基于STM32的智能語音藥箱控制系統的設計

楊瑞萍，陳博

（濟南職業學院，山東濟南，250100）

0 前言

權威統計數據顯示，截止到2019年末，中國60歲以上的老年人口數已經超過2.5億，人口老齡化衍生出的問題逐漸加重。在這一群體中，超七成的老年人正在被至少一種慢性病所困擾，需要依靠長期服藥來維持正常生活，然而有相當一部分老年人記憶力減退，甚至患有健忘癥，時常忘記服藥，給身體健康造成很大隱患。另一方面，大型醫療機構每天都要接診很多患者，開出大量藥方，傳統的配藥方式對配藥護士的勞動強度要求較大，且容易出現失誤。針對這兩種現象，設計出了一款可以識別用戶語音信息的智能語音藥箱控制系統，該系統既可以提醒老年人按時服藥，方便藥物的存取，又可以應用于醫療機構的配藥工作中，減輕醫務工作者的勞動強度，提高配藥的速度和準確性。

1 系統方案

■1.1 功能分析

該系統使用基于ARM Crotex-M3內核的32位單片機STM32F103C8T6作為控制芯片，該芯片功能強大，功耗較低，引腳數量適中，便于進行功能擴展，完全能夠應對智能語音藥箱產品的開發。系統主要實現語音識別、鍵盤輸入檢測、定時報警提醒以及電機驅動等四大功能。語音識別功能主要是對用戶的語音信號進行識別，當用戶說出的藥品名稱與系統預設值匹配成功時，電機驅動功能即發揮作用，自動打開存放相應藥品的藥箱；此外，用戶也可通過鍵盤手動打開相應藥箱，即鍵盤輸入檢測功能。定時報警提醒功能則可以提醒用戶按時服藥。

圖1 系統硬件電路

■1.2 系統框圖

根據功能分析，確定了系統總體框圖。系統主要由單片機最小系統控制電路、電源電路、語音識別電路、電機驅動控制電路和鍵盤檢測電路等幾部分組成，各部分之間的聯系如圖1所示。

2 硬件電路設計

硬件電路的設計充分考慮了產品的實際生產需求，在保證系統能夠安全穩定工作的前提下，對主要元器件的價格、體積、主要性能指標等因素做了充分考慮。系統硬件主要由電源電路、單片機最小系統電路、語音信號輸入與識別電路、鍵盤輸入電路和電機驅動電路等幾部分組成，各部分具體介紹如下。

■2.1 電源電路

用戶可以使用5mm DC插座或micro_USB接口為系統提供5V直流電源，該電源一部分直接供給繼電器用以驅動開關藥箱抽屜的直流減速電機，另一部分經過芯片AMS1117-3.3的穩壓降壓以及外圍濾波電路的處理后產生3.3V電壓供給STM32單片機和語音信號處理模塊等器件使用。

■2.2 STM32最小系統電路

該部分主要由STM32F103C8T6單片機及其復位電路、8MHz時鐘電路、32kHz時鐘電路等組成，是單片能過正常工作的最基本電路，另外，為了方便系統的調試和升級等工作，這里還加入了串口、程序下載、BOOT啟動方式選擇等接口。

■2.3 語音識別模塊和鍵盤輸入電路

語音信號的采集和識別功能主要由集成IC LD3320實現。該芯片內部設計有專門的語音信號處理器，最多支持50條關鍵詞的輸入；有單聲道模數轉換和雙聲道數模轉換器，可外接話筒和揚聲器等設備，標準工作電壓3.3V，在省電模式下的工作電流僅為1μA。

鍵盤輸入電路以獨立按鍵的方式接入到STM32，本設計共有4路輸入，因此采用4個輕觸按鍵即可。

■2.4 電機驅動電路

當用戶的語音與系統預設的語音匹配成功后，STM32即驅動相應藥箱的電動機工作，使藥箱打開或關閉。由于該型號單片機GPIO的帶負載能力極其微弱，因此不能直接驅動電機轉動，這里采用5KV高隔離電壓的PC817光電耦合器、NPN型三極管S9014和額定電壓5V的HK4001F型繼電器等元器件實現對電機的控制和驅動。控制藥箱1開關的驅動電路原理圖如圖2所示，這種設計使負載和主控電路完全隔離，可以有效減小不必要的電路干擾，增加系統安全性。

圖2 電機驅動電路原理圖

圖3 系統主程序流程

3 軟件設計

系統軟件使用C語言在Keil 5嵌入式開發環境中進行編寫。該系統控制對象較多，因此采用模塊化的程序編寫方式，主要由語音識別模塊配置程序、系統中斷、按鍵檢測程序和直流電機驅動程序等幾部分組成。

■3.1 主程序流程

智能語音藥箱控制系統的主程序流程如圖3所示。該程序主要為使用者提供了三種功能：語音信號輸入識別與藥箱自動開啟、定時用藥提醒和按鍵檢測與藥箱手動開啟。

■3.2 語音識別模塊配置程序

語音識別程序的編寫主要分為模塊初始化、識別列表寫入、信息識別以及中斷配置等幾步。舉例說明：當用戶有將存放有降壓藥物“伲福達”的藥箱打開的需求時，在程序的相應位置寫入小寫漢語拼音“ni fu da”，且每兩個拼音之間用一個空格隔開即可。當用戶的信息與系統預設信息比對成功后，模塊產生中斷，向單片機反饋比對結果，若比對成功，則單片機輸出相關控制信號，打開存放有伲福達的藥箱，延時一段時間后關閉藥箱。其中，模塊的識別列表寫入程序流程如圖4所示。

圖4 識別列表寫入程序流程

■3.3 鍵盤檢測程序

系統的4個輕觸按鍵分別控制相應藥箱的開合，按下一次按鍵相應藥箱打開，再按一次藥箱關閉。輕觸按鍵的機械結構會使其在按下時產生抖動現象，產生許多尖銳的不規則高電平信號，俗稱“毛刺”，會影響系統對輸入信號有效性的判斷，因此在設計程序時需做好軟件去抖。

圖5 智能語音藥箱控制系統PCB板圖

4 印制電路板設計

印制電路板（Printed circuit boards，PCB）是各種電子元件重要的支撐體和電氣連接載體。從普通消費類電子，再到醫療電子、通信電子、軍工電子，幾乎所有電子產品中都有PCB的身影。在對智能語音藥箱控制系統進行仿真測試并確保功能得以實現后，最后進行產品的PCB版圖設計。

系統的電路原理圖使用Cadence公司的ORCAD Cap ture軟件進行設計，之后導出網絡表，在PADS Layout VX2.4和PADS Router VX2.4兩款軟件中進行PCB的布局和布線。PADS是Mentor Graphics公司研發的一款市場主流PCB設計軟件，功能強大，操作方便，在消費類電子產品的硬件計算機輔助設計工作中占有較大的市場份額。

系統PCB采用雙層板，單面元器件布局、雙面元器件布線的方式進行設計，板子尺寸為96.0mm×92.0mm，并在四周添加定位孔和MARK點，便于產品的自動化貼裝焊接生產與安裝。在對PCB版圖文件進行連接性和安全間距檢查并確定結果無誤后，輸出可供電路板板廠生產作業的GERBER文件。最終設計好的PCB 版圖文件如圖5所示。

5 結語

中國社會老齡化速度正逐漸加快，老年人身患多病、用藥品類復雜的問題也日趨嚴重，但老年病人因為記憶力減退忘記服藥、混合用藥和漏服藥物等原因所造成的不能完全遵醫囑服藥的現象卻屢見不鮮，嚴重時甚至會威脅其生命安全。老年人安全用藥問題儼然成為一個社會熱點，對此提出一個完善的解決方案刻不容緩。鑒于這種情況，研發出這樣一款帶有按時用藥提醒和語音識別開關的智能藥箱很有必要。本系統共可控制4個藥箱工作并留有功能擴展接口，必要時可以進行功能擴展，實現對數十個甚至更多藥箱的智能化管理與控制。進過多次實際測試，系統運行安全、穩定，操作簡便，進行相應的改進之后可為家庭中老年人的藥品存放與服用提供不少便利，亦可服務于醫療機構的配藥工作中，解放出相關醫務工作者的勞動力，更好的去服務患者的治療護理等工作。