楊 雪，吳 戀，陳宗旺，涂翠蓉

（貴州師范學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550018）

0 引 言

當(dāng)今社會(huì)，人口生育率下降等眾多因素導(dǎo)致了人口老齡化趨勢(shì)迅速擴(kuò)大，如何提高老年人生活質(zhì)量成了社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，將智能輔助技術(shù)應(yīng)用到老年人醫(yī)療保健領(lǐng)域正成為一種趨勢(shì)。使用智能藥盒，不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到老年人用藥情況，還可以減輕監(jiān)護(hù)人的負(fù)擔(dān)，有效提高老年人生活質(zhì)量。因此，本文設(shè)計(jì)一款基于STM32芯片的智能藥盒。實(shí)驗(yàn)表明，該藥盒操作簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)定時(shí)提醒老年人吃藥并及時(shí)向監(jiān)護(hù)人反饋信息的功能。

1 智能藥盒系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能藥盒系統(tǒng)以STM32最小系統(tǒng)作為主要控制模塊，是一個(gè)集多種操作為一體的智能藥盒控制系統(tǒng)。STM32系列處理器具備性能高，消耗低等多種優(yōu)點(diǎn)，方便開(kāi)發(fā)的同時(shí)也避免了不必要的資源浪費(fèi)。該藥盒系統(tǒng)除了運(yùn)用主控模塊實(shí)現(xiàn)總控制功能以外，還集成了電源模塊，提示模塊，溫度控制模塊和通信模塊。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程可概括為：首先，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶(hù)提前設(shè)定好的時(shí)間來(lái)報(bào)警，報(bào)警方式為蜂鳴器聲音提醒和LED燈閃爍提醒。這樣的雙重提醒設(shè)置是為了更大程度地保證老年人接收到提醒信息，不錯(cuò)過(guò)服藥時(shí)間；然后，系統(tǒng)采用熱釋電紅外傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)藥盒里的藥是否被服藥者取走。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)藥物沒(méi)有被取走，通信模塊便采取行動(dòng)，發(fā)送短信到監(jiān)護(hù)人手機(jī)，告知監(jiān)護(hù)人患者沒(méi)有服藥，最后讓監(jiān)護(hù)人采取進(jìn)一步措施。

2 封裝設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的外觀模型是兩到三層側(cè)壁結(jié)構(gòu)的方盒，采用封閉式的上下型結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)寬高為15.8 cm×10 cm×13 cm，上方是放入藥物的小空間，控制芯片嵌入進(jìn)藥盒內(nèi)部，屏幕放在方盒最醒目的位置，創(chuàng)建人機(jī)交互界面模型。該藥盒整體結(jié)構(gòu)大方得體，不僅能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，而且簡(jiǎn)單輕盈。封裝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖和平面展開(kāi)圖如圖1，圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)框圖

圖2 平面展開(kāi)圖

3 智能藥盒系統(tǒng)各模塊的實(shí)現(xiàn)

該智能藥盒的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括：控制模塊（由STM32主控芯片組成）、電源模塊、紅外檢測(cè)模塊、溫度控制模塊、SIM通信模塊、蜂鳴器+LED提醒模塊等共同組成。

3.1 控制模塊

本設(shè)計(jì)的主控芯片選用 STM32F103 單片機(jī)。STM32單片機(jī)是基于ARM的32位通用加強(qiáng)型微控制器，支持實(shí)時(shí)的仿真和追蹤，由Cortex-M3內(nèi)核D-bus、S-bus、DMA1和以網(wǎng)DMA四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元等組成，是目前市場(chǎng)上主流的控制芯片。該芯片支持多種仿真模式，具備超前的體系結(jié)構(gòu)，性能極高，而且低電壓，低功耗的優(yōu)勢(shì)使得它被廣泛使用。如今熱門(mén)的智能家居行業(yè)也大量運(yùn)用到了STM32單片機(jī)，經(jīng)過(guò)多次實(shí)踐的探索和積累，使得該系列單片機(jī)的更多潛在功能被挖掘出來(lái)，這對(duì)未來(lái)更深層次的開(kāi)發(fā)極為有利。本設(shè)計(jì)選用的STM32F103模塊開(kāi)發(fā)靈活變通、不受限制，具有突出的內(nèi)核以及出色的外部設(shè)計(jì)，兼?zhèn)淞撕?jiǎn)單易用、設(shè)計(jì)自由的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 溫度控制模塊

目前，PID溫度控制已被應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)的多個(gè)方面。該控制系統(tǒng)能夠根據(jù)溫度變化快速采取調(diào)節(jié)措施以達(dá)到控制溫度的目的。PID算法的基本原理是：由于外界環(huán)境的不斷變化，會(huì)源源不斷產(chǎn)生不同程度的影響，于是想要控制一個(gè)量恒定在一個(gè)范圍不劇烈改變，就應(yīng)該持續(xù)執(zhí)行控制命令；如果外部環(huán)境使想要控制恒定的參數(shù)發(fā)生了變化，感應(yīng)元器件就會(huì)將發(fā)生的所有變化收集后經(jīng)由變送器發(fā)送給PID 控制器的輸入端，并與預(yù)先設(shè)定好的值進(jìn)行比較進(jìn)而得到差值（e值），調(diào)節(jié)器便將設(shè)定好的參數(shù)值與差值結(jié)合，獲取規(guī)律發(fā)出控制指令；然后改變調(diào)節(jié)器的開(kāi)度，讓調(diào)節(jié)器的開(kāi)度增大或減小，以實(shí)現(xiàn)改變現(xiàn)場(chǎng)控制目標(biāo)值的效果，并接近于給定值。PID算法各個(gè)比例系數(shù)的作用見(jiàn)表1所列。

表1 PID算法各個(gè)比例系數(shù)的作用

數(shù)字PID控制器的微分方程如下：

3.3 提示模塊

提示模塊的主要功能是提醒用戶(hù)用藥。因?yàn)槔夏耆寺?tīng)力和視力都相對(duì)較差，只采用單一的提示方式可能會(huì)造成接收不到提醒或者單一提醒模塊偶然失效的隱患，所以本設(shè)計(jì)中采用蜂鳴器和揚(yáng)聲器的聲響加LED燈光雙重提醒方式，以提高提示模塊的有效性和可靠性。蜂鳴器采用5 V直流電壓供電，并使用8050 NPN型晶體三極管驅(qū)動(dòng)。8050三極管最大電流為500 mA，放大倍數(shù)為10～60倍。因此該模塊采用5 V電壓供電，按放大50倍的效果計(jì)算，采用100 Ω的電阻最佳。當(dāng)單片機(jī)輸出端輸出高電平時(shí)，蜂鳴器響起，達(dá)到報(bào)警目的。蜂鳴器提醒電路如圖3所示。

圖3 蜂鳴器提醒電路

LED 燈是一種半導(dǎo)體材料制成的發(fā)光管，具有亮度高且功耗低的特點(diǎn)。LED燈因其節(jié)能的優(yōu)勢(shì)在當(dāng)今市場(chǎng)上被廣泛應(yīng)用。該智能藥盒系統(tǒng)采用LED燈與電阻串聯(lián)的設(shè)計(jì)，降低電路電流，并將單片機(jī)引腳端作為流入端。當(dāng)引腳端呈現(xiàn)低電壓時(shí)LED燈發(fā)光，呈現(xiàn)高電壓時(shí)LED燈則熄滅。由于單片機(jī)引腳功率有限，其管腳電流最大不能超過(guò)25 mA，總電流不能超過(guò)150 mA，為防止電流對(duì)單片機(jī)引腳產(chǎn)生沖擊，要想讓LED燈散發(fā)最佳的亮度，采用1 kΩ電阻是最合適不過(guò)的。因此設(shè)計(jì)選用1 kΩ電阻作為限流電阻。LED提醒電路如圖4所示。

圖4 LED提醒電路

3.4 SIM通信模塊

基于本設(shè)計(jì)的要求，當(dāng)預(yù)設(shè)時(shí)間到達(dá)時(shí)，提醒模塊便開(kāi)始啟動(dòng)，提醒老年人用藥。但這并不能保證藥物一定被患者取走服用，故本系統(tǒng)外加了紅外檢測(cè)監(jiān)控藥物是否被取走。如果藥物在10 min之內(nèi)未被取走，則系統(tǒng)會(huì)發(fā)送消息到監(jiān)護(hù)人手機(jī)上，讓監(jiān)護(hù)人進(jìn)一步采取措施。本設(shè)計(jì)的通信模塊采用SIM800C通信模塊進(jìn)行通信。SIM800C通信模塊可以實(shí)現(xiàn)很多功能，其中就包括語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信息的傳送，還可以撥打和接聽(tīng)電話(huà)，可發(fā)送和接收中英文短信等。在設(shè)計(jì)中主要使用了其短信功能以及基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸功能，SIM800C接口引腳定義見(jiàn)表2所列。

表2 SIM800C接口引腳定義

4 結(jié) 語(yǔ)

為了定時(shí)提醒服藥者按時(shí)吃藥，提高他們的生活質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32F103嵌入式技術(shù)的智能藥盒。該智能藥盒通過(guò)集合溫度控制模塊、提醒模塊，檢測(cè)模塊，通信模塊等模塊實(shí)現(xiàn)到點(diǎn)提醒并及時(shí)反饋的功能。經(jīng)過(guò)后期測(cè)試表明：系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的測(cè)試效果滿(mǎn)足功能需求，且操作方便，便于控制；同時(shí)，利用STM32F103作為控制芯片，系統(tǒng)處理速度快、實(shí)時(shí)性好、后期開(kāi)發(fā)潛力巨大。