基于MSP430F5529的智能交互藥盒設(shè)計(jì)

江達(dá)飛

【摘 要】針對老年人吃藥難的問題，以TI低功耗單片機(jī)MSP430F5529為核心，結(jié)合RTC時鐘、SYN6288語言芯片、藍(lán)牙模塊等器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種能夠按時提醒老人吃藥的智能藥盒。用戶可以通過按鈕對時間、日期和鬧鈴進(jìn)行設(shè)置，通過LED顯示屏了解老人的進(jìn)藥情況，同時也可以下載相應(yīng)的APP，使用手機(jī)與藥盒進(jìn)行連接，通過APP可以對藥物的食用方法及時間進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置，也可以下載得到老人進(jìn)食藥物的相關(guān)日志。

【關(guān)鍵詞】MSP430F5529；定時提醒；藥盒

0 引言

中國老齡化問題的日益嚴(yán)重，很多老年人隨著年齡的增長，記性會變得越來越差，按時吃藥成為了他們的一個難題，特別是一些孤寡、留守老人，由于沒有親戚好友的照顧，很難按時按量的吃下他們的藥物或保健品，特別是有些需要在不同時間吃不同的藥，那就變得更加艱難。智能交互藥盒專門針對這些老年人進(jìn)行設(shè)計(jì)，是一種為了方便老年人服藥而設(shè)計(jì)的藥物存儲容器，它可以更好地解決高齡人群吃藥麻煩的問題，根據(jù)對老年人每天吃藥的時間進(jìn)行定時，來實(shí)現(xiàn)一天內(nèi)對老年人每天三次或更多次的定時提醒，提醒使用者服用多種藥物中的一種或多種，避免延期服藥、漏服、服藥量差錯等導(dǎo)致的治療效果降低的問題。

目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一些與智能藥盒相關(guān)的產(chǎn)品，例如早期出現(xiàn)了一些便攜式的小藥盒，其造型簡單，方便攜帶，但它們?nèi)萘枯^小，電路由分立式數(shù)字電路器件構(gòu)成，功能較為單一，而且功耗較大。近年來隨著單片機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，以單片為核心的大規(guī)模集成電路在電子藥盒中得到了廣泛的應(yīng)用，例如，Abiogenix公司開發(fā)了一款名為UBOX的智能藥盒，它內(nèi)含14個分區(qū)，每個分區(qū)儲存一次服用的藥物量。用戶設(shè)定好每次吃藥時間，一旦到達(dá)服藥時間后，它便會發(fā)出蜂鳴聲和燈光，提醒人們吃藥。同時，它還能通過藍(lán)牙，發(fā)送提示信息到用戶的智能手機(jī)，并且顯示最近的服藥時間和次數(shù)。

雖然國內(nèi)外已經(jīng)有了一些與智能藥盒相關(guān)的產(chǎn)品，但是他們面向的群體往往不是老年人，藥盒設(shè)置的方法較為復(fù)雜，老年人難以掌握；提示的方式往往使用蜂鳴器，信息過于單一，老年難以掌握藥物的服用劑量，另外當(dāng)藥物需要按不同次序被服用時，這些藥盒都難以滿足要求。

1 工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示，該系統(tǒng)使用電池進(jìn)行供電。主控芯片采用TI公司生產(chǎn)的低功耗系列芯片MSP430F5529；語音芯片使用SYN6288，用于提示用戶吃藥的類別以及用量，單片機(jī)使用串口實(shí)現(xiàn)對SYN6288的控制；顯示單元采用OLED顯示屏，其能夠提供當(dāng)前的日期以及用戶進(jìn)食藥物的注意事項(xiàng)的顯示，采用SPI總線與單片機(jī)進(jìn)行連接；藍(lán)牙模塊使用HC-05藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口芯片，使用戶可以使用手機(jī)APP對藥盒實(shí)現(xiàn)控制；聲光報(bào)警由LED燈及蜂鳴器所組成，在用戶發(fā)生誤操作或者是在規(guī)定的時間沒有按時服藥時，結(jié)合語音模塊產(chǎn)生報(bào)警信號。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 智能藥盒各模塊分析與設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊。單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊在整個系統(tǒng)中扮演者控制中心的角色。本設(shè)計(jì)使用MSP430F5529作為主控芯片，該芯片主頻達(dá)25MHz，擁有8kb的RAM以及256kb的flash，可以實(shí)現(xiàn)多天的日志存儲。3個TA0定時器，可以滿足多路鍵盤掃描的控制。支持2路UART串口通信，可實(shí)現(xiàn)與SYN6288語音模塊和藍(lán)牙模塊的數(shù)數(shù)據(jù)通訊。支持3路SPI總線，可以與OLED顯示模塊連接，顯示當(dāng)前不同的狀態(tài)。F5529芯片內(nèi)置RTC時鐘，可以配置為日歷模式，提供了秒鐘，分鐘，小時，星期，日期月份和年份，同時它還具備可編程的鬧鐘功能，可以實(shí)現(xiàn)定時提示進(jìn)食藥物的功能。另外，芯片可工作寬電壓下，電壓支持1.8v到3.6v，擁有四種工作模式，在低功耗模式下工作電流僅僅需要1.1uA，非常適合使用電池供電的場所。最小系統(tǒng)在上電之后首先需要完成初始化工作，本設(shè)計(jì)在初始化時，首先使能了看門狗定時器，保證機(jī)器在發(fā)生意外程序崩潰時能及時重啟。使能了內(nèi)部2個串口外設(shè)并配置波特率為38400和115200；設(shè)置內(nèi)部定時器每隔2ms產(chǎn)生一次中斷，并使能了多個外部中斷口，用于鍵盤值的掃描；置位RTCMODE寄存器，將芯片內(nèi)部的RTC時鐘設(shè)置為日歷模式，并且使能RTCAMIN分鐘鬧鈴數(shù)值寄存器，使RTC每隔一分鐘產(chǎn)生一次中斷，當(dāng)中斷產(chǎn)生時芯片從當(dāng)前的睡眠模式切換到全速運(yùn)行模式，比較當(dāng)前時間是否與設(shè)置的吃藥時間一致；初始化完成之后，系統(tǒng)在顯示一段時間之后進(jìn)入LPM3節(jié)電模式。

2.2 SYN6288是一款能夠?qū)h字或英語字符直接轉(zhuǎn)換為語音的一款芯片，它具備性價比高，效果自然等特點(diǎn)，其支持GB2312、GBK、BIG5等多種文本編碼方式，可將任意的中文漢字和英文字符翻譯成準(zhǔn)確自然的語音，同時它內(nèi)部還集成了智能算法，能夠?qū)斎氲奈谋具M(jìn)行分析，可以正確識別出數(shù)值、號碼、時間等關(guān)鍵詞，被廣泛應(yīng)用于車載信息終端語音播器、電子地圖、智能手機(jī)等等地方。MSP430F5529通過內(nèi)置的串口實(shí)現(xiàn)與SYN6288的通信，波特率使用38400；另外在設(shè)計(jì)時，考慮到系統(tǒng)使用電池進(jìn)行供電，因此在沒有進(jìn)行語音合成時需要將SYN6288配置為休眠模式，睡眠模式通過串口發(fā)送0x88命令實(shí)現(xiàn)。

2.3 OLED顯示技術(shù)是目前新興的一種顯示技術(shù)，該類型的屏與傳統(tǒng)LCD顯示方式不同，它無需背光燈，采用非常薄的有機(jī)材料涂層和玻璃基板，當(dāng)有電流通過時，這些有機(jī)材料就會發(fā)光，傳統(tǒng)的LCD是采用LED背光板發(fā)光或反射（分為：半透半反、全透、全反）的顯示方式；OLED顯示技術(shù)具備色彩飽和度高、相應(yīng)時間短、省電等特點(diǎn)為了使得系統(tǒng)續(xù)航性更長，因此顯示使用OLED而不是傳統(tǒng)的LCD或LED。本設(shè)計(jì)使用SH1106芯片控制的OLED顯示屏，芯片支持睡眠模式，在睡眠模式下電流僅為5μA。芯片在進(jìn)行顯示之前，需要對其進(jìn)行初始化，初始化分為多個過程，首先在上電時需要將RES位置為低電壓，并且保持時間在10μs以上，然后再將RES位置高電平，同樣需要保持一定的時間，接著通過發(fā)送命令設(shè)置顯示模式以及內(nèi)部時鐘，并在清除完內(nèi)部RAM之后發(fā)送0xAF命令，開啟顯示功能。SH1106芯片沒有內(nèi)置字庫，因此在顯示之前需要通過取模軟件對需要顯示的漢字或英文進(jìn)行編碼，在清除CS位，置位CD后，查詢當(dāng)前芯片是否處于忙碌狀態(tài)，如果是在空閑狀態(tài)時調(diào)用SPI驅(qū)動向顯示屏發(fā)送字符編碼，顯示字符。為了進(jìn)行一步延長電池的使用壽命，顯示屏在顯示一段時間之后，發(fā)送0xAE命令，使其進(jìn)入休眠狀態(tài)。

2.4 HC05模塊式一款高性能主從一體的藍(lán)牙串口模塊，可以同各種帶藍(lán)牙功能的電腦、藍(lán)牙主機(jī)、手機(jī)等智能終端進(jìn)行配對。本設(shè)計(jì)使用該模塊來連接手機(jī)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)對智能交互藥盒的設(shè)置。作為連接橋梁，該模塊在初始化時需要將KEY端口置為高電平，然后在波特率為38400的狀態(tài)下，通過發(fā)送AT命令，使模塊的工作模式設(shè)置更改為從模式，并配置波特率為115200。當(dāng)配置完成時，將KEY端口電平置為低電壓，單片使用115200的波特率向藍(lán)牙模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.5 鍵盤使用4*4鍵盤矩陣，鍵盤的4列被連接到單片機(jī)的外部中斷上，當(dāng)有任何按鈕被按下時，中斷被觸發(fā)，系統(tǒng)從睡眠模式進(jìn)入正常工作模式。按鈕的掃描通過F5529內(nèi)部定時器實(shí)現(xiàn)，在定時器中斷內(nèi)部通過行列組合的方法確定按鍵值，在按鍵值被確定以后，通過一個包含三態(tài)的狀態(tài)機(jī)來確認(rèn)當(dāng)前的按鈕是處于短按狀態(tài)還是長按狀態(tài)。在默認(rèn)情況下，狀態(tài)機(jī)處于閑置狀態(tài)，當(dāng)有按鈕被按下時，則進(jìn)入短按確認(rèn)狀態(tài)，如果在1s之內(nèi)，該按鈕被彈起，則說明是短按，狀態(tài)返回至閑置狀態(tài)，否則說明是長按，進(jìn)入長按狀態(tài)，在長按狀態(tài)下，如果按鈕被彈起，狀態(tài)機(jī)返回至空閑狀態(tài)。

3 結(jié)束語

本文采用了TI公司生產(chǎn)的高性能低功耗芯片MSP430F5529結(jié)合SYN6288語音模塊、OLED顯示模塊、4*4鍵盤矩陣、HC05藍(lán)牙模塊等外圍設(shè)備設(shè)計(jì)了一款適用于老人使用的智能交互藥盒，經(jīng)整機(jī)調(diào)試驗(yàn)證，能夠?qū)崿F(xiàn)吃藥語音提示、時間顯示、手機(jī)設(shè)置等功能，操作簡單，電池使用壽命長，適用于老年人使用。

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[責(zé)任編輯：湯靜]