gè)MQTT服務(wù)端的方案。由于本文主要介紹的方案是輕量級(jí)的，所以數(shù)據(jù)量不會(huì)特別龐大，因此采用了MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)來管理吃藥的次數(shù)與時(shí)間等相關(guān)數(shù)據(jù)。在Python腳本程序的控制下，服務(wù)器可以動(dòng)態(tài)化管理數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)接收到設(shè)備端或者移動(dòng)端發(fā)來的指令時(shí)，對(duì)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪查改等操作。

搭載物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境與數(shù)據(jù)庫(kù)的服務(wù)器通信模型如圖4所示，其主要是在服務(wù)器內(nèi)部由python程序來進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。在服務(wù)器外部，設(shè)備端通過MQTT協(xié)議與1883端口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，管理端則是通過連接服務(wù)器的18083端口來對(duì)后臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行管理；在服務(wù)器外部另外一側(cè)的微信小程序部分，由于騰訊公司規(guī)定小程序只能用WSS協(xié)議與認(rèn)證的443端口進(jìn)行通信，因此我們還需用Nginx將其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到8084端口，連接上物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境平臺(tái)。

圖4 服務(wù)器通信模型

1.3.2 微信小程序

微信小程序的前端設(shè)計(jì)主要采用綠色為主色調(diào)。小程序主要包括兩個(gè)界面，功能如圖5所示。主頁(yè)主要是接收設(shè)備端的濕度溫度數(shù)據(jù)、在線狀態(tài)、所在城市氣溫狀態(tài)的數(shù)據(jù)，也可以輸入要發(fā)送至設(shè)備端留言板的內(nèi)容；數(shù)據(jù)庫(kù)查詢頁(yè)主要是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)里的內(nèi)容進(jìn)行增刪查改操作的界面，不僅能夠直接對(duì)硬件設(shè)備端進(jìn)行控制，也可對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)直接控制。此設(shè)計(jì)具有輕型化、實(shí)用性、實(shí)時(shí)性、系統(tǒng)完整性的特點(diǎn)[8]，非常符合輕型化物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)方案的要求。

圖5 微信小程序功能圖

2 系統(tǒng)測(cè)試

整個(gè)系統(tǒng)的成本在于硬件端，其個(gè)體成本不超過40元。租用輕量級(jí)服務(wù)器的價(jià)格在一年70塊，但是隨著設(shè)備的增多，其服務(wù)器成本就微乎其微，因此成本較低。在其他方面，本節(jié)主要對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試分別從實(shí)時(shí)可靠性、低功耗、精準(zhǔn)性這三個(gè)方面進(jìn)行。

2.1 實(shí)時(shí)可靠性

本項(xiàng)在整個(gè)系統(tǒng)程序的功能不變的情況下，通過設(shè)備端向服務(wù)器方發(fā)送一個(gè)指令并用串口打印發(fā)送完成，觀察服務(wù)器端是否接收到指令，是否存在丟包現(xiàn)象，以及在未丟包的情況下傳輸延遲情況。具體情況如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)延時(shí)和丟包部分示例

本次測(cè)量是從2022年4月16日19:36開始的，采樣次數(shù)百次，設(shè)備端與服務(wù)器通信的時(shí)間延時(shí)大約1秒鐘，未出現(xiàn)丟數(shù)據(jù)情況。時(shí)間差是通過記錄設(shè)備端的串口打印時(shí)間與服務(wù)器接收數(shù)據(jù)的時(shí)間的差值得來，由于設(shè)備串口打印時(shí)間也需要耗費(fèi)時(shí)間，因此實(shí)際傳輸延時(shí)時(shí)間少于1秒[9]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該系統(tǒng)傳輸穩(wěn)定可靠，能夠滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄數(shù)據(jù)的要求。

2.2 設(shè)備的功耗

在常溫條件下，對(duì)處于不同狀態(tài)下的設(shè)備進(jìn)行功耗測(cè)量，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同狀態(tài)下設(shè)備功耗

本次分別測(cè)量了硬件設(shè)備處于3種工作狀態(tài)下的功耗。當(dāng)處于未聯(lián)網(wǎng)的狀態(tài)時(shí)，由于ESP32處于STA情況下，需要向外發(fā)射WiFi信號(hào)，因此功耗會(huì)比聯(lián)網(wǎng)情況下高許多。當(dāng)處于聯(lián)網(wǎng)并且語(yǔ)音播報(bào)工作的情況下時(shí)，由于喇叭需要消耗能量，因此會(huì)有5W左右的能量損耗，符合設(shè)計(jì)要求。總的來說，硬件系統(tǒng)的各個(gè)工作狀態(tài)都符合低功耗的要求。

2.3 鬧鐘功能精準(zhǔn)度

本項(xiàng)是通過移動(dòng)應(yīng)用前端設(shè)置鬧鐘時(shí)間，然后指定時(shí)間到達(dá)后，設(shè)備端串口打印數(shù)據(jù)。根據(jù)串口打印時(shí)間戳與指定時(shí)間的插值來評(píng)判鬧鐘功能是否精準(zhǔn)，見表4。

表4 鬧鐘功能測(cè)試表

此表采樣收集數(shù)據(jù)5次，平均誤差2.74s，最大誤差不超過4s。此誤差產(chǎn)生的原因是由于服務(wù)器要一直讀取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，因此不能精準(zhǔn)到只有1秒鐘的誤差。但是此誤差范圍還是符合實(shí)用性標(biāo)準(zhǔn)的，因此具有實(shí)用性。

3 結(jié)語(yǔ)

本方案對(duì)市面上的智能藥盒存在的功能單一、不能實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)的問題進(jìn)行了解決，提供了一個(gè)成本低、功耗小、實(shí)用性高、實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)的輕量級(jí)解決設(shè)計(jì)。但目前本設(shè)計(jì)只是解決了智能藥盒實(shí)時(shí)監(jiān)控的設(shè)計(jì)，相信在不遠(yuǎn)的未來，智能藥盒一定能夠?qū)崿F(xiàn)智能配藥的功能，從此老年人不用再擔(dān)心吃錯(cuò)藥或者要吃多少的問題了。