MCU在智能藥箱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

西北民族大學(xué) 朱 雄 李泓漩 蒙詩婷 李 佳 楊嘉豪

本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一款基于MUC的智能藥箱，通過控制主控板操作各類模塊和傳感器，形成一套完整的智能化醫(yī)藥箱。本項(xiàng)目主控芯片采用STM-32F103ZET6作為中央處理器，控制WiFi模塊、GSM模塊、DS1302、語言播報(bào)等外部器件。使用keil編寫程序?qū)崿F(xiàn)智能藥箱的全部功能。

根據(jù)大數(shù)據(jù)預(yù)測顯示，在21世紀(jì)中期，我國老年人口將增加到全國總?cè)丝诘?0%以上，因此，對于老年群體身體健康的照顧是我們不可忽視的。老年人因?yàn)槟挲g的增長很可能會出現(xiàn)各種各樣的問題，由于身體機(jī)能衰退，免疫力下降等問題，慢性病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)逐漸增加，常見的有高血壓、高血糖、高血脂、糖尿病等。此類慢性病用藥周期長，不容易被治愈，因此老年人就需要長期用藥以穩(wěn)定病情；又因?yàn)樵S多老年人都是獨(dú)自在家，兒女都在工作。

本項(xiàng)目的主要目的是解決老年人在吃藥方面存在的一些問題，并提出了一種功能完善的智能藥箱解決方案，即實(shí)現(xiàn)對老年人吃藥問題進(jìn)行提醒、管理和監(jiān)督，這既可以極大地解決老年人忘吃藥、吃錯藥的一些問題，又可以極大地減少一些兒女的負(fù)擔(dān)、減輕他們的壓力，讓在外打拼的年輕人不用再擔(dān)心家中老人出現(xiàn)忘吃藥、吃錯藥的情況。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是以智能藥箱為研究對象，該智能藥箱是以STM32 Cortex-M3為內(nèi)核，使用Keil編程軟件來進(jìn)行程序編寫，分別處理編程。對于數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)顯示在OLED模塊上，控制定時提醒之后PWM控制舵機(jī)開啟藥箱。對于藥箱的舵機(jī)開箱的時間控制以及舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度設(shè)計(jì)，都要考慮在內(nèi)。

本系統(tǒng)主要功能是使用戶通過手機(jī)可以實(shí)時了解智能藥箱的使用情況，包括取藥記錄、藥物剩余次數(shù)檢測等，上傳至手機(jī)，同時可查看當(dāng)前智能藥箱內(nèi)的溫度濕度檢測情況。老人在藥箱長時間提醒下還未取藥或者當(dāng)老人按下緊急按鈕的時候，藥箱通過GSM向手機(jī)發(fā)送短信，傳遞緊急情況的信息。MCU主控芯片通過輸入引腳獲取傳感器、按鍵模塊、時鐘模塊、WiFi模塊等的相關(guān)數(shù)據(jù)，再對不同數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過輸出引腳分別對蜂鳴器、LED指示燈、OLED顯示模塊、語音播報(bào)模塊、舵機(jī)模塊、WiFi模塊等進(jìn)行可以控制，實(shí)現(xiàn)本地智能控制以及和云服務(wù)器的連接，以達(dá)到兼顧智能自控和遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的目的。具體硬件設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

以STM32F103ZET6為主控芯片，其最高工作頻率為72MHz，串行單線調(diào)試和JTAG接口，具有8個定時器、3個16位定時器（每個定時器有4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計(jì)時器的通道和增量編碼器輸入）、2個看門狗定時器（獨(dú)立和窗口型）/2個IIC接口、3個串口接口、2個SPI接口等其他IO口。選擇好的CPU即選擇一塊好的芯片，一塊芯片解決所有問題。模塊化有利于產(chǎn)品的穩(wěn)定性，方便查找問題，可拆卸。

2.2 WiFi模塊

32位單片機(jī)，內(nèi)置Wi-Fi驅(qū)動和協(xié)議，接口為一般的MCU接口，如UART等。適合于各類智能家居或智能硬件單品，采用UART接口，支持串口透明數(shù)據(jù)傳輸模式，并且具有多模安全能力。內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧和IEEE802.11協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口到無線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。

本模塊支持在聯(lián)網(wǎng)過程中綁定目的網(wǎng)絡(luò)BSSID地址的功能。根據(jù)802.11協(xié)議規(guī)定，不同的無線網(wǎng)絡(luò)可以具有相同的網(wǎng)絡(luò)名稱（也就是SSID/ESSID），但是必須對應(yīng)一個唯一的BSSID地址。非法入侵者可以通過建立具有相同的SSID/ESSID的無線網(wǎng)絡(luò)的方法，使得網(wǎng)絡(luò)中的STA聯(lián)接到非法的AP上，從而造成網(wǎng)絡(luò)的泄密。通過BSSID地址綁定的方式，可以防止STA接入到非法的網(wǎng)絡(luò)，從而提高無線網(wǎng)絡(luò)的安全性。

系統(tǒng)根據(jù)WiFi模塊與云服務(wù)器建立聯(lián)系從而獲取藥箱信息，并通過GSM模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到手機(jī)端，采用云服務(wù)器是因?yàn)樵品?wù)器較為穩(wěn)定可靠，并且具有高性能支撐，最重要的是安全保障十分可靠。

2.3 時鐘模塊

DS1302充電計(jì)時芯片包含一個實(shí)時時鐘/日歷和31個字節(jié)的靜態(tài)RAW，它通過簡單的串行接口與微處理器通信。實(shí)時時鐘/日歷提供秒、分鐘、小時、日、日期、月份和年份信息。月底的日期自動調(diào)整，少于31天，包括閏年的校正。時鐘以24h或12h的格式運(yùn)行，帶有am/pm指示器等。DS1302采用的是三線接口的雙向數(shù)據(jù)通信接口，RST是片引腳，低電平有效，SCLK是時鐘芯片，為通信提供時鐘源；I/O為數(shù)據(jù)輸入輸出引腳，用于傳輸及接收數(shù)據(jù)。DS1302還采用了雙電源供電模式，VCC1連接到備用電源，在VCC2主電源失效時保持時間和日期數(shù)據(jù)。時鐘模塊在本系統(tǒng)中記錄病人時刻的狀況，可以更加準(zhǔn)確的反饋給用戶。

3 軟件程序的設(shè)計(jì)

在本項(xiàng)目中使用STM32F1系列單片機(jī)，該單片機(jī)是以C語言為基礎(chǔ)帶動芯片運(yùn)轉(zhuǎn)。使用到的功能有IO口的復(fù)用、IIC通訊、PWM波的輸出、串口通訊、定時器中斷、外部中斷等。為了確保準(zhǔn)確無誤地實(shí)現(xiàn)這些功能，編寫程序時使用模塊化編程，把不同模塊的初始化及驅(qū)動過程封裝在不同的.c文件中，模塊化編程最大的好處就是程序的可閱讀性比較強(qiáng)，編程思路體現(xiàn)的更加清晰，對于程序的分模塊調(diào)試以及程序修改也非常方。另外，還需要熟悉MQTT協(xié)議以及云服務(wù)器資源部署相關(guān)知識，并且還需要編寫一個相對成熟的手機(jī)APP，通過獲取云服務(wù)器存儲的相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示及查詢。圖2為智能藥箱的系統(tǒng)流程圖。

圖2 系統(tǒng)流程圖

總結(jié)：隨著科技的不斷進(jìn)步，自動化與智能的應(yīng)用越來越受到大家的關(guān)注，如無人機(jī)、智能音箱、無人酒店等。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的智能藥箱具有一定的實(shí)用價(jià)值，其功能包括：自動彈出藥箱、語言播報(bào)提醒、記錄數(shù)據(jù)、發(fā)送短信給監(jiān)護(hù)人、蜂鳴器報(bào)警等。初步設(shè)計(jì)完成后，對其電路設(shè)計(jì)以及各模塊裝配、編寫程序等要求準(zhǔn)確無誤，并且多次測試，多次調(diào)試，最終達(dá)到一個可行的穩(wěn)固的狀態(tài)。