基于半导体帕尔帖效应的WiFi智能药箱

王奕林，李 响，崔博言，李孙笑何，彭大卫，袁小平

（中国矿业大学，江苏 徐州 221116）

近年来，国内外对于老年人的健康问题格外关注。智能药箱就是针对老年人服药问题所设计的一款家用智能服药系统。目前市场上的智能药箱是以让老人能按时按点吃药为目标设计的，主要包括及时提醒和监督取药两方面的功能，存在的主要不足在于：

（1）针对人群小：目前智能药箱大部分功能是为老年人群设计制作的，并没有充分考虑其他患者人群，便携能力较差，在运输、携带过程中困难重重。

（2）保存能力有限：目前的药箱仅限于保存对温度无特定要求或要求较宽松的药物，而不能存放对温度较敏感，有特殊存储需求的药物。

（3）智能化程度低：目前的药箱只局限于药物简单存放与获取，使用不便，功能单一，与互联网及物联网的联系更是不够紧密。

本项目从更广范围的用户人群及更高的用户需求出发，通过半导体制冷、检测传感、WiFi通信、算法设计等技术的应用，制作一款在温湿度控制、药量检测、远程控制等方面更具优势的智能药箱。此药箱具有极大的应用前景，同时相关研究成果也可在其他领域发挥指导和借鉴作用。

1 系统功能

要求保证药箱对存储条件特殊药物的稳定性、可靠性，以及药箱的远程可控性、便捷性等等，因此，设计的智能药箱系统需具有以下几项功能。

（1）能够实时监测并用屏幕显示智能药箱内部存储药物的温湿度状况。

（2）能够通过压力传感器实时检测药物余量，在低于某一设定值时，可自动进行语音播报提醒用户对药物进行补充。

（3）能够把检测到的温湿度情况与药物余量传输到自制的手机APP端。

（4）能够通过手机APP端对药物所处温度范围进行设定。

（5）能够使药箱自动对内部存储空间进行制冷或加热以达到设定温度，并保持恒温。

2 硬件设计

硬件电设计是智能药箱设计的重要环节，主要实现状态检测、驱动控制以及信息交互等功能。

智能药箱的硬件电路的控制模块采用STM32C8T6芯片，该芯片高性能、低成本、功耗低；温湿度采集模块采用DHT21温湿度传感器，该模块能够在较短的时间内进行温湿度数据的读取；语音播报模块采用DY-SV17F芯片，芯片驱动喇叭播放达到语音播报的效果；压力采集模块采用HX711芯片；显示模块采用OLED作为液晶显示，该模块较轻薄并且功耗低。WiFi模块采用ESP8266，通过该模块实现药箱与手机客户端APP的人机交互；温控执行模块由半导体片TEC1-12706及驱动电路组成，单片机控制器可以控制驱动电路输出电流的大小以及改变电流的方向进而实现对药箱的制冷或加热。

经过分析研究后，本次设计的基于半导体的智能药箱控制系统整体设计框图如图1所示。

图1 智能药箱控制系统整体设计框图

3 软件设计

3.1 主程序设计与实现

采用模块化思想设计软件，主程序流程图如图2所示。各个模块共同作用实现智能药箱的各项功能。该程序首先完成各部分模块的初始化，接着用户可以通过手机客户端APP进行相应温度的设定。同时温湿度传感器实时测量药箱内的温湿度并且将数据回传给单片机，单片机对传回的数据进行运算并输出相应的PWM值给驱动电路，驱动电路再根据单片机的指令控制电流的方向以及大小进而控制半导体片的制冷或加热。压力传感器将采集到的压力数据传回给单片机，当检测到压力小于某一设定值时，单片机将控制语音播报模块进行语音播报提醒用户补充。同时采集到的温湿度数据以及压力数据等可通过OLED显示屏进行显示并且可以回传给手机客户端APP。这样的模块化设计可以使各个部分独立工作、互不打扰，便于后期进行功能的升级以及维护工作。

图2 智能药箱控制系统主程序流程图

3.2 无线传输子程序设计

WiFi模块进行程序初始化后，随后检测是否有正常的连接，如果有则检测当前连接源的通信信息和请求信息，然后进行信息的寻找和配对，找到对应的通信通道后，对请求发送的数据信息进行发送，信息发送完成后即为完成通信。具体工作流程如图3所示。

图3 WiFi通信流程图

3.3 手机客户端APP的开发

为实现对智能药箱的远程控制，需要开发出一款手机客户端APP，用于对智能药箱的温湿度阈值的设定以及对药品余量的监测。本次APP的设计采用的是MIT APP INVENTOR。该开发平台使用大量的可视化编程，可将待使用到的组件直接拖拽到指定位置，接着通过对指定功能的设定，完成了界面设计之后，可进行程序的编写。在MIT APP INVENTOR这个软件中，双击指定的按钮，就会进入程序编程模块，只用将待执行的任务加入即可。完成程序的编写之后，对其进行打包成.apk文件，生成的.apk文件即为我们最终使用的APP软件。用户在手机端进行安装以后，可通过连接WiFi模块的信号对药箱进行相应的操作。APP界面设计如图4所示。

图4 APP界面设计

4 测试结果与分析

4.1 硬件与软件调试

在整个智能药箱系统搭建完成后，首先，要对硬件进行调试。要先对其管脚进行测试，检查管脚是否会出现松动等状况，检查线路是否正确连接。其次，对各个传感器模块分别进行回传数据检测。当硬件系统的某个地方出现问题，可以万用表辅助排查，检查是有连接不牢固、器件损坏或器件短路等问题。硬件电路的稳定的是后面软件运行成功的前提。

在硬件电路测试完好的情况下，紧接着进行软件调试。本系统对于软件的测试方案选择黑盒测试的方法，测试过程如下：

（1）编写代码，进行编译、调试，将编译好的代码下载到STM32单片机。

（2）观察OLED显示屏的初始界面，观察是否显示温湿度等状态信息。

（3）进行温湿度传感器程序调试。观察是否能够正确读取温湿度数据。

（4）进行温压力传感器程序调试。观察是否能够正确读取质量数据。

（5）将手机WiFi与智能药箱配对，观察手机客户端APP是否可以同步显示数据和远程操控。

4.2 整机功能测试

经过如上的软硬件测试过程，本系统再进行整机功能测试。我们记录了初始温度为15℃，湿度为94%左右，目标温度为5℃，测试药箱制冷所需时间。测试表明，我们设计的药箱制冷功能效果良好，达到设计的初步要求，见表1。

表1 目标温度为5℃时制冷效果测试结果

我们对药箱所能检测的药物的最小重量做了测试，结果见表2。测试表明，我们设计的药箱质量检测功能效果良好，达到设计的初步要求。将整个系统运行24 h，经过实际测试，系统功能运行正常，供电电压稳定，设定温度保持稳定，程序没有出现跑飞现象。所以，我们所设计的药箱已基本达到要求。

5 结束语

为解决当前药箱智能化程度低的状况，本文基于半导体技术并结合WiFi通信技术实现药箱的智能化、便捷化。并将半导体技术、传感器技术与通信技术紧密结合，研究出一款可以进行温度控制、智能语音播报并且可通过客户端APP进行远程操控的智能药箱。应用半导体材料的帕尔帖效应进行制冷或者加热。同时利用WiFi模块进行远程无线通信，具有更快的传输速率以及更远的通信距离。本次设计也开发一款相配套的手机客户端APP，具有良好的人机交互界面，可以更好地实现药箱的智能化。同时本设计亦存在不足，该药箱暂时只能对温度进行粗略的控制，亦无法对其进行更精确的控制。所以后续对此进行升级时可以考虑添加更适应的算法，如模糊PID控制、大林算法等等。同时增加太阳能充电以及储能环节亦是本药箱的一个发展方向。