论文部分内容阅读
摘 要： 为了解决家庭储存药品的繁琐药品管理问题，设计了以STM32F103VE为硬件平台的家庭智能药箱。采用嵌入式技术集成了条码扫描识别模块，WiFi模块，语音播报模块，显示模块，环境监测模块等，实现了药品智能入库、按时服药提醒、药品过期提醒、药箱内温湿度监测等功能。
关键詞： 嵌入式技术; 条码扫描识别; WiFi; 语音播报
中图分类号：TP311.13 文献标识码：A 文章编号：1006-8228（2021）09-63-03
Abstract： In order to solve the cumbersome drug management problem of storage drugs in home， a family intelligent medicine box based on STM32F103VE is designed. Embedded technology is adopted to integrate bar code scanning and recognition module， WiFi module， voice broadcasting module， display module and environment monitoring module etc.， and realize the functions of drug intelligent warehousing， reminder of taking medicine on time， reminder of drug expiration， and temperature and humidity monitoring in the medicine box.
Key words： embedded technology; barcode scanning; WiFi; voice broadcast
0 引言
当今世界新一轮科技革命和产业变革方兴未艾，数字技术飞速发展，智能化的概念已经渗透到了各行各业以及我们生活中的方方面面，而嵌入式技术的发展与物联网世界的到来，给智能家居产品带来了发展契机[1]，与此同时，随着生活水平的不断提高，普通的传统药箱实现的功能已经不能满足人们的需求，人们期待产品更智能化和人性化。
国内老龄化态势日趋严峻，2019年超过60岁的老人已有2.5亿，占全国人口的18.1%，其中约有1.8亿老人身患各种慢性疾病。人口老龄化问题已成为我国前所未有的重大挑战[2]。人随着年龄的增长，患上慢性疾病的概率也随之增大，慢性疾病需要长期服药，由于老年人记忆力差，又缺少子女、家人陪伴和指导，所以忘记服药或错误用药的现象十分普遍。如果病人不正确按照医嘱用药，会导致病情恶化，乃至威胁到病人的生命安危。针对以上的情况，设计一款提醒老人正确服药，帮助家庭管理药品，允许家人远程获悉老人用药情况的集智能化和人性化的家庭药箱刻不容缓。
1 家庭智能药箱整体架构
对于本家庭智能药箱所实现的功能和应用场景，在搭建具体硬件平台时，需要考虑硬件系统占用的空间应该尽量小、且性能要保证稳定。药箱的主控系统采用的是STM32F103VET6芯片，外部的主要功能模块包括了ESP8266WiFi模块，MD300条码扫描识别模块，SYN6288语音合成模块，LCD显示模块，DHT11温湿度模块等，主要的任务是完成药品的自动入库，提醒用户按时吃药，以及通过WIFI模块实现与安卓端交互。家庭智能药箱整体架构如图1所示。
2 家庭智能药箱硬件各模块详细设计
2.1 主控模块设计
主控单元采用的是STM32F103VET6芯片，STM32F103VET6是32位Cortex-M3内核的新型处理器。它具有更多片内RAM和外设，其出色的性能和丰富的资源几乎不需要扩展外围电路就能满足一般的设计要求，硬件设计大为简化，且执行速度和内存容量完全满足主控模块的多任务实时应用[3]。有100个引脚，多达80个GPIO以及丰富的外围设备接口，采用LQFP封装，支持多种通讯方式，拥有两个SPI（Serial Peripheral Interface），两个IIC（Inter-Integrated Circuit），五个USART（Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter），一个USB（Universal Serial Bus），一个CAN（Controller Area Network）通信，一个SDIO（Secure Digital Input and Output），同时GPIO口多达80个，CPU工作主频可达72MHz，满足我们对药箱的开发需求。
2.2 智能入库模块设计
智能入库单元采用了MD300条码扫描识别模块以及门锁模块，当用户有新的药品需要储存到药箱中，只需要将药品盒上的条形码对准我们的MD300完成扫描后，药品的信息将会通过串口传给MCU，MCU再通过串口发送给ESP8266WIFI模块，信息将通过WiFi通讯将药品条码信息传输给服务器，服务器通过数据匹配查询，再向安卓端发送药品信息，随后用户在安卓端即可查看药品说明等相关信息，同时MCU控制门锁模块允许用户将药品存入箱内，具体工作流程如图2所示。
2.2.1 条码扫描识别模块
随着科技的进步及物联网技术的发展，条形码及二维条码具有快速、准确、成本低、信息容量大、保密防伪性强等优点被广泛应用。在票务、零售、仓储、物流等应用领域，支持多个二维码扫描终端的多点无线传输系统具有非常广阔的应用前景[4]。MD300条码扫描识别模块带有USB+串口双接口（带TTL和232串口）可以同时识别二维码和EAN-13等多种不同条码类型，完成信息读取后通过蜂鸣器嘀一声表示完成，可连续多个扫描读取信息，综上该模块满足我们药箱的功能需求，在本设计中我们只需要采集条码信息，采用TTL串口与MCU通讯。 2.2.2 门锁模块
为保障药品得到妥善保管，以及避免家中孩子误食药品，在本次设计中我们采用了机械卡口加上电磁锁的结构，只有当药品上传入库或用户使用安卓端控制锁开启时，锁才会解开，正常情况下锁为闭合状态。
2.3 智能提醒模块
针对老年人年岁渐长，视力下降，阅读药盒上的文字或者药品说明书很是吃力，以及为了提供用户更好的使用体验，家庭智能药箱设计了智能提醒模块，该模块采用了SYN6288语音模块和蜂鸣器模块，SYN6288芯片支持任意中文文本的合成，可以采用GB2312，GBK等编码方式，支持串口通讯，当到了用户设定的用药时间，服务器就会通过WiFi向MCU发送请求，蜂鸣器打开，语音模块温馨提醒用户，用户可在药箱端手动关闭提示。具体流程如图3所示。
语音合成采用SYN6288是北京宇音天下科技有限公司于2010年初推出的采用PSOLA拼接合成技术的一款语音合成芯片[5]。该芯片具有性价比高，硬件接口简单、低功耗、音色清亮圆润的特点，支持16级的数字音量控制和6级词语语速控制，支持4种主要编码体系：GB2312，GBK， BIG5，Unicode;此外SYN6288通过异步串口（UART）通讯方式，接收待合成的文本数据，实现文本到语音（或TTS语音）的转换。为了让用户输出声音，SYN6288内置了推挽式（Push-Pull）的DAC，可直接驱动喇叭，进行声音播报。
2.4 WiFi通讯模块
在本次设计中我们采用的是ESP8266模块，ESP8266是一个完整且自成体系的WiFi网络解决方案，能够独立运行，也可以作为从机搭载于其他主机MCU运行。ESP8266在搭载应用并作为设备中唯一的应用处理器时，能够直接从外接闪存中启动[6]。在本次设计中MCU通过串口通讯发送AT指令给ESP-01S模块，在ESP-01S模块连接上设定网络后，进入STA模式，向服务器发送建立連接请求，建立后即可向服务器传输药品数据，接收客户安卓端的指令。
2.5 LCD显示模块
在本次设计中我们采用的是分辨率为320*240的3.2寸液晶屏，其内部包含了一个信号为ILI9341的液晶控制芯片该液晶控制器使用8080接口与单片机通讯，且控制器中包含有显存，MCU会把从DHT11检测到的温度湿度数据和RTC中的时间通过8080接口发送到液晶控制器，这些数据会被存储到它内部的显存中，然后液晶控制器不断把显存的内容刷新到液晶面板。
2.6 DHT11温湿度模块
在本次设计中我们采用DHT11数字温湿度传感器，DHT11是一款已校准数字信号输出的温湿度复合传感器[7]。它应用专用的数字模块采集技术和先进的温湿度传感技术，具有极高的可靠性和卓越的长期稳定型[8]。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能八位单片机相连接，因为DHT11是通过单总线来通讯的，所以我们只需要使用一个IO口读取即可，这使我们系统集成变得简易快捷。
3 结论
本药箱的设计主要采用了嵌入式技术和WI-FI技术，通过模块化的设计方案，硬件平台与后台服务器以及用户端的交互，实现了药品自动入库、按时提醒服药、药品过期提醒、药箱内温湿度的监测的四大主要功能。
参考文献（References）：
[1] 朱敏玲，李宁.智能家居发展现状及未来浅析[J]. 电视技术，2015.39（4）：82-85，96
[2] 兰新越，杨静，董新军，王浩东，杨思瑶，向仁倩.老人药盒设计探究[J].西部皮革，2020.42（21）：39-40
[3] 张庆辉，马延立.STM32F103VET6和ENC28J60的嵌入式以太网接口设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2012.12（9）：23-25，32
[4] 张世综，徐世许，边长安.基于条形码扫描技术的货物存储系统的研究与设计[J].制造业自动化，2019.41（9）：51-55
[5] 朱志伟，刘湘云.基于SYN6288的TTS语音系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2012.12（9）：75-77
[6] 范兴隆.ESP8266在智能家居监控系统中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2016.16（9）：52-56
[7] 王志宏，白翠珍.基于DHT11的实验室多点温湿度报警系统设计[J].山西电子技术，2011.4：45-46
[8] 倪天龙.单总线传感器DHT11在温湿度测控中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2010.6：60-62
关键詞： 嵌入式技术; 条码扫描识别; WiFi; 语音播报
中图分类号：TP311.13 文献标识码：A 文章编号：1006-8228（2021）09-63-03
Abstract： In order to solve the cumbersome drug management problem of storage drugs in home， a family intelligent medicine box based on STM32F103VE is designed. Embedded technology is adopted to integrate bar code scanning and recognition module， WiFi module， voice broadcasting module， display module and environment monitoring module etc.， and realize the functions of drug intelligent warehousing， reminder of taking medicine on time， reminder of drug expiration， and temperature and humidity monitoring in the medicine box.
Key words： embedded technology; barcode scanning; WiFi; voice broadcast
0 引言
当今世界新一轮科技革命和产业变革方兴未艾，数字技术飞速发展，智能化的概念已经渗透到了各行各业以及我们生活中的方方面面，而嵌入式技术的发展与物联网世界的到来，给智能家居产品带来了发展契机[1]，与此同时，随着生活水平的不断提高，普通的传统药箱实现的功能已经不能满足人们的需求，人们期待产品更智能化和人性化。
国内老龄化态势日趋严峻，2019年超过60岁的老人已有2.5亿，占全国人口的18.1%，其中约有1.8亿老人身患各种慢性疾病。人口老龄化问题已成为我国前所未有的重大挑战[2]。人随着年龄的增长，患上慢性疾病的概率也随之增大，慢性疾病需要长期服药，由于老年人记忆力差，又缺少子女、家人陪伴和指导，所以忘记服药或错误用药的现象十分普遍。如果病人不正确按照医嘱用药，会导致病情恶化，乃至威胁到病人的生命安危。针对以上的情况，设计一款提醒老人正确服药，帮助家庭管理药品，允许家人远程获悉老人用药情况的集智能化和人性化的家庭药箱刻不容缓。
1 家庭智能药箱整体架构
对于本家庭智能药箱所实现的功能和应用场景，在搭建具体硬件平台时，需要考虑硬件系统占用的空间应该尽量小、且性能要保证稳定。药箱的主控系统采用的是STM32F103VET6芯片，外部的主要功能模块包括了ESP8266WiFi模块，MD300条码扫描识别模块，SYN6288语音合成模块，LCD显示模块，DHT11温湿度模块等，主要的任务是完成药品的自动入库，提醒用户按时吃药，以及通过WIFI模块实现与安卓端交互。家庭智能药箱整体架构如图1所示。
2 家庭智能药箱硬件各模块详细设计
2.1 主控模块设计
主控单元采用的是STM32F103VET6芯片，STM32F103VET6是32位Cortex-M3内核的新型处理器。它具有更多片内RAM和外设，其出色的性能和丰富的资源几乎不需要扩展外围电路就能满足一般的设计要求，硬件设计大为简化，且执行速度和内存容量完全满足主控模块的多任务实时应用[3]。有100个引脚，多达80个GPIO以及丰富的外围设备接口，采用LQFP封装，支持多种通讯方式，拥有两个SPI（Serial Peripheral Interface），两个IIC（Inter-Integrated Circuit），五个USART（Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter），一个USB（Universal Serial Bus），一个CAN（Controller Area Network）通信，一个SDIO（Secure Digital Input and Output），同时GPIO口多达80个，CPU工作主频可达72MHz，满足我们对药箱的开发需求。
2.2 智能入库模块设计
智能入库单元采用了MD300条码扫描识别模块以及门锁模块，当用户有新的药品需要储存到药箱中，只需要将药品盒上的条形码对准我们的MD300完成扫描后，药品的信息将会通过串口传给MCU，MCU再通过串口发送给ESP8266WIFI模块，信息将通过WiFi通讯将药品条码信息传输给服务器，服务器通过数据匹配查询，再向安卓端发送药品信息，随后用户在安卓端即可查看药品说明等相关信息，同时MCU控制门锁模块允许用户将药品存入箱内，具体工作流程如图2所示。
2.2.1 条码扫描识别模块
随着科技的进步及物联网技术的发展，条形码及二维条码具有快速、准确、成本低、信息容量大、保密防伪性强等优点被广泛应用。在票务、零售、仓储、物流等应用领域，支持多个二维码扫描终端的多点无线传输系统具有非常广阔的应用前景[4]。MD300条码扫描识别模块带有USB+串口双接口（带TTL和232串口）可以同时识别二维码和EAN-13等多种不同条码类型，完成信息读取后通过蜂鸣器嘀一声表示完成，可连续多个扫描读取信息，综上该模块满足我们药箱的功能需求，在本设计中我们只需要采集条码信息，采用TTL串口与MCU通讯。 2.2.2 门锁模块
为保障药品得到妥善保管，以及避免家中孩子误食药品，在本次设计中我们采用了机械卡口加上电磁锁的结构，只有当药品上传入库或用户使用安卓端控制锁开启时，锁才会解开，正常情况下锁为闭合状态。
2.3 智能提醒模块
针对老年人年岁渐长，视力下降，阅读药盒上的文字或者药品说明书很是吃力，以及为了提供用户更好的使用体验，家庭智能药箱设计了智能提醒模块，该模块采用了SYN6288语音模块和蜂鸣器模块，SYN6288芯片支持任意中文文本的合成，可以采用GB2312，GBK等编码方式，支持串口通讯，当到了用户设定的用药时间，服务器就会通过WiFi向MCU发送请求，蜂鸣器打开，语音模块温馨提醒用户，用户可在药箱端手动关闭提示。具体流程如图3所示。
语音合成采用SYN6288是北京宇音天下科技有限公司于2010年初推出的采用PSOLA拼接合成技术的一款语音合成芯片[5]。该芯片具有性价比高，硬件接口简单、低功耗、音色清亮圆润的特点，支持16级的数字音量控制和6级词语语速控制，支持4种主要编码体系：GB2312，GBK， BIG5，Unicode;此外SYN6288通过异步串口（UART）通讯方式，接收待合成的文本数据，实现文本到语音（或TTS语音）的转换。为了让用户输出声音，SYN6288内置了推挽式（Push-Pull）的DAC，可直接驱动喇叭，进行声音播报。
2.4 WiFi通讯模块
在本次设计中我们采用的是ESP8266模块，ESP8266是一个完整且自成体系的WiFi网络解决方案，能够独立运行，也可以作为从机搭载于其他主机MCU运行。ESP8266在搭载应用并作为设备中唯一的应用处理器时，能够直接从外接闪存中启动[6]。在本次设计中MCU通过串口通讯发送AT指令给ESP-01S模块，在ESP-01S模块连接上设定网络后，进入STA模式，向服务器发送建立連接请求，建立后即可向服务器传输药品数据，接收客户安卓端的指令。
2.5 LCD显示模块
在本次设计中我们采用的是分辨率为320*240的3.2寸液晶屏，其内部包含了一个信号为ILI9341的液晶控制芯片该液晶控制器使用8080接口与单片机通讯，且控制器中包含有显存，MCU会把从DHT11检测到的温度湿度数据和RTC中的时间通过8080接口发送到液晶控制器，这些数据会被存储到它内部的显存中，然后液晶控制器不断把显存的内容刷新到液晶面板。
2.6 DHT11温湿度模块
在本次设计中我们采用DHT11数字温湿度传感器，DHT11是一款已校准数字信号输出的温湿度复合传感器[7]。它应用专用的数字模块采集技术和先进的温湿度传感技术，具有极高的可靠性和卓越的长期稳定型[8]。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能八位单片机相连接，因为DHT11是通过单总线来通讯的，所以我们只需要使用一个IO口读取即可，这使我们系统集成变得简易快捷。
3 结论
本药箱的设计主要采用了嵌入式技术和WI-FI技术，通过模块化的设计方案，硬件平台与后台服务器以及用户端的交互，实现了药品自动入库、按时提醒服药、药品过期提醒、药箱内温湿度的监测的四大主要功能。
参考文献（References）：
[1] 朱敏玲，李宁.智能家居发展现状及未来浅析[J]. 电视技术，2015.39（4）：82-85，96
[2] 兰新越，杨静，董新军，王浩东，杨思瑶，向仁倩.老人药盒设计探究[J].西部皮革，2020.42（21）：39-40
[3] 张庆辉，马延立.STM32F103VET6和ENC28J60的嵌入式以太网接口设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2012.12（9）：23-25，32
[4] 张世综，徐世许，边长安.基于条形码扫描技术的货物存储系统的研究与设计[J].制造业自动化，2019.41（9）：51-55
[5] 朱志伟，刘湘云.基于SYN6288的TTS语音系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2012.12（9）：75-77
[6] 范兴隆.ESP8266在智能家居监控系统中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2016.16（9）：52-56
[7] 王志宏，白翠珍.基于DHT11的实验室多点温湿度报警系统设计[J].山西电子技术，2011.4：45-46
[8] 倪天龙.单总线传感器DHT11在温湿度测控中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2010.6：60-62