基于STM32的老年群體居家智能藥盒系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

劉明碩，何丹丹，李帥

（平頂山學院信息工程學院，河南平頂山 467000）

隨著社會主義現(xiàn)代化建設，中國已然成為世界第二大經(jīng)濟體，伴隨人民生活質(zhì)量的全面提升，對老年人日常生活進行智能化護理已成為各個開發(fā)者研究的熱點。

該文以STM32F030C8T6（6T6）為主控芯片，利用單片機控制技術(shù)和無線通信技術(shù)，通過藍牙通信模塊、GSM 傳輸模塊、OLED 模塊、聲光報警模塊，實現(xiàn)提醒老人精準用藥等基本功能。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)的硬件電路設計選擇STM32F030C8T6（6T6）作為主控制器，由OLED 模塊、LED 模塊、蜂鳴器等共同組成外圍電路。為了實現(xiàn)遠程通信功能，該設計采用了GSM 傳輸模塊和藍牙模塊作為無線通信模塊，手機APP 使用藍牙與STM32 智能藥盒相連接。系統(tǒng)的軟件設計中，單片機使用的C 語言由Keil 開發(fā)和調(diào)試，手機APP 由E4A 開發(fā)，構(gòu)建完整的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)總體設計如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計

2 系統(tǒng)硬件設計

硬件設計使用了STM32 單片機控制模塊、無線藍牙模塊、GSM 傳輸模塊、OLED 顯示模塊、按鍵模塊和提醒模塊。

2.1 STM32單片機控制模塊

系統(tǒng)選用STM32F030C8T6（6T6）作為主控芯片。外圍電路有復位電路、晶振電路、電源電路等。復位電路的功能為通過按鍵完成整個系統(tǒng)的復位[1]。六個通用16 位定時器和一個高級控制PWM 定時器，確保了較高的時鐘精度。該芯片的工作電壓最大為3.6 V、最小為2.4 V，工作頻率高達48 MHz，內(nèi)置高速嵌入式存儲器，以及廣泛增強的外圍設備和I/O 端口[2]。該系統(tǒng)板具有性能強、功耗低、價格低等一系列有利于設計的特點。具體電路如圖2所示。

圖2 STM32最小系統(tǒng)電路

2.2 GSM傳輸模塊

系統(tǒng)采用的GSM 傳輸模塊是GA6-B，GSM 模塊的URX、UTX 引腳分別與STM32 主控芯片的PA9、PA10 相連接，其與單片機之間通過AT+CIPMODE 進行數(shù)據(jù)傳輸。當?shù)竭_吃藥時間用戶未進行任何操作時，MCU 會立刻控制GSM 模塊向用戶監(jiān)護人發(fā)送報警短信，從而實現(xiàn)提醒功能。GSM 模塊接口電路如圖3 所示。

圖3 GSM模塊接口電路

2.3 無線藍牙模塊

系統(tǒng)采用的藍牙模塊是JDY-31，其是基于藍牙3.0SPP 設計的，藍牙模塊的TXD、RXD 引腳分別與STM32 主控芯片的PA3、PA2 相連接，與單片機通過AT 指令進行數(shù)據(jù)傳輸，藍牙模塊搭建了一條硬件設備和APP 之間的連接通道實現(xiàn)了設備與APP 之間的交互。藍牙通信模塊電路原理圖如圖4所示。

圖4 JDY-31模塊原理圖

2.4 OLED顯示模塊

為了增強用戶的視覺體驗，使藥品名稱和數(shù)量更加清晰。系統(tǒng)采用了12864OLED 顯示屏，該顯示屏是128×64 點陣的OLED 單色、字符、圖形顯示模塊[3]。屏幕大小為0.96 寸，采用SPI 作為與單片機進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。硬件電路中SCLK2、MOSI2、OLED_RST 和OLED_DC 引腳分別連接到單片機的PB13、PB15、PB6 和PB5。在寫入數(shù)據(jù)時需要先將SCLK2 設置為低電平，在產(chǎn)生上升沿之前準備數(shù)據(jù)。當MOSI2 完成給單片機傳輸數(shù)據(jù)的任務后，SCLK2 變?yōu)楦唠娖?，同時OLED 讀取數(shù)據(jù)[4]。該模塊的功能是顯示藥盒的藥品名稱以及需要服用的數(shù)量。

2.5 提醒模塊

提醒模塊作為該設計的輸出部分，主要作用是提供具體可靠的提醒功能。由于老年人身體機能較差，如果僅使用單一的提醒方式，存在容易忘記或忽視的特點。因此，采用蜂鳴器和LED 的聲光雙重提醒方式，提高提醒的有效性。

作為一種有源的電子蜂鳴器，蜂鳴器采用5 V 直流電壓，電路由8050 三極管引導驅(qū)動。其電流的峰值為500 mA，硬件電路中只需要將蜂鳴器的I/O 口引腳連接到單片機的PA8，通過單片機發(fā)出高電平來實現(xiàn)報警。

LED 是一種高亮度、低功耗的燈管。該燈管在節(jié)能領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。該設計中，LED和帶電的電阻串聯(lián)以減小電路電流，并使用單片機引腳作為輸入端。硬件電路中將LED 的R、G、B 引腳分別連接到單片機的PC13、PC14、PC15。為了防止電流對單片機引腳的影響，使LED 處于合適的亮度，采用1 kΩ電阻作為限流電阻[5-6]。其模塊接口電路如圖5 所示。

圖5 提醒模塊接口電路

2.6 按鍵模塊

為了檢測用戶是否完成吃藥操作，當?shù)竭_設定吃藥時間之前用戶完成吃藥，按下按鍵手機APP 顯示藥盒狀態(tài)為已經(jīng)服用，證明用戶完成用藥。S1、S2、S3 分別控制三個藥盒。硬件電路中將按鍵S1、S2、S3 引腳分別連接到單片機的PB12、PB11、PB10。

3 系統(tǒng)軟件設計

單片機使用的C 語言由Keil進行開發(fā)和調(diào)試，使用ST-LINK 燒錄軟件對程序進行下載與調(diào)試。手機APP使用E4A進行開發(fā)，以構(gòu)建完整的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)。

3.1 系統(tǒng)總體軟件設計

該設計從連接藍牙后開始工作，當設備和手機APP 通過藍牙成功配對后，設備在10 s 內(nèi)進行初始化，將手機時間透傳給單片機，同時單片機將會對比時間是否與設定吃藥時間一致，如果與設定時間一致且用戶在10 s 內(nèi)未觸發(fā)吃藥按鍵，蜂鳴器將會發(fā)出聲光警告，直至用戶完成吃藥操作后警報解除。同時，GSM 傳輸模塊將發(fā)送（Forget to take medicine）給用戶監(jiān)護人，達到雙重提醒的目的。系統(tǒng)總體程序流程如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)總體程序流程

3.2 GSM模塊軟件設計

在該設計中，當GSM 通信模塊通電后，發(fā)送AT指令進行同步串口波特率之后等待下一步指令，若到達規(guī)定時間用戶沒有任何操作，GSM 將發(fā)送短信（Forget to take medicine）給用戶監(jiān)護人，從而達到提醒效果[7-9]。提醒短信發(fā)送流程如圖7 所示。

圖7 提醒短信發(fā)送流程

3.3 藍牙模塊軟件設計

當手機藍牙沒有打開時，就不會有相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸，即數(shù)據(jù)不顯示；當手機藍牙打開時，與智能藥盒系統(tǒng)無線連接，并進入初始化階段，并且智能藥盒系統(tǒng)會實時采集數(shù)據(jù)并向手機進行發(fā)送。目的是為了實時更新STM32 內(nèi)時鐘，并且通過APP 把數(shù)據(jù)透傳給單片機[10-12]。藍牙模塊發(fā)送接收流程如圖8 所示。

圖8 藍牙模塊發(fā)送接收流程圖

3.4 APP軟件設計

智能藥盒系統(tǒng)APP 需要使用E4A 搭建軟件環(huán)境。E4A 面向企業(yè)、網(wǎng)站管理員、開發(fā)者、網(wǎng)絡公司及各種便攜式設備等。中文Android 編程語言基于Android 系統(tǒng)下的應用程序進行開發(fā)。APP 頁面簡潔明了，依次為連接欄、定時設置、藥盒狀態(tài)和名稱、提醒號碼設置，操作簡單，符合老人使用習慣。智能藥盒手機APP 頁面如圖9 所示。

圖9 智能藥盒手機APP頁面

圖10 軟件測試效果圖

4 系統(tǒng)測試

硬件測試對于一個系統(tǒng)的實現(xiàn)有著舉足輕重的作用，因為如果硬件電路連接出現(xiàn)錯誤輕則導致系統(tǒng)功能無法實現(xiàn)，重則會使系統(tǒng)電路元器件燒壞。

4.1 硬件測試

首先利用仿真軟件測試硬件電路是否能正常運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)基本功是否能夠?qū)崿F(xiàn)。然后測試設備是否能和手機APP 相連接、APP 中的時間是否能通過藍牙透傳給單片機，并且在OLED 顯示屏能否正常顯示。當?shù)竭_設置時間單片機能否發(fā)出聲光警報，如果按下按鍵警報能否停止OLED 顯示，是否更新為已經(jīng)服藥。最后測試GSM 短信提醒，當?shù)竭_設定時間持續(xù)未作任何操作，GSM 短信模塊會不會發(fā)送短信來提醒用戶：監(jiān)護人用戶未完成吃藥[12-14]。

4.2 軟件測試

軟件測試是設計實現(xiàn)過程中必不可少的重要組成部分，進行軟件測試可以以肉眼可見的方式檢測系統(tǒng)功能是否完善，同時也是對硬件測試的二次檢驗。

4.2.1 OLED屏幕軟件測試

OLED 屏幕軟件測試的主要目的是檢測OLED屏幕顯示藥物信息及時間是否準確，藥盒名稱和吃藥數(shù)量是否能正常顯示。測試方法如下：在測試程序中分別寫入藥盒名稱和吃藥數(shù)量，下載程序并觀察OLED 顯示效果，第一行為時間欄顯示當前的時間精確到秒，二、三、四行分別顯示了藥盒的名稱、藥盒所處狀態(tài)以及要服用藥物數(shù)量[14-16]。

4.2.2 GSM通信模塊軟件測試

GSM 模塊程序的主要功能是在超過設定時間后，GSM 會給設定號碼發(fā)送短信，提醒用戶：監(jiān)護人用戶還未完成吃藥操作。

5 結(jié)束語

該文設計了以STM32F030C8T6（6T6）為主控芯片的智能藥盒系統(tǒng)。系統(tǒng)具有較高的時鐘精度，能夠準確提醒老人按時吃藥，并且具有成本低、便攜等一系列符合老年人生活習慣的優(yōu)點，具有較高的實用性。在后續(xù)的工作中，仍然需要對其穩(wěn)定性進行改善，并且還需要考慮增加更多的創(chuàng)新功能。如實現(xiàn)GPS 的精確定位，也可以增加APP 視頻功能，讓老人與子女通過智能藥盒系統(tǒng)進行全息的視頻電話；還可以增加智能AI 功能，可以語音識別老人的需要，做到更加方便簡潔地為用戶服務，使老年人的使用舒適感提升。