STM32单片机+机智云AIoT+智能服药箱

摘要:随着我国老龄化进程的日趋加快，越来越多的老年人步入了快乐并充实的晚年生活。但是随着年龄的增长，各种医药用品也成了老年人生活的必需品，有人每天甚至需要在不同时间服用多种不同的药物，如果子女不在身边，老年人经常会错过最佳服药时间或者忘记吃药，甚至不记得自己吃没吃过药、吃过了哪种药。针对这种情况，本项目设计了家庭智能医药箱，可以对药物服用者进行服药提醒和服用记录，并通过云端对医药箱进行监控、管理和记录。

0 引言

目前，老年人的健康问题、生活状态和精神状态是全球关注的焦点问题。针对于这个问题，早期有人提出过“老人福祉科技”这个想法，即利用先进的科学技术以及先进的人工智能算法去关心、去保证老年人的生活和健康。近年来，老人福祉科技获得了全世界越来越高的关注度，是各领域都在争相研究开发的热点。基于物联网云平台的智能药箱就是基于这个想法诞生的科技产物。

药箱的整体结构由传感器采集层、数据传输网络层和数据管理层构成。每个药盒正下方布有专用的RFID天线，它可以感应到该药盒内部所有药片的实时数据，然后通过天线把实时药片增添信息发送到中央处理器。当服药时间到了，服药闹钟响起时，控制系统就会进行提醒，并把服药信息显示在屏幕上，如果长时间不做处理，系统就会发出警报。每次服药完成，感应天线会根据RFID感应信息，来确定药片服用量是否符合服用药量，如果与设置不符，还会进行相应提示提醒。

目前，国内对这方面的研究相对较少。已有的产品，局限性较大而且功能不全面，只停留在单机运行上。市面上出现这类药盒也只是停留在设置闹钟提醒和监测药品数量上。国外的相关产品虽然功能齐全，但价格昂贵，不能起到普及推广的效果。

因此，研究一款价格合理、功能齐全、能够充分地利用物联网和云服务平台，并且操作简单，能够有效地提醒、监督老人按时服药，服药后实时记录服药情况的一种现代化药箱是非常有必要的。

1 总体功能实现

设计一款智能药箱，分成不同的收纳格，每个格子配固定编号，服药者把药物根据服用时间放在收纳格中，并在手机APP设置定时提醒服务，到设定时间药箱收纳格指示灯报警提醒服药；配传感器感知收纳格被打开和关闭的过程，视为一次服药成功，并上传云端做服药记录；做分组采集，药箱配RFID读卡器会对服药者进行分组，暂定两组。所设计的智能药箱的外部功能结构如图1所示。

图1 外部功能结构图

2 总体硬件系统结构

2.1 以STM32单片机为主控MCU实现药箱控制部分

以STM32单片机为主控MCU实现的药箱控制部分包括LED显示，提示服药种类和服用计量；收纳格声光报警，起到定时提醒作用；传感器采集模块，记录收纳格开关情况；电机控制模块，利用步进电机或者舵机控制收纳格运动，从而控制药品输出；RFID人员采集模块，识别服药人，避免误服[2]。硬件整体结构如图2所示。

图2 硬件整体结构

2.2 STM32最小系统

STM32单片机最小系统包括主芯片、上电复位电路、时钟电路、电源供电电路。同时，如果满足STM32单片机基本功能，还应包括下载模块和人机交互模块。本次选用STM32F103RCT6作为中心控制芯片。STM32F103RCT6基于ARM Cortex-M内核，具有高性能、低成本、低功耗的优点，片上资源包括48KB SRAM、256KB Flash、11个定时器、2个IIC、5个串口、1个USB、3个SPI、3个12位ADC、2个12位DAC及51个通用IO口。

2.3 esp8266模块

利用ESP8266模块把药箱采集的服药情况通过WiFi上传到机智云物联网云平台，对药物服用者的服药情况做全过程跟踪记录。ESP8266模块是现如今非常流行的WiFi模块，是物联网应中传输层的近距离主流模块，它的体积较小，非常方便布局在硬件主控板上，而不影响智能药箱的美观性；超低的功耗也是ESP8266的主要特点，本设计中，在不需要传输数据的情况下，ESP8266为深度睡眠状态，工作电流约为20μA；当有传输数据时，工作电流约为70mA，节能性优良(图3)。与蓝牙模块做比较，WiFi模块具有更远的传输距离和更高的传输速度，因此，本设计采用后者进行电路设计。

图3 ESP8266原理图

2.4 RFID人员采集模块

RFID在本设计中，起到用来区别老人身份的作用，可以一家人同时使用，药箱的固定位置布有电磁感应线圈，该线圈引出端连到主控板的RFID模块上，控制器通过感应线圈发送一定频率的射频信号，当有同频率电子标签接近感应线圈时，通过电感耦合使电子标签储存能量，当能量达到一定值，就会将将电子标签中的编码信息发送到药箱控制器中进行解码处理。

电子标签采用NXP MIFARE系列S50芯片，存储容量1K。因为是无源电子标签，所以外观结构可以设计成多种形式，可以以手环的形式佩戴在老人身上，也可以以卡片的形式随身携带。与电子标签相匹配的RFID读卡部分采用NXP MIFARE RC500基站芯片，RC500支持ISO14443A协议，发送和接收都可在无源条件下进行，通信距离在理想条件下可达到100mm。接收器部分包含解调和解码电路，稳定有效。数字部分负责处理帧和奇偶校验、CRC校验。

2.5 舵机模块

本项目通过舵机旋转角度来使药箱的选中抽屉定时弹出。舵机是一种位置(角度)伺服的驱动器，在机器人控制系统以及机电控制系统中，舵机的控制起到至关重要的作用。舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统，因而被广泛应用于智能小车、无人机以实现转向及机器人各类关节运动中。舵机的基本组成包括以下几个部分：舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路。SG90参数：扭矩为1.5kg/cm，工作电压为5V，运行速度：0.3s/60°。电缆红色为正极(DC5V)，棕灰色为地线(GND)，橙色为信号线PWM。舵机接线原理如图4所示。

图4 舵机接线图

舵机旋转范围0～180°，单片机向舵机发出PWM信号就可以控制角度，信号需要连续发送才能让多级转动直到达到角度。0.5～20ms高电平对应0～180°转角。

2.6 传感器模块

使用红外传感器模块识别药箱所选抽屉的一次开启和闭合，来作为一次服药周期记录。该传感器模块上主要元器件为LM393比较器，此外还有一对红外发射管与接收管，当模块前方无障碍物时，红外发射管发射的光线发射到远处，指示灯灭，当不透明障碍物接近红外管时，发射管发出的红外光线遇到障碍物返回之后被接收管接收，这时比较器输出端给出低电平，有障碍指示灯亮起。

将在无障碍和有障碍循环一次的周期作为服药操作流程的一次记录。模块上电位器可调节检测距离，有效感应距离在2～30cm之间，工作电压为3.3～5V。LM393管脚结构如图6所示。