基于物聯(lián)網(wǎng)的智能藥盒設(shè)計(jì)

常國權(quán)，尚進(jìn)輝，孫帥霞

（安陽工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，河南 安陽 455000）

0 引言

服用藥品是人們用來治療和預(yù)防疾病的重要手段，藥品對保障人們的身體健康和生命安全有著重要的意義，但錯(cuò)誤服藥會引發(fā)事故風(fēng)險(xiǎn)。目前，我國60 周歲及以上的人口高達(dá)2.5 億多人，占比達(dá)18.1%，老年人群體的增多加大了患病和吃藥的幾率，另外，慢性病患者以及其他需長期服藥的人群也存在忘記服藥、過量服藥、錯(cuò)誤服藥等問題，每年都有因過量服藥或錯(cuò)誤服藥的風(fēng)險(xiǎn)案例發(fā)生。為了避免以上風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和單片機(jī)控制的智能藥盒，該藥盒可自動通過語音和三色LED 燈提醒用藥人按時(shí)服藥，并可通過Wi-Fi 或4G 模塊把服藥情況發(fā)給其家人或監(jiān)護(hù)人，以便于他們隨時(shí)檢查服藥情況。該藥盒有效防止重復(fù)用藥、忘記用藥、藥物過期等風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，幫助老年人群體及其他需長期服藥的人群建立科學(xué)良好的用藥習(xí)慣，這對促進(jìn)我國康復(fù)醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用STC 公司最新生產(chǎn)的STC8A8K64D4 單片機(jī)為核心，并擴(kuò)展了顯示觸摸屏、時(shí)鐘模塊、語音模塊、LED 燈驅(qū)動模塊、4G 模塊、Wi-Fi 模塊等模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

顯示觸摸屏模塊用來顯示系統(tǒng)當(dāng)前的日期、時(shí)間和系統(tǒng)的其他參數(shù)信息，也可以用來設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間、服藥時(shí)間等參數(shù)；時(shí)鐘模塊用來維持系統(tǒng)的時(shí)間，作為語音提醒的時(shí)間基準(zhǔn)，STC8 單片機(jī)實(shí)時(shí)讀取時(shí)鐘模塊中的時(shí)間，并和預(yù)先設(shè)定的服藥時(shí)間進(jìn)行比對；語音模塊用來播放語音提醒，也可以通過麥克風(fēng)和用戶進(jìn)行簡單的語音交互；除了語音提醒之外，系統(tǒng)還在藥盒上放置了多個(gè)三色LED 燈，每個(gè)LED燈的三種顏色可以分別代表每個(gè)藥倉的狀態(tài)；4G 模塊和Wi-Fi 模塊用來連接云平臺，通過4G 模塊或Wi-Fi 模塊可以把各種信息上傳到云平臺，用戶也可以通過智能手機(jī)登錄到云平臺查看或發(fā)送實(shí)時(shí)消息，以便于對服藥情況進(jìn)行及時(shí)查詢；語音模塊通過串口和單片機(jī)連接，既可以通過喇叭發(fā)出語音提醒，又可以通過麥克風(fēng)和藥盒進(jìn)行簡單的語音交互；系統(tǒng)電源模塊為系統(tǒng)中各芯片提供各種工作電壓。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。圖1 中虛線箭頭代表無線連接方式，實(shí)線箭頭代表STC8 單片機(jī)與各個(gè)模塊或各個(gè)模塊之間的連接方式。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)直接關(guān)系到系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，考慮到系統(tǒng)可能會使用電池供電的情況，在系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)中采用了功耗較低的電源芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)中各芯片的工作電壓分為5 V 和3.3 V 兩類，因此，電源也分為5 V 和3.3 V 供電兩部分。5 V 電源供電模塊采用的是MP1584 大電流穩(wěn)壓芯片，MP1584 是DC-DC 降壓模塊，它具有較低的功耗，支持4.5 V ～28 V 的寬輸入電壓和高達(dá)3 A 的輸出電流。MP1584 把7 V ～12 V 電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5 V 電源，供給4G 模塊、語音模塊、串口觸摸屏以及LED 燈驅(qū)動模塊等。3.3 V 電源供電部分采用的是上海明達(dá)微電子有限公司生產(chǎn)的MD8233，它是低壓差微功耗LDO，具有高耐壓、低壓差、低電流消耗的優(yōu)點(diǎn)，待機(jī)電流在微安級，并可輸出150 mA 以上的電流，3.3 V 電源主要用來給STC8 單片機(jī)、Wi-Fi 模塊、時(shí)鐘等模塊供電。系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)原理圖

2.2 系統(tǒng)主控電路及網(wǎng)絡(luò)模塊接口設(shè)計(jì)

在多方面比較各類單片機(jī)的綜合性能和指標(biāo)之后，本系統(tǒng)采用了STC 公司最新開發(fā)的STC8A8K64D4 單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。STC8 是高速8051 系列單片機(jī)，它內(nèi)部有8 K RAM，64 K Flash，4 個(gè)串行口，12 位ADC 等豐富資源，并在內(nèi)部集成了高精度的晶振電路，且晶振可在6 MHz ～45 MHz 范圍內(nèi)編程設(shè)置。它突出的優(yōu)點(diǎn)是速度快、性價(jià)比高、功耗低、資源豐富，設(shè)計(jì)起來比較方便，可用在智能控制、智能儀器儀表等應(yīng)用場合。該單片機(jī)工作電壓為1.9 V ～ 5.5 V，并有多種封裝可選，此處采用的是LQFP48 引腳的封裝，為了方便與4G 模塊和Wi-Fi 模塊接口，此處，STC8 采用3.3 V 工作電壓供電。系統(tǒng)主控電路及網(wǎng)絡(luò)模塊接口設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

網(wǎng)絡(luò)接口模塊設(shè)計(jì)分為Wi-Fi 模塊和4G 模塊設(shè)計(jì)。Wi-Fi 模塊采用的是串口Wi-Fi 模塊ESP8266，如圖3 中J7所示。ESP8266 是一款低功耗的網(wǎng)絡(luò)透傳模塊，它專為移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶的設(shè)備連接到Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。此處，STC8 單片機(jī)通過串行口1 和ESP8266 進(jìn)行通信，因?yàn)榇锌? 是ISP 程序下載接口，所以，這里通過軟件編程的方法，把串行口1 轉(zhuǎn)移到P3.6 和P3.7，使得串行口1 實(shí)現(xiàn)復(fù)用功能。因?yàn)镋SP8266 的工作電壓為3.3 V，所以，這里直接把ESP8266 的RX、TX 分別和P3.6、P3.7 連接。ERST是ESP8266 的復(fù)位引腳，該引腳連接到STC8 單片機(jī)的P1.6引腳，作為控制ESP8266 退出透傳并對其進(jìn)行設(shè)置的手段。

4G 模塊采用的是上海移遠(yuǎn)通信技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的透傳模塊EC200S，該模塊是移遠(yuǎn)公司專門為M2M 和IoT應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的無線通信模塊，它內(nèi)置多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并集成了USB、WLAN、串口等多個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，本系統(tǒng)采用的是串口接口。因?yàn)镋C200S 是一個(gè)有144 個(gè)引腳的LCC 和LGA 混合封裝的貼片式模塊，而且還需要特殊的通信接口電路及供電電路等外圍電路，所以，它不適合和STC8 單片機(jī)直接接口，本系統(tǒng)采用的方法是把EC200S 加上外圍電路封裝成一個(gè)方便和單片機(jī)接口的通用4G 模塊，圖3 中J5、J6 為EC200S 封裝后的雙排接口，封裝后的模塊采用5 V 電源供電，串口和STC8 單片機(jī)串行口2 相連；其中，STATUS 用于指示模塊的工作狀態(tài)，當(dāng)模塊正常開機(jī)時(shí)，STATUS 會輸出低電平；POWER 用來使4G 模塊開機(jī)和關(guān)機(jī)，POWER 連接到STC8 單片機(jī)的P1.3，可以通過P1.3 輸出符合開關(guān)機(jī)時(shí)序的高低電平使4G 模塊開機(jī)和關(guān)機(jī)。

圖3 系統(tǒng)主控電路及無線模塊接口原理圖

2.3 語音模塊接口電路設(shè)計(jì)

為方便用戶與智能藥盒的語音交互，本設(shè)計(jì)采用成都啟英泰倫科技有限公司生產(chǎn)的AI 智能語音芯片CI1122 實(shí)現(xiàn)了語音的輸入和輸出。CI1122 是一款具備專用于智能語音交互分析與處理等功能的人工智能芯片，它內(nèi)置RISC-V高性能處理器內(nèi)核和低功耗Audio Codec 模塊，同時(shí)該芯片還集成多路UART、IIC、GPIO 等外圍控制接口，非常適合開發(fā)低成本高性能的單芯片智能語音離線識別方案。這里采用的是由CI1122 芯片及外圍電路封裝而成的語音模塊CI-C22GS02S，該模塊可采用5 V 電壓供電，但它的IO口通信電平為3.3 V。單片機(jī)與語音模塊接口電路原理圖如圖4所示。

語音模塊和STC8 單片機(jī)采用串行口通信方式，語音模塊的串行口和STC8 單片機(jī)的串行口4 相連接，即語音模塊的RX、TX 引腳分別與STC8 單片機(jī)的P0.3、P0.2 相連接。圖4 中的J3 接口為語音模塊的程序升級接口，用來給語音模塊升級個(gè)性化的語音程序；J8 為升級時(shí)的選擇跳線，升級程序時(shí)把J8 斷開，即可通過語音模塊的串行口UART0 對芯片內(nèi)部的Nor Flash 燒錄固件；J9 為喇叭接口，J10 為麥克風(fēng)接口。

圖4 單片機(jī)與語音模塊接口電路原理圖

2.4 系統(tǒng)其他接口電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)其他接口電路模塊包括彩色觸摸屏、三色LED 提醒燈以及時(shí)鐘模塊等，系統(tǒng)其他接口電路設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示。彩色觸摸屏模塊采用的是320×240 分辨率的串口屏，該屏幕通過串行口和STC8 單片機(jī)進(jìn)行通信，接口如圖5 中的J4，它連接的是單片機(jī)的串行口3，其中ACTIVE 引腳用來打開屏幕背光；U2 是DS1302 時(shí)鐘模塊，它和單片機(jī)采用模擬SPI 時(shí)序進(jìn)行通信，因此，它的3 個(gè)引腳連接STC8單片機(jī)的3 個(gè)普通IO 就可以了；J2 是三色LED 提醒燈接口，由于每個(gè)藥倉上面需要放一個(gè)三色LED 燈，所以三色LED燈的個(gè)數(shù)較多，因此這里采用專用的LED 驅(qū)動芯片TM1640來實(shí)現(xiàn)，該芯片可以驅(qū)動128 個(gè)LED 燈，它和單片機(jī)只需要2 個(gè)接口即可通信。

圖5 系統(tǒng)其他接口電路設(shè)計(jì)原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括STC8 單片機(jī)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和語音模塊SDK 軟件設(shè)計(jì)，這里主要論述軟件的設(shè)計(jì)流程，下位機(jī)主要在Keil C 開發(fā)環(huán)境中用C 語言編寫，并使用STC-ISP 軟件下載到STC8 單片機(jī)中。語音模塊的軟件設(shè)計(jì)采用官方提供的SDK 軟件開發(fā)包，并通過串口編程軟件下載到語音模塊中。

系統(tǒng)正常上電之后，會進(jìn)行自檢及系統(tǒng)初始化工作，STC8 單片機(jī)從EEPROM 中讀取系統(tǒng)的各種參數(shù)信息并進(jìn)行初始化工作，這些參數(shù)信息包括：服藥提醒時(shí)間列表、Wi-Fi 連接的路由器信息、4G 模塊的參數(shù)信息、屏幕顯示的參數(shù)信息、語音模塊的參數(shù)信息等，并根據(jù)讀取到的參數(shù)信息對各個(gè)模塊進(jìn)行初始化操作。系統(tǒng)讀取到各個(gè)模塊的基本參數(shù)之后，首先進(jìn)入脫機(jī)模式，在LCD 顯示屏上顯示當(dāng)前的時(shí)間、服藥時(shí)間等相關(guān)信息，進(jìn)行簡單的語音播報(bào)提示，并點(diǎn)亮相應(yīng)藥倉上的三色LED 提醒燈，紅色提示空倉，綠色提示有藥品，藍(lán)燈閃爍提醒該服用這個(gè)倉位的藥品。

完成以上操作之后，系統(tǒng)開始進(jìn)行連接網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)前面讀取的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)信息，嘗試連接指定的無線網(wǎng)絡(luò)。STC8單片機(jī)通過串行口1 發(fā)送AT 指令對Wi-Fi 模塊進(jìn)行配置，根據(jù)指定的網(wǎng)絡(luò)名和密碼連接到指定的網(wǎng)絡(luò)，如果Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)連接認(rèn)證成功，可進(jìn)一步采用Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)連接到云平臺，STC8 單片機(jī)設(shè)置Wi-Fi 模塊進(jìn)入透傳模式，等待數(shù)據(jù)的上傳或下載。此時(shí)，STC8 單片機(jī)就會忽略下一步的4G 網(wǎng)絡(luò)的連接，采用Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。如果Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)連接認(rèn)證失敗，STC8 單片機(jī)就需要進(jìn)一步連接4G 網(wǎng)絡(luò)。STC8 單片機(jī)首先拉低4G 模塊的POWER 引腳約500 ms 進(jìn)行開機(jī)操作，并實(shí)時(shí)檢測4G 模塊STATUS 引腳的狀態(tài)，如果STATUS 引腳一直為高電平，表明4G 模塊出現(xiàn)故障，通過LCD 顯示屏顯示相關(guān)信息，同時(shí)通過語音播報(bào)故障信息。當(dāng)STATUS 輸出低電平時(shí)，表明4G 模塊已經(jīng)開機(jī)，同時(shí)單片機(jī)串行口2 也會收到“OK”兩個(gè)字符，然后，單片機(jī)通過串行口2 給4G 模塊發(fā)送AT 指令來進(jìn)一步查詢SIM 卡是否正常。單片機(jī)發(fā)送“AT+CPIN? ”AT 指令給4G 模塊，并在500 ms 超時(shí)內(nèi)等待4G 模塊返回信息，如果模塊返回READY 則表示SIM 卡正常，后面就要通過相應(yīng)的AT 指令依次進(jìn)行SIM 卡信號質(zhì)量的檢查、SIM 卡是否附著網(wǎng)絡(luò)、SIM 卡是否注冊網(wǎng)絡(luò)等操作，如果SIM 卡信號正常，就可以進(jìn)一步連接云平臺或者電腦客戶端服務(wù)器了。網(wǎng)絡(luò)連接成功之后，系統(tǒng)會向網(wǎng)絡(luò)接收端發(fā)送一些藥盒的相關(guān)信息，如果連接失敗，則跳過該步驟，進(jìn)入脫機(jī)工作模式。

CI-C22GS02S 語音模塊的軟件設(shè)計(jì)采用的是官方提供的SDK 開發(fā)包，使用該開發(fā)包可以對語音模塊的命令詞列表和播報(bào)詞列表進(jìn)行個(gè)性化的修改，并通過串口工具下載到模塊中，當(dāng)用戶通過麥克風(fēng)發(fā)出語音后，語音模塊會根據(jù)命令詞列表和播報(bào)詞列表進(jìn)行比較，識別出相應(yīng)的詞匯，并找到用戶設(shè)定的命令代碼，再通過串行口發(fā)給STC8 單片機(jī)，單片機(jī)收到命令代碼之后，和存儲EEPROM 中的參數(shù)進(jìn)行比較，從而判斷出用戶發(fā)的語音內(nèi)容。單片機(jī)再通過串行口給語音模塊發(fā)送事先設(shè)定好的語音ID，語音模塊通過喇叭播報(bào)出對應(yīng)的語音，這樣系統(tǒng)就可以和用戶進(jìn)行簡單的語音交互了。系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)流程圖

為方便對日期和時(shí)間進(jìn)行比較，這里采用把年、月、日、時(shí)、分、秒做簡單移位而合成一個(gè)32 位時(shí)間戳的方法，相比采用Unix 時(shí)間戳這種方法運(yùn)算速度更快，該時(shí)間戳在還原時(shí)間的時(shí)候只需做相反的移位操作即可，時(shí)間戳的合成方法如圖7所示。系統(tǒng)進(jìn)入正常工作模式之后，STC8 單片機(jī)會在while 循環(huán)中讀取DS1302 時(shí)鐘的日期和時(shí)間，并按照圖7 的方法合成時(shí)間戳，和用戶設(shè)定的服藥時(shí)間戳一一進(jìn)行比較，一旦系統(tǒng)當(dāng)前的時(shí)間戳大于或等于用戶設(shè)定的時(shí)間戳，則表示服藥時(shí)間已到，系統(tǒng)會通過語音發(fā)出提醒，并同時(shí)在屏幕和藥倉的三色LED 燈上顯示出來，如果已經(jīng)連接網(wǎng)絡(luò)，則會把相關(guān)信息也上傳到網(wǎng)絡(luò)平臺。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能藥盒，實(shí)現(xiàn)了語音播報(bào)、三色LED 燈閃爍等多種提醒方式以及觸摸屏交互、語音交互等多種交互手段，來提醒老年人群體及其他需長期服藥的人群及時(shí)服藥，其家人或監(jiān)護(hù)人也可以通過Wi-Fi 或4G模塊等無線網(wǎng)絡(luò)來實(shí)時(shí)監(jiān)查用藥情況，可有效防止重復(fù)用藥、忘記用藥、藥物過期等風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，幫助服藥人群建立科學(xué)良好的用藥習(xí)慣，推廣應(yīng)用具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。