基于STM32的智能醫(yī)囑手環(huán)設計

摘 要：老年人的記憶力隨著年齡的增長會逐漸下降，經常出現忘記吃藥等現象；同時老年人也有實時觀測自己身體健康的需求。為此，基于STM32設計了集體溫心率檢測、定時提醒吃藥和一鍵呼叫等功能于一體的智能醫(yī)囑手環(huán)系統。以STM32單片機作為系統主控芯片，由心率傳感器模塊、DS18B20溫度傳感器模塊、JQ8400語音播放模塊和OLED屏幕模塊組成，整個系統通過WiFi模塊與手機連接，可以實現遠程監(jiān)測控制目的。該系統符合健康生活的需求，實際的應用空間也比較大。

關鍵詞：STM32單片機；心率傳感器；溫度傳感器；語音播報；WiFi模塊；OLED模塊

中圖分類號：TP393；G426 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-0-04

0 引 言

隨著老年人口數量開始逐漸增加，老年人的醫(yī)療問題成為當今社會面臨的重點問題。尤其是老年人常常需要服用一些藥品用來治療疾病，聽從醫(yī)生囑托按時吃藥是老年人身體康復的關鍵。有時吃藥和服用保健品的時間混亂，不能夠有計劃地進行，就達不到最大的效果。為了能夠讓老年人享受到便利的提醒服務，本文設計出基于STM32單片機的智能醫(yī)囑手環(huán)系統，將手環(huán)佩戴在胳膊上，可以隨時隨地監(jiān)測到每天按醫(yī)囑服用藥品或者保健品的情況。

1 系統總體設計

1.1 系統設計目標

我國老齡化人口逐漸增多，為了讓患者或者老人能夠聽從醫(yī)囑按時服藥，實時監(jiān)測自己的身體健康狀況，同時也能讓親人通過手機監(jiān)測和控制，設計出此系統。需要實現的功能如下：

（1）體溫心率檢測：心率傳感器模塊、DS18B20溫度傳感器模塊監(jiān)測用戶的心率和體溫情況[1]，將監(jiān)測到的體溫和心率傳輸到OLED屏顯示。

（2）語音提醒：通過手動和自動兩種方式可以設定需要吃藥的時間，當達到吃藥時間時，系統進行語音提醒。

（3）報警功能：可以通過按鍵設置體溫和心率的閾值，當測量到當前體溫和心率不在閾值范圍內時，則會觸發(fā)報警。

（4）一鍵呼叫功能：按下按鍵時，小程序通過云平臺推送消息給綁定公眾號的親人，代表此時老人遇到危險。

（5）遠程監(jiān)測控制：系統通過WiFi模塊和網絡將測量的體溫和心率上傳到云平臺，人們可以在小程序進行監(jiān)測，并可以在小程序界面控制閾值和手動提醒吃藥[2]。

1.2 系統總體框架

本系統在設計過程中分為硬件模塊和軟件模塊兩個部分。硬件模塊以STM32作為核心控制板進行開發(fā)，主要包括通信模塊、語音播報模塊、按鍵模塊、體溫和心率傳感器模塊等，系統整體主要實現體溫心率采集、狀態(tài)檢測、定時吃藥等功能。軟件設計模塊由騰訊連連小程序及定時語音播報等部分組成。通過將硬件和軟件部分相結合，構成一個有效的系統。該系統總體設計框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 主控模塊

本設計選擇STM32F030C8T6作為核心控制器，STM32F030C8T6微控制器集成了以48 MHz頻率運行的高性能ARM Cortex-M0 32位RISC內核、高速嵌入式存儲器，以及廣泛的增強型外設和I/O。提供標準通信接口、1個12位ADC、7個通用16位定時器和1個高級控制PWM定時器[3]。STM32F030C8T6單片機內存大，可以實現兼容，同時價格與同級別的單片機相比更加實惠，在書寫程序時可以實現重寫的功能，在程序編譯時為了防止出現亂碼的現象可以進行加密處理。

2.2 心率傳感器模塊

Pulse Sensor傳感器是一款用于脈搏波形測量、心率測量和HRV分析的廣電反射式模擬傳感器，傳感器對光電信號進行濾波[4]、放大，最終輸出模擬電壓值。具有使用簡單、佩戴方便、可靠性高等特點。本次設計Pulse Sensor傳感器通過杜邦線和單片機進行連接，并且將采集到的模擬信號傳輸給單片機，單片機通過將采集到的模擬信號值轉換為數字信號，再通過簡單計算就可以得到心率數值[5]。該芯片有三個端口，一個端口連接3.3 V的電源，一個端口接地GND，最后一個端口連接STM32F030C8T6單片機的PA0引腳。心率傳感器模塊電路和實物如圖2所示。

2.3 溫度傳感器模塊

溫度傳感器模塊采用DS18B20溫度傳感器進行監(jiān)測，它的體積較小、成本低、功耗低、精度高，信號處理能力較強，其溫度誤差小于0.4 ℃，實用性很強。本次設計DS18B20傳感器測量老人的體溫，它有三個端口，一個端口接3.3 V的電源，一個端口接地GND，最后一個端口DATA與STM32F030C8T6單片機的PA1引腳連接。心率傳感器模塊電路和實物如圖3所示。

2.4 語音播報模塊

語音提醒吃藥功能采用JQ8400語音播報模塊實現，自帶3 W功放，有4 MB的存儲空間，非常符合本項目的要求。設計JQ8400語音模塊時選擇的是SOC方案，在內部裝載了1個16位的MCU，以及1個專門針對音頻解碼的ADSP，且采用硬解碼的方式，更加保證了系統的穩(wěn)定性和音質[6]，能夠靈活地更換SPI-FLASH內的語音內容。這個芯片有6個端口，一個連接5 V電源，一個接地GND，RX和TX端口與STM32F030C8T6單片機的TXD1和RXD1引腳連接，SPK正負極連接廣播進行語音播放。語音播報模塊電路和實物如圖4所示。

2.5 WiFi通信模塊

通信采用ESP8266來實現，該模塊是工作在2.4 GHz頻率下的短距離無線數據傳輸模塊，具有低功耗、高度集成和低成本等特點。ESP8266系列無線模塊是一系列高性價比WiFi SOC模組。本次設計WiFi模塊支持標準的IEEE802.11b/g/n協議，內置完整的TCP/IP協議棧，用戶可以使用該系列模塊為現有的設備添加聯網功能，也可以構建獨立的網絡控制器[7]。該WiFi模塊一共有8個引腳，RX端口連接STM32F030C8T6單片機的TXD2引腳，2引腳連接5 V的電源，GND接地，TX端口連接STM32F030C8T6單片機的RXD2引腳[8]。WiFi通信模塊電路和實物如圖5所示。

2.6 OLED顯示屏模塊

OLED屏幕選用0.96寸的液晶顯示屏，具備SPI接口，工作電壓為5 V，工作電流小于150 μA。屏幕工作時，最多可以顯示4*8個漢字信息，滿足本系統的需求。本設計中的OLED液晶模塊是一款控制器為SSD1306、分辨率為128*64的點陣OLED顯示模塊，具有自發(fā)光的特性。OLED屏幕顯示模塊有6個端口，1個端口接地，1個端口接3.3 V電源，其余4個端口分別是SCK、SDA、RST和DC引腳，與STM32F030C8T6單片機的SCLK2、MOSI2、OLED RST和OLED DC引腳連接，SCK負責控制時鐘，SDA負責數據通信，RST負責控制復位功能，DC負責發(fā)出指令或者通過數據選擇切換引腳。OLED顯示屏模塊電路和實物如圖6所示。

2.7 聲光報警模塊

聲光報警模塊采用驅動蜂鳴器，蜂鳴器是一種通過震蕩發(fā)音的電子器件，被廣泛應用于打印機[9]、汽車玩具和計算機等場景，具有壽命長、可靠性高等特點。本次設計采用NPN三極管，用以管制蜂鳴器。當三極管為高電平時，三極管就會飽和導通，這時蜂鳴器就會工作，STM32F030C8T6單片機的BEEP引腳串聯10 kΩ的電阻與NPN三極管串聯。聲光報警模塊電路和實物如圖7所示。

3 系統軟件設計

3.1 系統總體軟件設計

系統通電后各個模塊開始進行初始化，然后就會檢測人體體溫是否正常，若正常則在顯示屏幕上顯示；檢查心率檢測是否開啟，開啟后在顯示屏上顯示；查看是否按時吃藥并進行顯示，最后進行聲光報警，完成一個循環(huán)。本智能醫(yī)囑手環(huán)系統是基于STM32設計與實現的。整個系統通過WiFi模塊與手機連接，可以將采集的數據實時顯示在手機上，同時可以在手機上設置傳感器采集的范圍以及吃藥次數；并且在老人出現危險時可通過按下按鍵推送消息給綁定公眾號的親人。程序流程如圖8所示。

3.2 體溫和心率監(jiān)測子系統程序設計

體溫和心率傳感器把采集的數據信息傳入主控芯片，再經過主控芯片的一系列處理操作，最終把數據顯示到顯示屏上，如果數據出現異常，蜂鳴器會及時報警。接通電源后，系統開始進行初始化，體溫和心率傳感器就開始進行工作，檢測人體的體溫和心率數據，在一段時間內進行心率的計算，然后在顯示屏幕上顯示，并與事先設置的溫度數據閾值進行對比[10]。體溫和心率監(jiān)測子系統程序流程如圖9所示。

3.3 語音子系統程序設計

系統接通電源后進行初始化處理，將芯片通過WiFi和手機端進行連接，此時會同步時鐘，顯示在OLED屏幕上；通過按鍵可以設置吃藥時間，當時鐘到設定時間時，此時語音播報模塊便開始工作，播報“時間到了，該吃藥了”信息；也可通過手機端小程序界面設置吃藥時間，同樣地，到時間時語音播報模塊開始工作。語音播報子系統程序流程如圖10所示。

3.4 WiFi通信子系統程序設計

本次設計接通電源后，就會啟動手機APP開啟WiFi功能，對目標設備進行掃描配對。假如發(fā)現目標設備就會進行設備連接，假如沒有掃描到目標設備就會一直處在掃描目標設備的狀態(tài)。連接上目標設備后用戶就可以輸入信息，進入到主控界面進行觀察，然后就可以收到主控系統發(fā)送的信息數據，并在手機上顯示，最后結束本次運行，系統處在待機狀態(tài)。WiFi通信子系統程序流程如圖11所示。

3.5 OLED模塊子系統程序設計

顯示屏幕模塊負責顯示心率、溫度、用藥時間等數據。當接通電源后，先對屏幕進行初始化，使得屏幕全像素進行激活，然后根據設計的X、Y坐標值進行數據更新。OLED顯示模塊子系統程序流程如圖12所示。

3.6 聲光報警模塊子系統程序設計

系統接通電源后就開始進行初始化處理，然后聲光報警模塊會等待判斷主控系統傳輸的是否是報警信號，當接到聲光報警的信號后，就會啟動聲光報警，二極管的紅燈亮起，并發(fā)出聲音進行報警；假如沒有信號進行聲光報警，二極管就會處于綠燈狀態(tài)。聲光報警模塊子系統程序流程如圖13所示。

4 系統測試

為驗證系統是否達到設計要求，需要對系統進行功能測試。主要對系統的語音播報功能、小程序控制功能、報警功能和一鍵呼叫功能進行測試。

4.1 語音播報功能測試

系統接通電源后，會在顯示屏幕上顯示當前的數據，會進行心率、溫度等數據信息的閾值設置，進入小程序設置界面可以對提醒吃藥時間進行設置，當達到吃藥時間時，便會開始語音播報提醒吃藥。系統語音播報功能的測試總共做了30次，其中自動10次、手動20次，有效次數是27次，無效次數為3次，通過計算可得出有效率為90%，滿足合格標準。

4.2 小程序控制功能測試

系統接通電源后，通過WiFi模塊與用戶的手機配對成功后，就會在手機上實時監(jiān)測到智能醫(yī)囑手環(huán)傳輸的信息，可以直觀地看到服藥的次數、當前的身體溫度和心率等，以及身體溫度和心率的范圍等，可以在小程序上調整閾值以及服藥提醒。手機控制功能主要測試了手機控制的五種操作共計30次，其中體溫最小值、體溫最大值、心率最小值和心率最大值各5次，服藥提醒測試10次，而每種操作的有效次數分別是4次、5次、5次和4次，服藥提醒有效次數為10次，所以小車遙控功能的測試有效率大于90%，基本滿足合格標準。

4.3 報警功能測試

系統上電后，OLED屏幕會顯示當前的體溫和心率，通過溫度傳感器和心率傳感器進行采集，通過按鍵可以設置界面，調整體溫和心率的閾值，也可以通過小程序進行調整，當前的體溫和心率如果超過設定的閾值，便會報警。報警功能的測試總共做了30次，其中有效次數也是27次，無效次數為3次，通過計算可得出有效率為90%，滿足合格標準。

4.4 一鍵呼叫功能測試

當老人遇到危險時，可以按下按鍵進行呼救，系統將上傳一條SOS呼叫信息給綁定公眾號的親人。一鍵呼救功能的測試總共做了15次，其中有效次數是14次，無效次數為1次，通過計算可得出有效率大于90%，滿足合格標準。

4.5 系統總體測試

測試過程：將系統上電，進入設置界面，調整閾值，使當前的體溫心率超過閾值，在小程序界面添加場景設定時間，按下K3鍵。測試結果：超過閾值后報警，到達設定時間語音播報提醒吃藥，按下K3后手機收到呼救信息。結果分析：根據功能測試，該設計基本符合各項需求。系統實物和小程序界面如圖14所示。

5 結 語

本文設計的基于STM32的智能醫(yī)囑手環(huán)系統，主要實現對老年人的體溫和心率的監(jiān)測，提醒老年人按時吃藥，在老人遇到危險時能夠及時通知他們的家人?；赟TM32的智能醫(yī)囑手環(huán)設計符合現代人的需求，用戶通過智能醫(yī)囑手環(huán)可以實時監(jiān)測自己的身體健康狀況，以便根據監(jiān)測的結果有針對性地做出調整，符合人們的現實生活需求。

參考文獻

[1]劉丹，王羽徵，畢海，等.一種智能化人體健康信息監(jiān)測與交互系統設計[J].信息技術與網絡安全，2019，38（11）：18-22.

[2]鄭旭，顏孟凡，王娟娟，等. 基于Arduino的遠程環(huán)境監(jiān)測系統的實現[J]. 中國新通信，2018，20（13）：30.

[3]蔡金峰. 面向自助設備的移動支付管理系統設計與實現[D]. 南京：東南大學，2019.

[5]閆亞慶. 融合視覺信息的嵌入式老人異常狀態(tài)監(jiān)控系統的研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2017.

[6]張佳琪，于海霞，劉永輝，等. STM32單片機控制的智能垃圾分類終端[J].物聯網技術，2023，13（1）：82-84.

[7]何錦淳，李爵成，李丹.基于STM32的智能安防系統[J].物聯網技術，2020，10（5）：49-54.

[8]劉育辰. 基于物聯網的農田滴灌遠程監(jiān)控系統設計[D]. 石河子：石河子大學，2019.

[9]辛凱，李普，張震.基于增強型51單片機的智能藥箱的設計[J].山西電子技術，2014，42（2）：40-41.

[10]李明澤，李濤，胡凱，等.基于52單片機的智能糧倉火災報警系統設計[J].軟件，2019，40（5）：38-41.

作者簡介：范培棟（2001—），男，本科在讀，研究方向為嵌入式系統、物聯網相關技術等。

閔 改（1981—），女，碩士，講師，研究方向為圖像識別等。

收稿日期：2023-05-04 修回日期：2023-06-01