基于STM32的智享电子药箱设计.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：杨蕾（1995），女，汉族，四川成都人，硕士研究生，研究方向为图像处理，深度学习。-9-基于 STM32 的智享电子药箱设计 杨 蕾 李俊芳 冯雅婷 舒 锐 夏思凡 西南交通大学希望学院，四川 成都 610400 摘要：摘要：针对老年人漏服药、服错药等问题，设计了一种基于 STM32F103C8T6 单片机的电子智享药箱。该系统包括主控、显示屏、存储芯片、声光报警、短信发送模块等，具有判断服药是否超时、多方式多频次提醒服药、存储及修改用药信息等功能。通过蜂鸣器警报，并且通过光敏电阻判断用户是否服药从而继续或者停止警报。该药箱用药提醒方式多样，操作方便简单，提升了用户按时服药的概率，同时能通过药箱端按键对用药时间进行调整，保证了不同时间用药的准确性。关键词：关键词：单片机；智享电子药箱；用药提醒；药品信息设置 中图分类号：中图分类号：TN912 0 引言 随着人口老龄化发展，居家老人日益增多，依靠子女或社区对老人进行健康监护已经不切实际，尤其是老年人健康问题多、记忆力差，日常用药次数多、品类复杂，这无疑让老年人的用药成为一项困难1。电子智能药箱主要面对的是老年人群，年龄越大的老年人的身体情况不佳，通常一身多病，比如高血压，骨质酥松，肺病，心率失常等，每天需要服用品种复杂且剂量较大的药品，且某些药品需要在特定的时间服用，对于老人来说太难记忆准确，若是一时疏忽，药效就会不佳，病情好转就会更加缓慢。为了解决上述一系列问题，智能药箱设计了多种功能模块，能够从不同角度提醒老人用药。同时，市面上的智能型设备发展迅速，通过智能电子智能设备提醒老年人用药，记录药物种类、用药剂量，从而正确服药，帮助老年人群维护身体健康，也成为智能电子科技发展的重要方向2。欧美国家，在早期就计划通过科技提升老年人的健康水平，将科技应用于老年人的日常生活有效保障老年人的身体健康，为老年人的健康谋福祉成为科技发展的重要一环。目前国内市面上也已经出现了不同种类的智能药箱3，但价格差距大、质量参差不齐，成为目前市场上所出现的主要问题，其中一些价格低廉的药箱功能局限，起不到提醒，而功能齐全的智能药箱价格过于高昂，普及性差。智能药箱符合市场的发展和需求，若是普遍使用，能有效的解决老人和病人不能按时吃药的问题，所以一些科技人员已经着手研究能让人们方便使用，且性价比能为大众接受的电子智能药箱。基于此，设计了一种基于 STM32F103C8T6 单片机的电子智享药箱，成本较低，功能齐全，能满足大多数老年人群的需求。1 智享电子药箱的构成与功能 1.1 构成 智享电子药箱系统包含：药箱外壳、储药格、按键、STM32F103C8T6 主控板、显示屏、存储芯片、SIM800C模块、电磁锁等。药箱设置塑料外壳，共有 24 格储药格，用药时间蜂鸣器发出提醒，超时后 SIM800C 模块连接手机实现数据信息传送，提醒手机联系人，取药时通过按键调节系统相关参数，TFTLCD 显示屏幕亮起提示正确用药信息，打开对应药格。1.2 功能 为了确保老年人服药的及时性、准确性，智享电子药箱的主要功能分为以下几个方面。（1）分类收纳 智享电子药箱划分 24 格储物格，每行 3 格药格，共计 8 行，监护人通过每日三次，每周七天的顺序放入前 7 行中，第 8 行作为备用。（2）用药信息设置 通过控制面板记录用药量，用药时间。智享电子药箱通过串口上位机设置不同药仓对应的药品信息，药品名称及用量等信息在显示屏上进行显示，监护人或医护人员可以通过按键提前设置不同药品的服药时间，且为了能够长久的存储，为保证信息的安全性和中国科技期刊数据库 工业 A-10-准确性，利用 W25Q32 作为储存芯片保存数据。（3）用药提醒 用药时间到，蜂鸣器发出报警提示音，同时显示屏用药信息闪烁提示，当用药人收到提醒，单次按下按键之后，蜂鸣器停止警报、显示屏暂停闪烁。用药人距离药箱较远时，短时间内无法关闭提醒，则智享电子药箱将通过短信提醒用药人服药。由于老年人用药量复杂，用药次数多，因此智享电子药箱每日支持设定 9 次提醒，以满足用药需求。（4）便携 智享电子药箱安装锂电池，并支持 USB 充电，便于药箱的移动、用户携带。同时能够在停电的情况下，保证药箱的正常使用。2 智享电子药箱硬件设计 智享电子药箱的硬件设计，主要包括短信通讯，液晶显示，取药按键，供电设计。选择 STM32 单片作为智享药箱的核心处理器，短信通讯功能利用 SIM800C 模块，安装 SIM 卡，用于数据处理、接受时钟信号、复位等，实现单片机和短信模块的工作配合，当 SIM 卡插入和拔出时，对应电位发生变化，判定是否有电话卡插入，并完成向用户手机的短信发送任务。液晶显示采用TFTLCD显示屏通过串行传输数据显示服药信息和服药时间，并在规定时间闪烁提醒用户正确用药。取药按键设计用来修改药物信息，按键通过电路板接点与 STM 相连，STM 通过高低电频判断是否按键从而修改药物信息，方便独居老人操作。避免药箱在断电后出现数据丢失的情况，药箱加入了存储电路，用于储存重要的信息。药箱增加 USB接口，当外部锂电池电量耗尽时，利用 USB 进行供电，在 USB 供电时，保证与锂电池供电时实现相同性能。此外，智享电子药箱最下方设计药量检测模块，此检测方式利用 FDC2214 芯片，通过存放药品的抽屉底部的电极板，通过电容感应的方式识别药量的变化，进行药量的粗略计量。同时配合温湿度检测传感器 ATH20，检测环境温湿度值，通过主控内算法，对电容极板因环境湿度引起的较大偏差进行纠正，并且当湿度达到一定阈值时通过屏幕显示相应信息，以此通知用户将药箱进行晾干。智享电子药箱硬件设计如下图所示：图 1 智享电子药箱硬件设计 3 智享电子药箱软件设计与测试 3.1 软件设计 智享电子药箱选用 Keil 软件开发系统，软件设计分为：药箱的短信程序设计，STM32 和 LCD 的初始化、LCD 显示程序设置、药箱界面的设置、蜂鸣器的程序设计、光敏电阻程序设计。（1）药箱的短信程序设计 报警时间到，利用库函数进行设置，使药箱向用户手机发送短信提醒。药箱在插入电源后，先初始化，单片机通过读取储存芯片的缓存数据判定时间，如果时间到达，STM 向 SIM 发送高电位，SIM 通过存储芯片中预留的电话号码向用户发送用药提醒的短信，如果时间尚未到达，STM 则保持静电位等待信号发送。（2）STM32 和 LCD 的初始化 采用 STM32 官方提供的寄存器操作函数，对外设的初始化进行调用。STM32 和 LCD 首先进行内部内存池初始化，执行函数相关变量申请内存以挂载 FLASH，如果不能正常进行内部内存池初始化，则 FLASH 磁盘 FAT文件系统错误，将重新格式化 FLASH，格式化后运行相关变量函数，使液晶屏初始化运行，对液晶屏进行清屏。（3）LCD 显示程序设置 当智享电子药箱的初始化完成后，再通过接收串口上位机的设置，通过液晶显示屏显示系统预留时间、药物相关信息、切换界面等各运行模块。当闹铃响起时，屏幕内对应的一行将会闪烁，提醒用户此时所需要服用的药物和相关信息，闹钟关闭后，闪烁的一列停止闪烁，整个屏幕恢复正常显示。（4）药箱界面的设置 智享电子药箱界面的设置通过串口上位机对药箱的界面进行设计，当药箱成功与串口上位机连接后，在服务器中设置相关界面，本设计中的药箱一共设计了九个界面，可以分别显示不同的药物种类和用药时中国科技期刊数据库 工业 A-11-间，当一种药物需要在不同时间多次服用时，可以设置同名药物，只需改变对应的服药时间。（5）蜂鸣器程序设计 当服药时间到达时，蜂鸣器开始发出警报，当药箱检测到用户已进行拿药操作后，蜂鸣器则停止警报，如果时间未达到，则等待服药时间到达。（6）光敏电阻程序设计 光幕电阻的设计主要是为了判断用户是否完成取药，当用户完成取药关闭药箱后，警报停止。如果光照强度大于等于 1500，则持续警报，如果光照强度小于 1500，则关闭警报。3.2 测试 智享电子药箱端主要从 5 个方面进行功能测试，即智享电子药箱显示界面是否准确，所设置的多个闹钟，是否能够在规定时间准确响起，当用药时间到达时，是否能够闪烁对应行列提醒用药，是否能够在报警时间向用药人手机端发送短信提醒，取药完成后能否及时关闭闹钟。（1）界面显示测试 智享电子药箱系统可支持 9 种药品参数设置，总共分三个界面。第一个界面是药品名界面，此界面可根据需求进行更改。第二个为切换界面，用来对所有药品进行参数设置，如跟随药品信息后方设置数字 3，含义为，到达服药时间时此药品服用一粒。最后一个界面显示时间，即服药的参考时间。如下图 2 所示，“阿莫西林”代表药品的名称，“3 粒”为用药量，“10:50”为用药时间，用药时间、用药数量、药物品名信息均可进行设置。图 2 测试界面（2）蜂鸣器报警测试 智享电子药箱的系统时间可以人为更改，整个系统可以统一设置提醒时间，如在测试过程中将时间修改为 9 点，则实际时间 9 点时蜂鸣器发出警报，闹钟进行提醒。此时，对应的药仓后方显示的数字为 1，则此药仓到达相应时刻则会进行警报提醒。如果药仓后方的数字为 0，则此药品本次就不在用药范围内。服药提醒具体的需要通过上位机进行设置或通过按键设置，全部药品种类都可以进行相关操作。表 1 是药箱的报警测试结果。（3）屏幕闪烁测试 同时药箱的闹铃响起，显示屏幕中对应的所需服用药物名称闪烁，提醒用户服用的药物名称和用药剂量。如表 2 所示，闹钟设置为 8:00 时，则 8:00 会进行屏幕闪烁提醒，药箱关闭则屏幕闪烁停止，测试结果发现屏幕均能在规定时间闪烁，在药箱关闭时停止，无错误情况发生。（4）短信发送测试 在测试过程中，若长时间用药人不发出取药动作，则提醒将通过短信形式使用药人了解用药信息。所发送用药信息为“一号药品 1”等字样，则一号药品对应一样药物，数字 1 表示参考用药量。经测试，当长时间未发生用药时，用药人手机均会收到短信提示。（5）光敏电阻的测试 利用光敏传感器模块用于检测药箱是否被打开,它的主要元件是一个光敏电阻模块，功能类似一个检测开关。它的工作原理是当模块在无光条件或者光强达不到设定值时，输出为高电平，则判定药箱未被打开，用户未吃药;当外界环境光照强度超过设定值时，输出为低电平，则判定药箱已经打开，用户完成了吃药动作。光敏电阻可以依据光源抗压强度更改其电阻值。光敏电阻和 10K 电阻串连，2 个电阻用 220UF 电容器简易过滤。依据串联分压基本原理，连接点 PA4 的工作电压会因为光敏电阻的电阻而产生变化，根据收集这一连接点的工作电压就可以体现出光照强度。当用药人取药后将药箱关闭，此时通过光敏电阻感知光源变暗，闹铃随之关闭。表 1 智享电子药箱报警测试 闹钟设置 实际时间 闹钟是否提醒 信息是否显示 药箱关闭 9:00:00 9:00:00 是 显示 闹铃停止 9:10:10 9:10:10 是 显示 闹铃停止 9:15:00 9:15:00 是 显示 闹铃停止 9:22:00 9:22:00 是 显示 闹铃停止 中国科技期刊数据库 工业 A-12-表 2 屏幕闪烁测试结果 闹钟设置 实际时间 屏幕是否闪烁 闪烁列是否正确 药箱 关闭 8:00:00 8:00:00 是 正确 闪烁 停止 8:10:10 8:10:10 是 正确 闪烁 停止 8:15:00 8:15:00 是 正确 闪烁 停止 8:22:00 8:22:00 是 正确 闪烁 停止（6）XCOM 串口测试 本设计采用 XCOM 为药箱进行串口调试，XCOM 相对于其他的调试软件界面，界面和操作上更加简洁，可以自动识别串口，如果上位机未检测到 USB,弹窗会显示“没有搜索到串口”，此时再配置参数就会无效，当在药箱和上位机连接正常的状态下，即可进行参数配置，如图 2 所示。图 3 XCOM 串口调试 经测试发现，此智享电子药箱所有功能均可正常使用。4 总结 以 STM32 为核心设计电子智享药箱系统的硬件与软件设计。经测试，药箱能够准确的显示药物信息、闹铃提醒、感应药箱开合状态，并能正常与上位机端进行数据传输，改动和接收药物的参数。具有判断服药是否超时、多方式多频次提醒服药、存储及修改用药信息等功能。通过蜂鸣器警报，并且通过光敏电阻判断用户是否服药从而继续或者停止警报。该药箱用药提醒方式多样，操作方便简单，提升了用户按时服药的概率，同时能通过药箱端按键对用药时间进行调整，保证了不同时间用药的准确性。参考文献 1邱萌萌,刘瑞,张凯旋,等.基于 STM32 多功能智能药箱的设计与实现J.湖北师范大学学报(自然科学版),2023,43(02):87-94.2李蕊,周双,张晓琳,等.老年住院患者临床用药分析J.中国临床药理学杂志,2022,38(11):1262-1266.3 孙 克 瑾,白 耀 文,全 文 豪,等.基 于 单 片 机 控 制 的 智 能 提 醒 药 箱 设 计 研 究 J.科 技 创 新 与 应用,2022,12(27):29-35.