基于云服务的嵌入式智能中药柜的设计与实现_胡智.pdf

基于云服务的嵌入式智能中药柜的设计与实现胡智(湖北工业职业技术学院 智能工程学院，湖北 十堰 442000)摘要:针对传统木制中药柜存在的四个问题，提出并实现了基于云服务的嵌入式智能中药柜。终端硬件上选用国产芯片 ESP8266 为核心，利用语音识别技术实现药材定位，同时采集药材的温度、湿度、重量，通过 WIFI 上报至云平台;软件上采用 MVC 模式，设计开发智能中药管理系统，包含药柜概况、销售分析、消息预警等模块。通过终端硬件和管理软件，实现自动定位、自动计量、自动监测、分析统计等功能。关键词:中药柜;中药管理;物联网;语音识别;ESP8266;传感器中图分类号:TN912;TP23文献标识码:A文章编号:2095-8153(2023)01-0080-05收稿日期:2023-01-17基金项目:2021 年度湖北省教育厅科学研究计划指导性项目“基于云服务的嵌入式智能中药柜”(B2021482)。作者简介:胡智(1987)，男，湖北工业职业技术学院智能工程学院讲师，硕士，研究方向:应用电子、物联网应用。0 引言中医药学是中国古代科学的瑰宝，中药材是中医药事业传承和发展的物质基础，调研发现，医院常用中药饮片品种有 400 多种，在中药材销售环节，仍采用传统的木制、钢制中药柜存储，在药品分类、存储、管理方面智能化较低，主要存在药材分类查找难定位、中药储存条件难达标、药柜销售库存难定量、称量药材花费时间长等问题。针对上述问题，本文基于国产 ESP8266 芯片和腾讯云服务器，设计开发了一种智能中药柜，通过终端硬件和管理软件，实现自动定位、自动监测、自动计量、分析统计等功能，从而提升企业对中药材的精细化管理水平，降低药材损耗与维护成本。1 系统总体设计11 系统总体架构物联网的体系结构可以分为感知层、网络层和应用层三个层次1，考虑到系统复杂性，本系统选用具备 WIFI 功能的 ESP8266 芯片作为核心，既满足对感知层传感数据的采集，也实现了对网络层数据的收发。感知层主要由中药柜终端组成，完成药材定位、环境数据采集、柜门控制等工作，并在网络层通过 WIFI 上传至云平台。应用层平台部署在腾讯云服务器，提供终端的数据处理、设备控制、数据分析等工作，用户通过 WEB 进行数据的查询、分析、管理，并接受消息告警，其系统架构如图 1 所示。图 1系统架构082023 年 2 月湖北工业职业技术学院学报Feb，2023第 36 卷第 1 期Journal of Hubei Industrial PolytechnicVol36 No112 系统功能(1)自动定位:通过语音识别模块监听用户语音指令，当识别到药材名称后，向数据库提交查询请求，匹配得到该药材位置后，驱动语音播放模块播报药材储存位置，并利用舵机打开药柜。(2)自动监测:在药柜中安装温湿度传感器，采集药柜的温度、湿度，超过药物存储条件阈值自动报警，避免出现药物因受潮或过热而受损。(3)自动计量:在每个药柜底部安装称重传感器，并在屏幕上实时显示药材重量，协助中药师快速称取所需药材。(4)分析统计:中药柜终端通过 WIFI，将药材销售数据实时提交至云平台，用户可通过 WEB 端进行分析统计，并接收系统各项消息告警。2云服务的嵌入式智能中药柜系统的实现21 系统硬件(1)主控模块通过对系统功能需求进行分析，从复杂性、成本、实 用 性 等 方 面 进 行 考 虑，最 终 选 择 国 产ESP8266 芯片为核心，该芯片集成了一个 TensilicaL106 32 位 MCU，具有超低功耗 16 位精简指令集，时钟频率最高达 160 MHz，支持实时操作系统(TOS)和 WIFI 协议栈，可将高达 80%的处理能力留给应用编程和开发2，从而以最低的成本提供最大的 效 用。其 最 小 系 统 如 图 2 所 示，左 侧ESP826612F 模组内置 4M FLASH，当 GPIO0、EN上拉至 33V，GPIO15 下拉至 GND 时，模组通电后处于工作模式，当按下 QBOOT 按键通电时，GPIO0接地，模组进入下载模式，此时可通过 USB 转 TTL模块对其烧写程序。图 2ESP8266 最小系统(2)语音识别与播放模块语音识别模块采用 LD3320 芯片，该芯片内部具有 AD、DA、MIC 等接口，只需少量外围电路即可实现语音识别处理。LD3320 可以实现非特定人的语音识别，只需录入识别词拼音，而不需要提前录音训练，具有开发简单、处理速度快、识别精度高等特点 3。本系统中语音识别程序烧录在单片机 STC10L08XE 中，该单片机直接控制 LD3320 实现语音识别功能相关工作，语音识别模块如图 3 所示。语音播放模块采用JQ8400 芯片，该芯片集成了一个 16 位的 MCU 和音频解码 ADSP，可直接驱动 3W 扬声器，通过外挂 FLASH芯片，可以满足本系统中音频存储空间要求，语音播放模块如图4 所示。图 3 语音识别模块4 语音播放模块18胡智:基于云服务的嵌入式智能中药柜的设计与实现(3)称重模块称重模块由称重传感器与 A/D 转换器芯片HX711 组成。前者属于电阻应变式压力传感器，紧贴在弹性元件特定表面上，当受到外力后会产生电阻变化，电阻变化经过电路处理后以电压的形式输出，而后者 HX711 则利用内部的 A/D 采集转换，转换成数字信号的称重数据4。HX711 外围电路如图 5 所示，管脚 7、8、9、10 接电阻应变片的通道 A和通道 B 的正负输入端，管脚 15 控制输出数据速率，此处接 0 电阻，控制输出信频率为 10 Hz，管脚 11 和管脚 12 分别为串口时钟输入和串口数据输出，接 ESP8266 的普通 GPIO 即可。图 5HX711 外围电路(4)温湿度采集模块本系统使用 DHT11 测量药柜温度、湿度，该传感器温度测量范围 050，湿度测 量 范 围20%90%H，DHT11 外围电路如图 6 所示，管脚NC 置空，管脚 DATA 通过 47 K 电阻上拉至 VCC，保持高电平状态，ESP8266 与 DHT11 通过管脚 DA-TA 进行单线双向制通信，湿度和温度数据一共 40Bit，数据采用校验和方式进行校验，有效地保证数据传输的准确5。图 6DHT11 外围电路22 系统软件(1)终端软件图 7终端软件处理流程28湖北工业职业技术学院学报2023 年第 1 期第 36 卷第 1 期终端软件主要包括开机初始化、连接网络、语音识别、采集数据、上传至平台等功能，终端软件处理流程如图 7 所示。终端通电后进行开机初始化、连接网络，如果网络连接正常则进入正常工作流程，否则继续尝试连接网络。正常工作流程包括定时查询和语音识别两个分支:定时查询的目的主要是实现周期性上报传感器数据的功能，采用 HTTP的 GET 方法上传至云平台，提交参数说明如表 1 所示;语音识别模块通过监听用户说出的关键词实现控制药柜柜门功能，同时实时显示打开药柜的重量变化，当监测到柜门关闭后，提交对应药柜重量数据至云平台。表 1 提交参数说明参数名称参数说明单位UserID操作用户 ID无Stock药柜重量gowAxis药柜所在行无ColumnAxis药柜所在列无Temp温度Humidity湿度%H(2)系统管理软件系统管理软件包括药柜概况、销售记录、销售分析、消息预警四大板块，采用 BS 架构，对数据原型分层次展示，并使用前后端分离模式开发。后端使用跨平台的高性能开源框架 ASPNET Core，采用MVC+WebApi 开发模式，定义统一的 ESTful 风格的 API 接口，并通过 JSON 数据格式进行交互，数据库使用零配置的 SQLite。前端使用 Bootstrap 自适应框架做页面布局，使之能满足适配不同设备的展示需求。3系统测试及结果本系统测试主要包括传感器数据采集、语音识别准确率、智能中药管理系统数据展示三块。智能中药管理系统界面如图 8 所示，将中药柜设备终端通电，同时在电脑端用浏览器打开智能中药管理系统，可以通过管理系统查看中药柜状态，当说出中药材名称后，对应药柜自动打开，且扬声器播报中药材位置，模拟销售过程，取出部分中药材后关闭药柜，可以在管理系统中看到销售记录信息，重复上述步骤，可触发低库存预警。通过测试，语音识别准确率达到 95%，终端系统功能齐全，人机交互良好，WEB 端管理软件数据展现清晰，与预期效果一致。图 8 智能中药管理系统界面4结语本文基于 ESP8266 和腾讯云服务，设计开发了一种智能中药管理系统，实现了自动定位、自动计量、自动监测、分析统计等功能，通过测试，本系统较好地解决了现有中药柜存在的部分问题，提高了企业对中药材的精细化管理水平，降低了药材损耗与维护成本，对智能化中药柜的普及与发展具有实38胡智:基于云服务的嵌入式智能中药柜的设计与实现际的指导意义和应用价值。参考文献 1 孟勋物联网技术综述M 中国科技信息，2018(23):46-47 2 方鹏，李维波，郝春昊，等基于 ESP8266 的双 CPU 小功率多通道充电智能控制终端J 现代电子技术，2022，45(22):150-156 3 孔繁庭，郝强基于语音及远程控制的分类垃圾桶设计 J 电子制作 2022，30(22):40-43 4 李嘉明，冯建，廖明华，等基于 ESP32 的电子秤系统设计 J 电脑知识与技术，2021，17(12):216-219 5 田煜晖移动探测机器人控制系统设计及避障研究 D 西安:西安电子科技大学，2014Design and ealization of Embedded IntelligentChinese Medicine Cabinet Based on Cloud ServicesHU zhi(School of Intelligent Engineering，Hubei Industrial Polytechnic，Shiyan 442000，China)Abstract:Aiming at four problems existing in traditional wooden traditional Chinese medicine cabinet，an embedded intelligent tra-ditional Chinese medicine cabinet based on cloud service is proposed and realizedIn the terminal hardware，the domestic chipESP8266 is selected as the core，and the voice recognition technology is used to realize the location of medicinal materials At thesame time，the temperature，humidity and weight of medicinal materials are collected and reported to the cloud platform throughWIFI MVC mode is adopted in the software to design and develop an intelligent traditional Chinese medicine management system，in-cluding general situation of medicine cabinet，sales analysis，message warning and other modulesThe functions including automat-ic positioning，automatic measurement，automatic monitoring，analysis and statistics are real