基于藍牙技術的智能戒煙盒設計

鄭鈜櫸，曹搏承，王恩可，李奕彤

（1.沈陽航空航天大學 自動化學院，遼寧沈陽，110036；2.沈陽航空航天大學 航空宇航學院，遼寧沈陽，110036）

0 引言

《中國吸煙危害健康報告2020》指出，人群吸煙率仍維持在較高水平，與《“健康中國2030”規劃綱要》提出的控煙目標尚有較大差距。一般來說，香煙拆開封裝后，超過三天暴露在空氣中的煙葉吸收水分口感質量變差。工廠對香煙的存放一般都有著嚴格要求，溫度在4℃左右、濕度保持在60%儲存條件最佳。通過實況測試以及問卷調查顯示，以煙齡3 年左右有戒煙想法的大學生為例，他們表示，戒煙是一個難以控制抽煙欲望、漫長、需要循序漸進的過程，他們在戒煙過程中不僅會難以控制吸煙的行為，還會有擔心香煙因受潮口感變差煙葉質量下降造成已購香煙浪費的矛盾心理。

針對戒煙困難現象我們設計了一款戒煙輔助系統，本系統分為硬件軟件兩部分，分別為智能戒煙盒和戒煙APP 平臺。此系統設計一共有三大目的，一是為了促進人們戒煙，針對部分自控力能差同時想要戒煙的人群，通過設計一款智能煙盒定時解鎖煙盒功能以控制戒煙用戶吸煙，軟件開發部分不僅方便了設備的控制，同時構建用戶社區平臺引入公域流量促進戒煙用戶共同交流分享心得，達到共同戒煙的目的。二是為了保持已經開封的香煙的新鮮度，由于戒煙人群抽一盒煙周期較長，故而需要一款設備來保持香煙的新鮮度，讓香煙存儲環境溫度控制在4℃左右，濕度要保持在60%左右。三是為了防止擠壓對香煙造成的破壞。軟件部分不僅可以使硬件運行的可控，還具有監測信息、云端交流等功能。旨在針對這些自控能力差的戒煙人群成功戒煙。

1 系統總體方案設計

本系統設計通過使用STM32F103C8T6 單片機、DHT-11 溫濕度傳感器模塊、霧化片、風扇模塊、半導體制冷片、PTC 加熱片、充電模塊。濕度控制部分以STM32F103C8T6單片機作為主控，DHT-11 數字溫濕度傳感器將采集到的濕度信號傳送給STM32F103C8T6 單片機，手機APP 實時顯示。手機APP 由已經設計完成，通過HC-05 藍牙模塊將手機APP 與裝置通訊連接，用戶通過手機APP 可以獲取裝置狀態信息、選擇裝置工作模式、設置合適濕度閾值、控制控濕時長、設置煙盒鎖定時間，裝置程序設計框圖如圖1 所示。另設有點煙器、盛放糖果裝置人性化部分。

圖1 裝置程序設計框圖

2 硬件結構設計

裝置整體結構嚴謹，在盛放煙草裝置四周分布各個模塊，進行連通布線。內部底部空間安裝單片機、DHT-11 溫濕度傳感器、HC-05 藍牙模塊。鎖體部分安裝風扇模塊、拔塞加水的儲水箱，儲水箱外殼中間放置霧化片，周圍保證防水。盛煙槽四周安裝PTC 加熱片、半導體制冷片、蓄電池、點煙器、盛放糖果裝置，蓄電池與兩種充電端口位于裝置底部，支持安卓接口與TYP-C 接口充電。為使溫濕度傳感器檢測數據不受干擾，獲得準確檢測數據，將DHT-11 溫濕度傳感器與霧化片、PTC 加熱片、半導體制冷片分別安裝在外圍，合理排線連接主控電路，同時為使戒煙者有效控制吸煙頻率，設計煙盒自鎖裝置，由電磁鐵進行裝置的鎖定。為使裝置內水霧、熱氣、冷氣均勻分布，同時不阻礙水汽的噴出，將小型風扇裝置，并且在上方、對面底盤打孔，促進裝置內空氣流，增設卡槽以保證設備硬件連接。其爆炸視圖如圖2 所示，實物圖如圖3 所示。

圖2 裝置爆炸視圖

圖3 裝置實物圖

■2.1 藍牙通信模塊

藍牙通信模塊是智能戒煙盒硬件與手機APP 交換數據的通道，藍牙通信模塊一般以串口的形式與單片機相連，本文選用的是HC-06 藍牙串口從機模塊，模塊上引出了VCC、GND、TXD 和RXD 四根管腳。HC-05 藍牙模塊通過串口與MCU 或其他設備進行通信，可以使用UART、USB等接口進行通信。藍牙通信分為兩種模式：主機模式和從機模式。HC-05 藍牙模塊可以設置為主機模式或從機模式，實現與其他設備的通信。藍牙模塊可以傳輸串口數據、音頻數據、圖像數據等多種類型的數據。藍牙通信模塊與單片機連接原理圖如圖4 所示。

圖4 藍牙通信模塊與單片機連接原理圖

■2.2 溫濕度傳感器模塊

DHT-11 數字溫濕度傳感器負責檢測智能煙盒內的濕度情況，并反饋給單片機。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。DHT-11 數字溫濕度傳感器是一款帶有已校正數字信息輸出的溫濕度復合傳感器，內部由一個八位單片機控制一個電阻型感濕器件和一個NTC 測溫元件。其溫度測量范圍為0℃～50℃，誤差在±2℃；濕度的測量范圍為20%～90%RH，誤差在±5%RH。

■2.3 溫濕度控制模塊

半導體制冷片是一個熱傳遞的工具。當一塊N 型半導體材料和一塊P 型半導體材料聯結成的熱電偶對中有電流通過時，兩端之間就會產生熱量轉移，熱量就會從一端轉移到另一端，從而產生溫差形成冷熱端。

超聲波霧化片利用電子高頻震蕩（振該電子振蕩對人體及動物無傷害），通過陶瓷霧化片的高頻諧振，將液態水分子結構打散而產生自然飄逸的水霧，當水位低于水位開關時，霧化器會自動停止工作。

PTC 加熱片采用PTC 陶瓷發熱元件與鋁管組成。該類型PTC 加熱器有熱阻小、換熱效率高的優點，是一種自動恒溫、省電的電加熱器。PTC 產品有自動節能的特性，當加熱器把環境溫度提升后，其功率會逐漸降低，本裝置采用5V/50℃、0.3～1W 的加熱片。

本裝置選擇的風扇模塊電壓5V，電流0.12A，尺寸20mm×20mm×10mm，用來將霧化片產生的水汽擴散至智能煙盒內的各個空間。

■2.4 裝置鎖定模塊

采用超小型化貫穿式電磁鐵，輸入電壓為3V，當其電壓小于3V 時電磁鐵伸出，裝置鎖定；當電壓大于3V 時，電磁鐵收縮，裝置解鎖。

■2.5 電源電路

選用5V 可充電鋰電池，供能相應原件需要降壓，采用LDO 電源電路，可以作為線性穩壓器，將5V 電壓轉化輸出為3.3V。電源電路原理圖如圖5 所示。

圖5 電源電路原理圖

■2.6 主控模塊

采用STM32F103C8T6，其小巧、成本低、高性能等優勢是對裝置進行良好控制的最優選擇。

3 應用程序設計

Java 程序語言易于應用和理解，它與其他傳統的編程語言手段的不同之處在于Java 編程語言不是對整個程序的結構整體化進行改變，而是進行一個階段性的編寫，模塊之間同樣是相互之間聯結的。Java 語言在其可靠性上的要求較高，通過自己的安全防護機制可以有效防止病毒，這可以使得Java 編程語言能夠成為非常安全的編程語言。正是由于Java 以上優點，保證了智能煙盒運行的可行性與穩定性。Java 網絡編程系統語言在準確處理軟件網絡間的信息交換方面同樣有著強大的技術優勢，在APP 開發應用過程中，看護人不僅能夠直接進行實時監督和遠程操縱，將APP 可執行性充分發揮提高到最大應用程度，為看護人提供更良好的軟件使用交互體驗。

應用程序APP 是Android 手機與藍牙型智能戒煙盒的主要交互途徑，本APP 通過藍牙模塊將設備與手機進行連接通訊，接受其傳遞的電信號并在APP內顯示溫濕度以及電量百分比。當由APP 控制其鎖定時間時，向設備發送電信號控制微型電機進行自鎖，由手機自動定時，當時間達到預期，可發送電信號到設備控制微型電機進行解鎖。另外具有顯示設備的信息、信息記錄查詢等一系列功能。針對戒煙者自己戒煙容易產生枯燥乏味心理，設計了用戶社區交流平臺，其中包含個人信息查詢、交流中心、未抽煙時長排行榜等功能，不僅可以讓戒煙者實現良好的交流，也能促進戒煙者的競爭、正向比較心理，實現共同進步、共同戒煙的目的。其中排行榜功能，我們會定期為周榜月榜年榜排行靠前用戶發放獎勵，一定程度上促進戒煙者戒煙，手機APP 頁面如圖6 所示。

圖6 手機APP 頁面

■3.1 APP 應用權限設置

Java 網絡編程系統語言在準確處理軟件網絡間的信息交換方面有著強大的技術優勢，在APP 開發應用過程中，看護人不僅能夠直接進行實時監督和遠程操縱，將APP 可執行性充分發揮提高到最大應用程度，為看護人提供更良好的軟件使用交互體驗。軟件用戶界面進行優化設計和直接獲取應用資源與直接使用其他資源，都非常需要應用權限，因為這種權限設定可以對一個應用程序本身起到安全保護的重要作用，就智能戒煙盒APP 開發應用情況來看，在程序命名應用權限能夠獲取的時候同時還需要能夠直接獲取其他的一些程序相應應用權限，保證了看護人操作體驗的提升等，對戒煙者更好地進行監督。

■3.2 監護人模式

針對戒煙者可能會有懈怠氣餒的行為，設計了監護人模式，可以由戒煙者的家人進入此模式，對戒煙設備實行優先級控制，對戒煙者的戒煙時間等一系列行為進行監控及控制。并且其功能與上述相同，由無線網絡對戒煙者手機APP 信息進行控制如圖7 所示。

圖7 監護人模式頁面組圖

4 結束語

本文設計的基于藍牙技術的智能戒煙盒，可以對裝置的溫濕度信息收集，并針對不同的溫濕度情況通過控制PTC加熱片、半導體制冷片、小風扇等實現理想溫濕度環境。由手機藍牙與設備進行連接，通過手機APP 獲取裝置信息并進行定時鎖定，還具有交流、監護人模式等功能。一定程度地解決了某些戒煙者存在自制力不強、擔心香煙浪費的矛盾心理等問題。