基于STM32單片機(jī)的智能藥盒設(shè)計(jì)摘要本設(shè)計(jì)主要采用STM32單片機(jī)作為主控芯片，能夠利用手機(jī)APP錄入和刪除藥品信息，觸摸屏顯示和觸控，最后用蜂鳴器報(bào)警對(duì)手機(jī)APP發(fā)出信息并發(fā)送手機(jī)短信提醒吃藥，并通過溫濕度模塊測(cè)得環(huán)境實(shí)時(shí)溫濕度。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，本系統(tǒng)以STM32F103VCT單片機(jī)為核心，TFT控制觸摸屏，光敏電阻模塊，DS1302時(shí)鐘電路，ESP8266wifi模塊，蜂鳴器報(bào)警，dht11溫濕度模塊與GSM模塊協(xié)同合作。在系統(tǒng)開啟前，開啟熱點(diǎn)，使用ESP8266WiFi模塊與上位機(jī)連接。開啟后，用戶通過APP錄入藥品種類，服用時(shí)間及用量，當(dāng)需要?jiǎng)h除藥品信息時(shí)，可以直接輸入藥品編號(hào)即可刪除。TFT顯示觸摸屏上將顯示出APP錄入的藥品信息和實(shí)時(shí)時(shí)間，實(shí)時(shí)時(shí)間可以直接點(diǎn)擊觸控屏調(diào)整。當(dāng)?shù)椒帟r(shí)間時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)向用戶手機(jī)APP發(fā)送服藥提醒，為了防止用戶未處在WiFi覆蓋范圍內(nèi)而收不到提醒，向手機(jī)APP發(fā)送提醒的同時(shí)用戶發(fā)送手機(jī)短信提醒。用戶打開藥倉后，光敏電阻感光，代表用戶打開藥倉服藥，蜂鳴器停止報(bào)警。考慮到老年人需要吃多種藥，我們可以將各種藥品放在同一個(gè)藥倉中，此時(shí)就需要將藥品包裝提前打開，所以我們需要使用dht11溫濕度傳感器測(cè)得當(dāng)前環(huán)境溫度及濕度，用于用戶判斷當(dāng)前環(huán)境是否適于藥品的儲(chǔ)藏并將溫濕度顯示在TFT顯示觸摸屏上。本設(shè)計(jì)基本可以通過各種方式提醒，解決空巢老人忘記按時(shí)吃藥的問題，具有比較強(qiáng)的實(shí)用性。關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；WiFi模塊；GSM模塊；控制觸摸屏硬件部分設(shè)計(jì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。硬件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和對(duì)各模塊的詳細(xì)介紹，軟件設(shè)計(jì)包括軟件開發(fā)環(huán)境的介紹，對(duì)GSM模塊、ESP8266等模塊的程序編寫工作，以及將編寫好的程序燒至到硬件等工作。2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中主要應(yīng)用STM32單片機(jī)作為核心控制器，主要部分包括GSM模塊，ESP8266WiFi模塊，光敏電阻模塊，DHT11溫濕度模塊等。GSM模塊是為了當(dāng)?shù)椒帟r(shí)間時(shí)用戶不在WiFi覆蓋范圍內(nèi)，為了防止用戶聽不到報(bào)警聲或者收不到手機(jī)app提醒而添加，用來給用戶發(fā)送短信提醒。光敏電阻的作用是判斷用戶是否打開藥倉，當(dāng)光敏電阻感光代表用戶已經(jīng)打開藥倉，蜂鳴器此時(shí)停止報(bào)警。同時(shí)在系統(tǒng)中加入溫濕度模塊，當(dāng)在溫度，濕度過高時(shí)，可以提醒人們改變儲(chǔ)存藥物的環(huán)境，以防止藥物變質(zhì)或者失去藥效。圖2-1為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)部框圖。圖2-1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖2.2模塊介紹2.2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)，一般包括單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為核心模塊。STM32單片機(jī)是一種具有高性能，低功耗，最大集成度，簡單結(jié)構(gòu)的一種單片機(jī)。STM32單片機(jī)程序集模塊化，運(yùn)行速度快，外圍接口功能強(qiáng)大，可以完成更多復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。電路圖如圖2-2所示。單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)物如圖2-3所示。圖2-2STM32F103C8T6單片機(jī)引腳圖圖2-3單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)物圖2.2.2ESP8266WiFi模塊ESP6266WiFi模塊是一種嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)控制模塊，在物聯(lián)網(wǎng)各種應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。用戶可以通過使用ESP6266WiFi模塊通過連接WiFi為設(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能。圖2-4為ESP6266WiFi模塊電路仿真圖。圖2-5為ESP6266WiFi模塊實(shí)物圖。表2-1為AT指令表。圖2-4ESP8266WiFi模塊電路仿真圖圖2-5ESP8266WiFi模塊實(shí)物圖表2-1AT指令表表2-1AT指令表設(shè)置WiFi模式AT+CWMODE_DEF=1//默認(rèn)station模式連接路由器AT+CWJAP_DEF=”ZNJJ”,“0123456789”默認(rèn)上電連接WIFI2.2.3GSM模塊GSM模塊是一種能夠進(jìn)行基帶處理，GSM射頻處理的功能模塊，本設(shè)計(jì)采用的GSM模塊型號(hào)為SIM800c。GSM模塊有著可自己設(shè)定通信速度、數(shù)據(jù)傳輸可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)和打固定電話，給固定號(hào)碼發(fā)送短信，接聽來電，掛斷來電和接收短信并顯示五個(gè)功能。本設(shè)計(jì)主要使用給固定號(hào)碼發(fā)送短信的功能。本設(shè)計(jì)通過串口2連接GSM模塊和單片機(jī)進(jìn)行通信，并且通過AT命令來控制GSM模塊實(shí)現(xiàn)無線通信功能。本設(shè)計(jì)中當(dāng)SIM卡接入并注冊(cè)成功時(shí)，綠色LED會(huì)以3秒亮一次的狀態(tài)硬件通知。圖2-6為GSM模塊的電路仿真圖。圖2-7為GSM模塊實(shí)物圖。圖2-6GSM模塊電路圖圖2-7GSM模塊實(shí)物圖2.2.4光敏電阻模塊光敏傳感器是利用光敏電阻元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。光敏電阻器是通過硒化鎘或硫化鎘等半導(dǎo)體材料制成的特殊電阻器。其工作原理與內(nèi)部光電效應(yīng)有關(guān)。光照下電阻阻值很小，無光照下電阻阻值很大。光敏電阻在沒有光的情況下是暗電阻，在有光的情況下是亮電阻。暗電阻越高越好，亮電阻越低越好。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，暗電阻阻值最大可達(dá)1.5MΩ，亮電阻阻值最小可至1KΩ以下。圖2-8為光敏模塊與單片機(jī)的仿真連接圖。圖2-9為光敏電阻模塊實(shí)物圖。圖2-8光敏電阻模塊與單片機(jī)的仿真連接圖圖2-9光敏電阻模塊實(shí)物圖2.2.5DS1302時(shí)鐘電路DS1302是一種性能高、功耗低的，并帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路芯片，通過SPI三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)和RAM數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年顯示，同時(shí)具有閏年補(bǔ)償?shù)墓δ?。DS1302的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路圖如圖2-10和圖2-11所示。圖2-10DS1302時(shí)鐘內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖2-11DS1302時(shí)鐘電路圖2.2.6蜂鳴器模塊蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，通過直流電壓供電，作為發(fā)聲器件，廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中。信號(hào)蜂鳴器的發(fā)聲原理由振動(dòng)裝置和諧振裝置組成，直流電源輸入經(jīng)過振蕩系統(tǒng)的放大取樣電路在諧振裝置作用下產(chǎn)生聲音信號(hào)。一旦到達(dá)吃藥時(shí)間，蜂鳴器就會(huì)持續(xù)鳴叫，當(dāng)光敏電阻感光，蜂鳴器就會(huì)停止警報(bào)。圖2-12，2-13分別為蜂鳴器的工作發(fā)聲原理圖、電路圖。圖2-14為蜂鳴器實(shí)物圖。圖2-12蜂鳴器工作發(fā)聲原理圖圖2-13蜂鳴器模塊電路圖圖2-14蜂鳴器實(shí)物圖2.2.7DHT11溫濕度模塊DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一種溫濕度復(fù)合傳感器。為了確保產(chǎn)品具有較高的可靠性和長期的穩(wěn)定性，我們采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)。傳感器的優(yōu)點(diǎn)有超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等。圖2-15為DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊電路圖，表2-2為DHT11數(shù)字溫濕度傳感器的引腳說明。圖2-16為溫濕度模塊的實(shí)物圖。圖2-15DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊電路圖表2-2溫濕度傳感器引腳說明表表2-2溫濕度傳感器引腳說明表圖2-16DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊2.2.8TFT顯示觸摸屏模塊TFT溫濕度模塊是由薄膜晶體管組成的屏幕，屬于有源矩陣液晶屏。TFT的優(yōu)點(diǎn)是反映時(shí)間較短，需要注意的一點(diǎn)是，TFT的屏幕電源應(yīng)在2.8V到3.3V之間。下面圖2-17為觸摸屏的SPI串口說明，圖2-18為觸摸屏模塊仿真電路圖。圖2-19為觸摸屏實(shí)物圖。圖2-17觸摸屏SPI串口說明圖2-18TFT顯示觸摸屏模塊仿真電路圖圖2-19TFT顯示觸摸屏實(shí)物圖2.3PCB制版2.3.1原理圖設(shè)計(jì)并確認(rèn)完方案后，我們使用AD畫出本系統(tǒng)的原理圖，在進(jìn)一步生成PCB圖，布線和敷銅，智能電子藥盒系統(tǒng)電路圖如圖2-20所示。圖2-20智能電子藥盒系統(tǒng)電路圖2.3.2生成PCB圖生成PCB圖如圖2-21所示。圖2-21生成PCB圖2.3.3布線圖布線圖如圖2-22所示。圖2-22布線圖2.3.4敷銅敷銅如圖2-23,2-24所示。圖2-23頂層敷銅圖圖2-24底層敷銅圖3軟件部分設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中軟件設(shè)計(jì)包括軟件開發(fā)環(huán)境的介紹，對(duì)GSM模塊、光敏電阻等模塊的程序編寫工作，以及將編寫好的程序燒至到硬件等工作。3.1軟件開發(fā)環(huán)境介紹3.1.1KeilμVision5KeilμVision5是一款兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。Keil可以提供包括C編譯器、鏈接器、宏匯編、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，并通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境將這些分散的部分組合在一起。它的集成環(huán)境方便易用、軟件仿真調(diào)試工具能力強(qiáng)大，這些優(yōu)點(diǎn)可以幫助我們我們節(jié)省不少時(shí)間。3.1.2EclipseEclipse是一個(gè)開放源代碼的、基于Java的可擴(kuò)展開發(fā)平臺(tái)。我們通過它進(jìn)行對(duì)用于控制單片機(jī)的安卓手機(jī)APP的編寫。3.2系統(tǒng)各部分軟件設(shè)計(jì)3.2.1系統(tǒng)程序主要部分我們通過結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的方法完成本系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)，通過將數(shù)據(jù)和圖形相互結(jié)合表現(xiàn)出來。首先，系統(tǒng)完成初始化，此時(shí)通過用手機(jī)APP向系統(tǒng)錄入藥品信息，隨后系統(tǒng)判斷是否到達(dá)吃藥時(shí)間，并根據(jù)判定發(fā)出警報(bào)。發(fā)出警報(bào)后，系統(tǒng)再次通過光敏電阻是否感光來判斷是否停止報(bào)警。程序總體流程圖如圖3-1所示。圖3-1程序總體流程圖3.2.2發(fā)短信模塊在發(fā)短信模塊中，系統(tǒng)判斷是否到達(dá)吃藥時(shí)間，當(dāng)?shù)竭_(dá)吃藥時(shí)間時(shí)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，同時(shí)向手機(jī)發(fā)送短信，提醒用戶按時(shí)服藥。具體流程如圖3-2所示。模塊主要函數(shù)截圖如圖3-3所示。圖3-2發(fā)短信模塊流程圖圖3-3發(fā)短信模塊主要函數(shù)截圖3.2.3光敏電阻模塊在光照模塊中，光敏模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)環(huán)境亮度。系統(tǒng)啟動(dòng)后，光敏模塊開始監(jiān)測(cè)環(huán)境亮度。當(dāng)環(huán)境亮度達(dá)到超過設(shè)定閾值時(shí)，D0端輸出低電平；當(dāng)環(huán)境亮度沒有達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，D0端輸出高電平?？梢酝ㄟ^D0輸出端直接驅(qū)動(dòng)繼電器模塊，從而組成一個(gè)光控開關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)判斷用戶打開藥倉后，通過繼電器中斷蜂鳴器警報(bào)。光敏電阻模塊流程圖如圖3-4所示。圖3-4光照模塊流程圖3.2.4手機(jī)APP模塊通過使用Eclipse完成對(duì)系統(tǒng)中手機(jī)APP模塊的編寫。主要定義函數(shù)及注釋如圖3-5所示，WiFi連接斷開模塊核心子函數(shù)截圖如圖3-6所示。最后編譯運(yùn)行程序后，APP界面繪制圖如圖3-7所示。圖3-5主要定義函數(shù)截圖圖3-6WiFi連接斷開模塊核心子函數(shù)截圖圖3-7使用Eclipse繪制APP界面圖3.3程序燒錄本設(shè)計(jì)采用jLink將程序燒錄進(jìn)目標(biāo)板。jLink包括三部分，主機(jī)，排線和USB接線，我們通過排線將jlink與目標(biāo)板進(jìn)行連接，由于jlink不提供給目標(biāo)板供電的功能，所以我們要提前向目標(biāo)板供電。（1）燒錄前將編寫好的源程序保存在工程中運(yùn)行，運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)無編譯及運(yùn)行錯(cuò)誤（圖3-8）。圖3-8Keil程序編譯運(yùn)行結(jié)果圖點(diǎn)擊optionsfortarge中的Debug,選擇J-Link/J-TRACECortex（圖3-9）。圖3-9程序燒錄過程圖顯示串口連接成功后，jlink型號(hào)選擇SW（圖3-10）。圖3-10程序燒錄過程圖打開FlashDownload,注意單片機(jī)型號(hào)的選擇，本設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)型號(hào)是STM32F103VCT，所以此時(shí)型號(hào)選擇STM32F10x（圖3-11）。圖3-11程序燒錄過程圖最后進(jìn)入U(xiǎn)tilities中選中圖中三個(gè)選項(xiàng)后，點(diǎn)擊下載將程序燒入單片機(jī)中（圖3-12）（圖3-13）。圖3-12程序燒錄過程圖圖3-13程序燒錄過程圖4系統(tǒng)實(shí)物演示及分析4.1系統(tǒng)實(shí)物焊接圖圖4-1智能電子藥盒實(shí)物圖根據(jù)電路圖按照準(zhǔn)備焊接、加熱焊件、熔化焊料、移開焊錫、移開烙鐵的標(biāo)準(zhǔn)步驟焊接硬件，焊接好的實(shí)物圖如圖4-1所示。①：TFT顯示觸摸屏②：STM32F103VCT單片機(jī)③：ESP8266WiFi模塊④：蜂鳴器，用于警報(bào)⑤：GSM模塊，用于發(fā)送短信⑥：溫濕度模塊，測(cè)得環(huán)境溫濕度⑦：光敏模塊，用于檢測(cè)用戶是否打開藥盒⑧：DS1302時(shí)鐘電路4.2系統(tǒng)運(yùn)行步驟1.系統(tǒng)初始化。準(zhǔn)備一張SIM卡，插入卡槽。打開熱點(diǎn)，打開電源，連接熱點(diǎn)。當(dāng)SIM卡接入并注冊(cè)成功時(shí)，綠色LED會(huì)以3秒亮一次的狀態(tài)硬件通知。打開手機(jī)APP，連接設(shè)備。準(zhǔn)備工作就緒。如圖4-2所示。圖4-2系統(tǒng)初始化圖2.調(diào)試光敏電阻感光功能。當(dāng)光敏電阻不感光，狀態(tài)如圖4-3（a）所示當(dāng)光敏電阻感光時(shí)光敏電阻模塊狀態(tài)如圖4-3（b）所示，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警。（a）未感光時(shí)狀態(tài)圖（b）感光時(shí)狀態(tài)圖圖4-3光敏電阻感光狀態(tài)圖3.調(diào)試藥品錄入功能功能。在手機(jī)APP輸入藥品信息，并錄入系統(tǒng)中。此時(shí)觸摸顯示屏上顯示出藥品信息。如圖4-4所示。（a）APP錄入藥品信息圖（b）單片機(jī)上錄入藥品信息圖圖4-4藥品信息錄入圖4.調(diào)試藥品刪除功能。在手機(jī)上輸入需要?jiǎng)h除的藥品序號(hào)，點(diǎn)擊刪除，藥品信息在觸摸屏上移除。如圖4-5,4-6所示。圖4-5APP上刪除藥品信息圖圖4-6單片機(jī)刪除藥品信息圖5.調(diào)試信息發(fā)送功能。當(dāng)?shù)竭_(dá)吃藥時(shí)間，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)送短信到用戶手機(jī)上。如圖所示4-7。圖4-7系統(tǒng)向用戶手機(jī)發(fā)送短信圖4.3系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果分析經(jīng)過多次調(diào)試，代碼運(yùn)行無錯(cuò)誤，系統(tǒng)可正常運(yùn)行。同時(shí)報(bào)警、錄入刪除藥品、發(fā)送手機(jī)短信和APP提醒吃藥等預(yù)期功能全部正常實(shí)現(xiàn)。5結(jié)論智能電子藥盒的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可以在很大程度上緩解老年人群因記憶力衰退而忘記吃藥的問題，降低慢性病因忘記吃藥而帶來嚴(yán)重后果的風(fēng)險(xiǎn)。通過在互聯(lián)網(wǎng)和學(xué)術(shù)論壇的學(xué)習(xí)和借鑒類似的經(jīng)驗(yàn)和方法，加上大學(xué)四年學(xué)學(xué)習(xí)的知識(shí)和指導(dǎo)老師的指導(dǎo)，通過不斷地摸索和研究，基本上實(shí)現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。通過一步步嘗試，最終完成了智能電子藥盒的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，逐漸熟悉并掌握了GSM模塊、ESP6266WiFi模塊、DS1302時(shí)鐘芯片等原理和使用方法。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在藥盒表面顯示藥品信息功能；能夠測(cè)得實(shí)時(shí)溫濕度，用來判斷此環(huán)境是否符合拆開包裝的藥品儲(chǔ)存條件；到達(dá)吃藥時(shí)間時(shí)，蜂鳴器警報(bào)，同時(shí)系統(tǒng)向APP發(fā)送提醒并向用戶發(fā)送手機(jī)短信；光敏電阻能夠判斷用戶是否打開藥倉，當(dāng)用戶打開藥倉時(shí)，光敏電阻感光，蜂鳴器停止警報(bào)。雖然依據(jù)科學(xué)理論設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)試并運(yùn)行成功，但是仍然存在不足之處，希望能夠在進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和實(shí)踐中，逐步使功能更加完善，（1）當(dāng)?shù)竭_(dá)吃藥時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)只能發(fā)送提醒吃藥的信息，如果能進(jìn)一步精確，能夠提醒用戶吃什么藥，有什么禁忌會(huì)更方便。（2）蜂鳴器只發(fā)出警報(bào)，功能太單一。下一步考慮將蜂鳴器更換成語音模塊，能夠播報(bào)出需要吃的藥品名稱和藥品數(shù)量。（3）缺失應(yīng)急呼救功能。當(dāng)緊急情況下，按下按鍵，能夠即刻求助聯(lián)系人，讓病患得到及時(shí)救治，為生命爭取寶貴時(shí)間。（4）添加醫(yī)療記事本功能。當(dāng)用戶身體健康狀況出現(xiàn)問題，可以通過藥箱得到用藥指導(dǎo)。（5）添加數(shù)據(jù)分享功能。智能藥箱承載著監(jiān)護(hù)人的功能，點(diǎn)擊藥箱上的平安鈴即可向親人發(fā)送信息，讓不在身邊的家人也能知曉到用戶的實(shí)時(shí)身體狀況。參考文獻(xiàn)[1]STM32庫開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南.劉火良,楊森.機(jī)械工業(yè)出版社.2013[2]基于單片機(jī)的模塊化智能藥盒的開發(fā)[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇.唐立民,李廣宇.產(chǎn)業(yè)與科技論壇2011[3]智能藥盒交互概念設(shè)計(jì)報(bào)告[J].王妮莎.產(chǎn)業(yè)與科技論壇.2013[4]智能電子藥盒研究與設(shè)計(jì)[J].楊繼森,楊長才,趙立鑫.測(cè)控技術(shù).2016[5]第一行代碼——Android[M].郭霖.人民郵電出版社.2016[6]基于ARMCortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器應(yīng)用實(shí)踐[M].彭剛.電子工業(yè)出版社.2010[7]基于MDK的STM32處理器應(yīng)用開發(fā)[M].李寧.北京航空航天大學(xué)出版社.2008[8]張洪潤．傳感器技術(shù)大全（上冊(cè)）[M]．北京航空航天大學(xué)出版社，2008[9]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)［M］.3