摘 要：老年人的記憶力隨著年齡的增長(zhǎng)會(huì)逐漸下降，經(jīng)常出現(xiàn)忘記吃藥等現(xiàn)象；同時(shí)老年人也有實(shí)時(shí)觀測(cè)自己身體健康的需求。為此，基于STM32設(shè)計(jì)了集體溫心率檢測(cè)、定時(shí)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(jī)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(yǔ)音播放模塊和OLED屏幕模塊組成，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)WiFi模塊與手機(jī)連接，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制目的。該系統(tǒng)符合健康生活的需求，實(shí)際的應(yīng)用空間也比較大。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；心率傳感器；溫度傳感器；語(yǔ)音播報(bào)；WiFi模塊；OLED模塊

中圖分類號(hào)：TP393；G426 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(wèn)題成為當(dāng)今社會(huì)面臨的重點(diǎn)問(wèn)題。尤其是老年人常常需要服用一些藥品用來(lái)治療疾病，聽(tīng)從醫(yī)生囑托按時(shí)吃藥是老年人身體康復(fù)的關(guān)鍵。有時(shí)吃藥和服用保健品的時(shí)間混亂，不能夠有計(jì)劃地進(jìn)行，就達(dá)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(wù)，本文設(shè)計(jì)出基于STM32單片機(jī)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(shí)隨地監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

我國(guó)老齡化人口逐漸增多，為了讓患者或者老人能夠聽(tīng)從醫(yī)囑按時(shí)服藥，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自己的身體健康狀況，同時(shí)也能讓親人通過(guò)手機(jī)監(jiān)測(cè)和控制，設(shè)計(jì)出此系統(tǒng)。需要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

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

（2）語(yǔ)音提醒：通過(guò)手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式可以設(shè)定需要吃藥的時(shí)間，當(dāng)達(dá)到吃藥時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行語(yǔ)音提醒。

（3）報(bào)警功能：可以通過(guò)按鍵設(shè)置體溫和心率的閾值，當(dāng)測(cè)量到當(dāng)前體溫和心率不在閾值范圍內(nèi)時(shí)，則會(huì)觸發(fā)報(bào)警。

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

（5）遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制：系統(tǒng)通過(guò)WiFi模塊和網(wǎng)絡(luò)將測(cè)量的體溫和心率上傳到云平臺(tái)，人們可以在小程序進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并可以在小程序界面控制閾值和手動(dòng)提醒吃藥[2]。

1.2 系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中分為硬件模塊和軟件模塊兩個(gè)部分。硬件模塊以STM32作為核心控制板進(jìn)行開發(fā)，主要包括通信模塊、語(yǔ)音播報(bào)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(shí)現(xiàn)體溫心率采集、狀態(tài)檢測(cè)、定時(shí)吃藥等功能。軟件設(shè)計(jì)模塊由騰訊連連小程序及定時(shí)語(yǔ)音播報(bào)等部分組成。通過(guò)將硬件和軟件部分相結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)有效的系統(tǒng)。該系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

本設(shè)計(jì)選擇STM32F030C8T6作為核心控制器，STM32F030C8T6微控制器集成了以48 MHz頻率運(yùn)行的高性能ARM Cortex-M0 32位RISC內(nèi)核、高速嵌入式存儲(chǔ)器，以及廣泛的增強(qiáng)型外設(shè)和I/O。提供標(biāo)準(zhǔn)通信接口、1個(gè)12位ADC、7個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)高級(jí)控制PWM定時(shí)器[3]。STM32F030C8T6單片機(jī)內(nèi)存大，可以實(shí)現(xiàn)兼容，同時(shí)價(jià)格與同級(jí)別的單片機(jī)相比更加實(shí)惠，在書寫程序時(shí)可以實(shí)現(xiàn)重寫的功能，在程序編譯時(shí)為了防止出現(xiàn)亂碼的現(xiàn)象可以進(jìn)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(cè)量、心率測(cè)量和HRV分析的廣電反射式模擬傳感器，傳感器對(duì)光電信號(hào)進(jìn)行濾波[4]、放大，最終輸出模擬電壓值。具有使用簡(jiǎn)單、佩戴方便、可靠性高等特點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)Pulse Sensor傳感器通過(guò)杜邦線和單片機(jī)進(jìn)行連接，并且將采集到的模擬信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)將采集到的模擬信號(hào)值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算就可以得到心率數(shù)值[5]。該芯片有三個(gè)端口，一個(gè)端口連接3.3 V的電源，一個(gè)端口接地GND，最后一個(gè)端口連接STM32F030C8T6單片機(jī)的PA0引腳。心率傳感器模塊電路和實(shí)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(jìn)行監(jiān)測(cè)，它的體積較小、成本低、功耗低、精度高，信號(hào)處理能力較強(qiáng)，其溫度誤差小于0.4 ℃，實(shí)用性很強(qiáng)。本次設(shè)計(jì)DS18B20傳感器測(cè)量老人的體溫，它有三個(gè)端口，一個(gè)端口接3.3 V的電源，一個(gè)端口接地GND，最后一個(gè)端口DATA與STM32F030C8T6單片機(jī)的PA1引腳連接。心率傳感器模塊電路和實(shí)物如圖3所示。

2.4 語(yǔ)音播報(bào)模塊

語(yǔ)音提醒吃藥功能采用JQ8400語(yǔ)音播報(bào)模塊實(shí)現(xiàn)，自帶3 W功放，有4 MB的存儲(chǔ)空間，非常符合本項(xiàng)目的要求。設(shè)計(jì)JQ8400語(yǔ)音模塊時(shí)選擇的是SOC方案，在內(nèi)部裝載了1個(gè)16位的MCU，以及1個(gè)專門針對(duì)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(yǔ)音內(nèi)容。這個(gè)芯片有6個(gè)端口，一個(gè)連接5 V電源，一個(gè)接地GND，RX和TX端口與STM32F030C8T6單片機(jī)的TXD1和RXD1引腳連接，SPK正負(fù)極連接廣播進(jìn)行語(yǔ)音播放。語(yǔ)音播報(bào)模塊電路和實(shí)物如圖4所示。

2.5 WiFi通信模塊

通信采用ESP8266來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模塊是工作在2.4 GHz頻率下的短距離無(wú)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(diǎn)。ESP8266系列無(wú)線模塊是一系列高性價(jià)比WiFi SOC模組。本次設(shè)計(jì)WiFi模塊支持標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能，也可以構(gòu)建獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)控制器[7]。該WiFi模塊一共有8個(gè)引腳，RX端口連接STM32F030C8T6單片機(jī)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(jī)的RXD2引腳[8]。WiFi通信模塊電路和實(shí)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(shí)，最多可以顯示4*8個(gè)漢字信息，滿足本系統(tǒng)的需求。本設(shè)計(jì)中的OLED液晶模塊是一款控制器為SSD1306、分辨率為128*64的點(diǎn)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(gè)端口，1個(gè)端口接地，1個(gè)端口接3.3 V電源，其余4個(gè)端口分別是SCK、SDA、RST和DC引腳，與STM32F030C8T6單片機(jī)的SCLK2、MOSI2、OLED RST和OLED DC引腳連接，SCK負(fù)責(zé)控制時(shí)鐘，SDA負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信，RST負(fù)責(zé)控制復(fù)位功能，DC負(fù)責(zé)發(fā)出指令或者通過(guò)數(shù)據(jù)選擇切換引腳。OLED顯示屏模塊電路和實(shí)物如圖6所示。

2.7 聲光報(bào)警模塊

聲光報(bào)警模塊采用驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，蜂鳴器是一種通過(guò)震蕩發(fā)音的電子器件，被廣泛應(yīng)用于打印機(jī)[9]、汽車玩具和計(jì)算機(jī)等場(chǎng)景，具有壽命長(zhǎng)、可靠性高等特點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)采用NPN三極管，用以管制蜂鳴器。當(dāng)三極管為高電平時(shí)，三極管就會(huì)飽和導(dǎo)通，這時(shí)蜂鳴器就會(huì)工作，STM32F030C8T6單片機(jī)的BEEP引腳串聯(lián)10 kΩ的電阻與NPN三極管串聯(lián)。聲光報(bào)警模塊電路和實(shí)物如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通電后各個(gè)模塊開始進(jìn)行初始化，然后就會(huì)檢測(cè)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(cè)是否開啟，開啟后在顯示屏上顯示；查看是否按時(shí)吃藥并進(jìn)行顯示，最后進(jìn)行聲光報(bào)警，完成一個(gè)循環(huán)。本智能醫(yī)囑手環(huán)系統(tǒng)是基于STM32設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)WiFi模塊與手機(jī)連接，可以將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在手機(jī)上，同時(shí)可以在手機(jī)上設(shè)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(xiǎn)時(shí)可通過(guò)按下按鍵推送消息給綁定公眾號(hào)的親人。程序流程如圖8所示。

3.2 體溫和心率監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

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(guò)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(huì)及時(shí)報(bào)警。接通電源后，系統(tǒng)開始進(jìn)行初始化，體溫和心率傳感器就開始進(jìn)行工作，檢測(cè)人體的體溫和心率數(shù)據(jù)，在一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行心率的計(jì)算，然后在顯示屏幕上顯示，并與事先設(shè)置的溫度數(shù)據(jù)閾值進(jìn)行對(duì)比[10]。體溫和心率監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)程序流程如圖9所示。

3.3 語(yǔ)音子系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)接通電源后進(jìn)行初始化處理，將芯片通過(guò)WiFi和手機(jī)端進(jìn)行連接，此時(shí)會(huì)同步時(shí)鐘，顯示在OLED屏幕上；通過(guò)按鍵可以設(shè)置吃藥時(shí)間，當(dāng)時(shí)鐘到設(shè)定時(shí)間時(shí)，此時(shí)語(yǔ)音播報(bào)模塊便開始工作，播報(bào)“時(shí)間到了，該吃藥了”信息；也可通過(guò)手機(jī)端小程序界面設(shè)置吃藥時(shí)間，同樣地，到時(shí)間時(shí)語(yǔ)音播報(bào)模塊開始工作。語(yǔ)音播報(bào)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(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)接通電源后，就會(huì)啟動(dòng)手機(jī)APP開啟WiFi功能，對(duì)目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行掃描配對(duì)。假如發(fā)現(xiàn)目標(biāo)設(shè)備就會(huì)進(jìn)行設(shè)備連接，假如沒(méi)有掃描到目標(biāo)設(shè)備就會(huì)一直處在掃描目標(biāo)設(shè)備的狀態(tài)。連接上目標(biāo)設(shè)備后用戶就可以輸入信息，進(jìn)入到主控界面進(jìn)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(jī)上顯示，最后結(jié)束本次運(yùn)行，系統(tǒng)處在待機(jī)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(shè)計(jì)

顯示屏幕模塊負(fù)責(zé)顯示心率、溫度、用藥時(shí)間等數(shù)據(jù)。當(dāng)接通電源后，先對(duì)屏幕進(jìn)行初始化，使得屏幕全像素進(jìn)行激活，然后根據(jù)設(shè)計(jì)的X、Y坐標(biāo)值進(jìn)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(bào)警模塊子系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)接通電源后就開始進(jìn)行初始化處理，然后聲光報(bào)警模塊會(huì)等待判斷主控系統(tǒng)傳輸?shù)氖欠袷菆?bào)警信號(hào)，當(dāng)接到聲光報(bào)警的信號(hào)后，就會(huì)啟動(dòng)聲光報(bào)警，二極管的紅燈亮起，并發(fā)出聲音進(jìn)行報(bào)警；假如沒(méi)有信號(hào)進(jìn)行聲光報(bào)警，二極管就會(huì)處于綠燈狀態(tài)。聲光報(bào)警模塊子系統(tǒng)程序流程如圖13所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試。主要對(duì)系統(tǒng)的語(yǔ)音播報(bào)功能、小程序控制功能、報(bào)警功能和一鍵呼叫功能進(jìn)行測(cè)試。

4.1 語(yǔ)音播報(bào)功能測(cè)試

系統(tǒng)接通電源后，會(huì)在顯示屏幕上顯示當(dāng)前的數(shù)據(jù)，會(huì)進(jìn)行心率、溫度等數(shù)據(jù)信息的閾值設(shè)置，進(jìn)入小程序設(shè)置界面可以對(duì)提醒吃藥時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)達(dá)到吃藥時(shí)間時(shí)，便會(huì)開始語(yǔ)音播報(bào)提醒吃藥。系統(tǒng)語(yǔ)音播報(bào)功能的測(cè)試總共做了30次，其中自動(dòng)10次、手動(dòng)20次，有效次數(shù)是27次，無(wú)效次數(shù)為3次，通過(guò)計(jì)算可得出有效率為90%，滿足合格標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 小程序控制功能測(cè)試

系統(tǒng)接通電源后，通過(guò)WiFi模塊與用戶的手機(jī)配對(duì)成功后，就會(huì)在手機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(dāng)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(jī)控制功能主要測(cè)試了手機(jī)控制的五種操作共計(jì)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(cè)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(cè)試有效率大于90%，基本滿足合格標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 報(bào)警功能測(cè)試

系統(tǒng)上電后，OLED屏幕會(huì)顯示當(dāng)前的體溫和心率，通過(guò)溫度傳感器和心率傳感器進(jìn)行采集，通過(guò)按鍵可以設(shè)置界面，調(diào)整體溫和心率的閾值，也可以通過(guò)小程序進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)前的體溫和心率如果超過(guò)設(shè)定的閾值，便會(huì)報(bào)警。報(bào)警功能的測(cè)試總共做了30次，其中有效次數(shù)也是27次，無(wú)效次數(shù)為3次，通過(guò)計(jì)算可得出有效率為90%，滿足合格標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 一鍵呼叫功能測(cè)試

當(dāng)老人遇到危險(xiǎn)時(shí)，可以按下按鍵進(jìn)行呼救，系統(tǒng)將上傳一條SOS呼叫信息給綁定公眾號(hào)的親人。一鍵呼救功能的測(cè)試總共做了15次，其中有效次數(shù)是14次，無(wú)效次數(shù)為1次，通過(guò)計(jì)算可得出有效率大于90%，滿足合格標(biāo)準(zhǔn)。

4.5 系統(tǒng)總體測(cè)試

測(cè)試過(guò)程：將系統(tǒng)上電，進(jìn)入設(shè)置界面，調(diào)整閾值，使當(dāng)前的體溫心率超過(guò)閾值，在小程序界面添加場(chǎng)景設(shè)定時(shí)間，按下K3鍵。測(cè)試結(jié)果：超過(guò)閾值后報(bào)警，到達(dá)設(shè)定時(shí)間語(yǔ)音播報(bào)提醒吃藥，按下K3后手機(jī)收到呼救信息。結(jié)果分析：根據(jù)功能測(cè)試，該設(shè)計(jì)基本符合各項(xiàng)需求。系統(tǒng)實(shí)物和小程序界面如圖14所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于STM32的智能醫(yī)囑手環(huán)系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)老年人的體溫和心率的監(jiān)測(cè)，提醒老年人按時(shí)吃藥，在老人遇到危險(xiǎn)時(shí)能夠及時(shí)通知他們的家人。基于STM32的智能醫(yī)囑手環(huán)設(shè)計(jì)符合現(xiàn)代人的需求，用戶通過(guò)智能醫(yī)囑手環(huán)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自己的身體健康狀況，以便根據(jù)監(jiān)測(cè)的結(jié)果有針對(duì)性地做出調(diào)整，符合人們的現(xiàn)實(shí)生活需求。

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作者簡(jiǎn)介：范培棟（2001—），男，本科在讀，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)等。

閔 改（1981—），女，碩士，講師，研究方向?yàn)閳D像識(shí)別等。

收稿日期：2023-05-04 修回日期：2023-06-01