基于半導體帕爾帖效應的WiFi智能藥箱

王奕林，李 響，崔博言，李孫笑何，彭大衛，袁小平

（中國礦業大學，江蘇 徐州 221116）

近年來，國內外對于老年人的健康問題格外關注。智能藥箱就是針對老年人服藥問題所設計的一款家用智能服藥系統。目前市場上的智能藥箱是以讓老人能按時按點吃藥為目標設計的，主要包括及時提醒和監督取藥兩方面的功能，存在的主要不足在于：

（1）針對人群小：目前智能藥箱大部分功能是為老年人群設計制作的，并沒有充分考慮其他患者人群，便攜能力較差，在運輸、攜帶過程中困難重重。

（2）保存能力有限：目前的藥箱僅限于保存對溫度無特定要求或要求較寬松的藥物，而不能存放對溫度較敏感，有特殊存儲需求的藥物。

（3）智能化程度低：目前的藥箱只局限于藥物簡單存放與獲取，使用不便，功能單一，與互聯網及物聯網的聯系更是不夠緊密。

本項目從更廣范圍的用戶人群及更高的用戶需求出發，通過半導體制冷、檢測傳感、WiFi通信、算法設計等技術的應用，制作一款在溫濕度控制、藥量檢測、遠程控制等方面更具優勢的智能藥箱。此藥箱具有極大的應用前景，同時相關研究成果也可在其他領域發揮指導和借鑒作用。

1 系統功能

要求保證藥箱對存儲條件特殊藥物的穩定性、可靠性，以及藥箱的遠程可控性、便捷性等等，因此，設計的智能藥箱系統需具有以下幾項功能。

（1）能夠實時監測并用屏幕顯示智能藥箱內部存儲藥物的溫濕度狀況。

（2）能夠通過壓力傳感器實時檢測藥物余量，在低于某一設定值時，可自動進行語音播報提醒用戶對藥物進行補充。

（3）能夠把檢測到的溫濕度情況與藥物余量傳輸到自制的手機APP端。

（4）能夠通過手機APP端對藥物所處溫度范圍進行設定。

（5）能夠使藥箱自動對內部存儲空間進行制冷或加熱以達到設定溫度，并保持恒溫。

2 硬件設計

硬件電設計是智能藥箱設計的重要環節，主要實現狀態檢測、驅動控制以及信息交互等功能。

智能藥箱的硬件電路的控制模塊采用STM32C8T6芯片，該芯片高性能、低成本、功耗低；溫濕度采集模塊采用DHT21溫濕度傳感器，該模塊能夠在較短的時間內進行溫濕度數據的讀取；語音播報模塊采用DY-SV17F芯片，芯片驅動喇叭播放達到語音播報的效果；壓力采集模塊采用HX711芯片；顯示模塊采用OLED作為液晶顯示，該模塊較輕薄并且功耗低。WiFi模塊采用ESP8266，通過該模塊實現藥箱與手機客戶端APP的人機交互；溫控執行模塊由半導體片TEC1-12706及驅動電路組成，單片機控制器可以控制驅動電路輸出電流的大小以及改變電流的方向進而實現對藥箱的制冷或加熱。

經過分析研究后，本次設計的基于半導體的智能藥箱控制系統整體設計框圖如圖1所示。

圖1 智能藥箱控制系統整體設計框圖

3 軟件設計

3.1 主程序設計與實現

采用模塊化思想設計軟件，主程序流程圖如圖2所示。各個模塊共同作用實現智能藥箱的各項功能。該程序首先完成各部分模塊的初始化，接著用戶可以通過手機客戶端APP進行相應溫度的設定。同時溫濕度傳感器實時測量藥箱內的溫濕度并且將數據回傳給單片機，單片機對傳回的數據進行運算并輸出相應的PWM值給驅動電路，驅動電路再根據單片機的指令控制電流的方向以及大小進而控制半導體片的制冷或加熱。壓力傳感器將采集到的壓力數據傳回給單片機，當檢測到壓力小于某一設定值時，單片機將控制語音播報模塊進行語音播報提醒用戶補充。同時采集到的溫濕度數據以及壓力數據等可通過OLED顯示屏進行顯示并且可以回傳給手機客戶端APP。這樣的模塊化設計可以使各個部分獨立工作、互不打擾，便于后期進行功能的升級以及維護工作。

圖2 智能藥箱控制系統主程序流程圖

3.2 無線傳輸子程序設計

WiFi模塊進行程序初始化后，隨后檢測是否有正常的連接，如果有則檢測當前連接源的通信信息和請求信息，然后進行信息的尋找和配對，找到對應的通信通道后，對請求發送的數據信息進行發送，信息發送完成后即為完成通信。具體工作流程如圖3所示。

圖3 WiFi通信流程圖

3.3 手機客戶端APP的開發

為實現對智能藥箱的遠程控制，需要開發出一款手機客戶端APP，用于對智能藥箱的溫濕度閾值的設定以及對藥品余量的監測。本次APP的設計采用的是MIT APP INVENTOR。該開發平臺使用大量的可視化編程，可將待使用到的組件直接拖拽到指定位置，接著通過對指定功能的設定，完成了界面設計之后，可進行程序的編寫。在MIT APP INVENTOR這個軟件中，雙擊指定的按鈕，就會進入程序編程模塊，只用將待執行的任務加入即可。完成程序的編寫之后，對其進行打包成.apk文件，生成的.apk文件即為我們最終使用的APP軟件。用戶在手機端進行安裝以后，可通過連接WiFi模塊的信號對藥箱進行相應的操作。APP界面設計如圖4所示。

圖4 APP界面設計

4 測試結果與分析

4.1 硬件與軟件調試

在整個智能藥箱系統搭建完成后，首先，要對硬件進行調試。要先對其管腳進行測試，檢查管腳是否會出現松動等狀況，檢查線路是否正確連接。其次，對各個傳感器模塊分別進行回傳數據檢測。當硬件系統的某個地方出現問題，可以萬用表輔助排查，檢查是有連接不牢固、器件損壞或器件短路等問題。硬件電路的穩定的是后面軟件運行成功的前提。

在硬件電路測試完好的情況下，緊接著進行軟件調試。本系統對于軟件的測試方案選擇黑盒測試的方法，測試過程如下：

（1）編寫代碼，進行編譯、調試，將編譯好的代碼下載到STM32單片機。

（2）觀察OLED顯示屏的初始界面，觀察是否顯示溫濕度等狀態信息。

（3）進行溫濕度傳感器程序調試。觀察是否能夠正確讀取溫濕度數據。

（4）進行溫壓力傳感器程序調試。觀察是否能夠正確讀取質量數據。

（5）將手機WiFi與智能藥箱配對，觀察手機客戶端APP是否可以同步顯示數據和遠程操控。

4.2 整機功能測試

經過如上的軟硬件測試過程，本系統再進行整機功能測試。我們記錄了初始溫度為15℃，濕度為94%左右，目標溫度為5℃，測試藥箱制冷所需時間。測試表明，我們設計的藥箱制冷功能效果良好，達到設計的初步要求，見表1。

表1 目標溫度為5℃時制冷效果測試結果

我們對藥箱所能檢測的藥物的最小重量做了測試，結果見表2。測試表明，我們設計的藥箱質量檢測功能效果良好，達到設計的初步要求。將整個系統運行24 h，經過實際測試，系統功能運行正常，供電電壓穩定，設定溫度保持穩定，程序沒有出現跑飛現象。所以，我們所設計的藥箱已基本達到要求。

5 結束語

為解決當前藥箱智能化程度低的狀況，本文基于半導體技術并結合WiFi通信技術實現藥箱的智能化、便捷化。并將半導體技術、傳感器技術與通信技術緊密結合，研究出一款可以進行溫度控制、智能語音播報并且可通過客戶端APP進行遠程操控的智能藥箱。應用半導體材料的帕爾帖效應進行制冷或者加熱。同時利用WiFi模塊進行遠程無線通信，具有更快的傳輸速率以及更遠的通信距離。本次設計也開發一款相配套的手機客戶端APP，具有良好的人機交互界面，可以更好地實現藥箱的智能化。同時本設計亦存在不足，該藥箱暫時只能對溫度進行粗略的控制，亦無法對其進行更精確的控制。所以后續對此進行升級時可以考慮添加更適應的算法，如模糊PID控制、大林算法等等。同時增加太陽能充電以及儲能環節亦是本藥箱的一個發展方向。