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智能药盒的设计与实现

    在传统药盒的基础上，本文根据老年人在服药过程中经常出现漏服和忘服的问题，提出以ATMEGA328系列微控制器芯片为核心设计一个智能药盒。智能药盒主要由OLED显示屏、时钟模块、MP3播放器组成，同时采用ESP8266作为网络控制核心，该系统可以实现吃药时间提醒功能以及药物存储功能。以传统药盒相比，本系统提供了药物存储功能，DHT11温湿度模块进行药物存储环境的温湿度检测，并通过阿里云物联网平台在线控制。

    本系统经过测试，可以在设定好的时间内，通过语音播报和灯光常亮进行吃药时间提醒。温湿度模块实时监测药物存储的温湿度上传阿里云平台，在线控制风扇的开关，调节温湿度，保证药品存储在适宜的环境下。为智能医疗产品设计的发展提供了新的参考和借鉴。

一、功能：

一天三次吃药的时间（早上、中午和晚上）到了之后会有语音提示，并且会有相对应的LED灯被点亮，可以通过按钮设置（早上、中午和晚上）吃药的时间。

二、材料清单：

Arduino UNO 一块，扩展板一块、5号电池盒四节一个、LED灯三个，按钮四个，OLED显示屏一块，DS3231时钟模块一个，MINIMP3模块转换板、MINIMP3、TF卡、若干杜邦线。

三、硬件连接：

****Arduino ******** UNO ****** ** <------> ******** 黄色按钮

GND <------> G

5V <------> V

4 <------> D

Arduino ******** UNO ****** **** ****** <------> ******** 红色按钮

GND <------> G

5V <------> V

5 <------> D

****Arduino ******** UNO **** <------> ******** 绿色按钮

GND <------> G

5V <------> V

6 <------> D

Arduino ******** UNO <------> ******** 白色按钮

GND <------> G

5V <------> V

7 <------> D

Arduino ******** UNO <------> ******** DS1307时钟模块

GND <------> G

5V <------> V

10 <------> SDA

11 <------> SCL

****Arduino ******** UNO ****** ** <------> ******** 黄色LED灯

GND <------> G

5V <------> V

A3 <------> D

****Arduino ******** UNO **** ****<------> ****** **** **** **红色LED灯

GND <------> G

5V <------> V

A2 <------> D

Arduino ******** UNO ****<------> ****** **** **绿色LED灯

GND <------> G

5V <------> V

A1 <------> D

****Arduino ******** UNO ****** ** ****<------> ****** **** **OLED显示屏

GND <------> G

5V <------> V

SDA <------> SDA

SCL <------> SCL

****Arduino ******** UNO ****** **** ******<------> ****MINI MP3模块

GND <------> G

5V <------> V

9 <------> TX

8 <------> RX

****Arduino ******** UNO ****** **** **** ******<------> ****** **** **5号电池盒（4节）

VIN <------> 正极（红色线）

GND <------> 负极（黑色线）

四、软件系统详细设计

4.1 Arduino与Esp8266环境搭建

（1）登录Arduino官网，下载软件。

（2）打开文件à首选项，再将该连接复制到à“附加开发板管理器网址”。

网址为:https://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266_index.json

添加附加开发板管理器网址如图所示:

  1. 重启Arduino软件，依次点击：工具-开发板-开发板管理器，然后搜索ESP8266并下载。如图17所示为搜索结果：

（4）下载完成后，依次点击工具à开发板，可以观察到ESP8266相关的开发板，如下图所示，至此Arduino 和 ESP8266 开发环境就搭建好了。

4.2 字模提取软件

对于智能药盒设计对显示汉字的需求，选择PCtoLCD2002字体取模软件。软件的配置界面如下图所示。

其中，阴码和阳码是指：字模点阵中有笔迹像素位的状态是“1”还是“0”，即对应的薄膜晶体管是“亮”还是“灭”。

自定义格式中只有两种格式“C51”和“A51”，在这里要选择常用的“C51”格式。取模方式选择逐行式，一行一行的以最低位开始，向最高位进行扫描。进行相应的设定后，在输入框输入想要显示的汉字点击生成字模即可。比如我们输入汉字“智能药盒”，如下图所示。

4.3 阿里云平台开发

4.3.1 药物存储环境

药物的处方成分比较复杂，应按照其特性，剂型选择合适的储存条件。如果是常温贮存的，温度一般保持在1030℃左右即可，如果是需要阴凉贮存的，一般温度控制在1020℃左右为宜，若温度过高，中成药的某些成分可能会氧化、分解加速、变量变质，例如含芳香挥发性成分的药物可因加速挥发而损失，含脂肪油成分的药物易“泛油”或酸败，胶囊剂易黏软变型，片剂易裂片变色等等；但是温度也不宜过低，温度过低容易导致糖浆剂、露剂、含乙醇制剂等产生沉淀、结晶，甚至变性失效。一般中成药的储存相对湿度以35%~75%为宜。如果环境湿度过高，例如梅雨季节，容易导致中成药发生潮解、变形、生虫甚至霉变，如果环境湿度过低，则可能会导致中成药风化或干燥等等。对此，进行药盒内部温湿度的检测上传阿里云平台进行实时监控，保证药物的存储环境达标。同时接入一个风扇，通过开关对温湿度进行调节。

4.3.2 开发流程图设计

药物存储也是整个药盒系统设计过程中最重要的环节，流程图如下图20所示。

首先，登录阿里云官网进行实名注册登录，点击控制台搜索物联网平台开通公共实例。选择产品，进行产品创建，所属类品选择温湿度采集，连网方式选择WIFI，创建产品成功后进行创建设备，自定义功能，进行温湿度以及风扇开关的属性设置，温湿度为单精度浮点型，开关为布尔型。设置完相应功能后进行发布上线，属性设置如下图所示。

下一步是DHT11温湿度传感器接入ESP8266，连接阿里云物联网平台，从设备信息查看三元组信息并且更改代码的三元组以及WIFI信息，更改信息如下图所示。

最后上传代码连接到WIFI就可以激活设备，此时就能在阿里云平台观察到设备在线，就表示已经连接到阿里云平台。此时就可以查看实时的温湿度信息，进行药物存储环境的监控。外接的继电器用于控制风扇，用于调节温湿度情况，显示结果如下图所示:

4.4 语音提醒设计

在智能药盒系统设计中，选择MP3 PLAY模块作为语音提醒模块。在文本转语音平台可以自定义文本，设置相应的语言、身份、情况等的设置，更加注重情感化的设计。MP3模块是使用串口通信，本系统采用的是虚拟串口。主要实现代码如下：

#include "SoftwareSerial.h"//软串口库

#include "DFRobotDFPlayerMini.h"

SoftwareSerial mySerial(8, 9);

DFRobotDFPlayerMini myPlayer;

void setup()

{

mySoftwareSerial.begin(9600);

myPlayer.begin(mySoftwareSerial);

myPlayer.volume(100); //音量设定为100

myPlayer.playFolder(1, 1); //播放TF卡中 01文件夹下001.mp3 文件

}

void loop(){}

工作流程图如下图所示。

本系统采用微软Al语音，输入你需要转换的文本即可得到你想要的语音内容。

在合成相应的语言和可以选择完整播放，和试听选择，设置合理之后点击下载，生成的语言要放在01开头的文件夹，同时文件夹里的早中晚提醒语音文件名必须设定为001.mp3、002.mp3和003.mp3.mp3。myPlayer.playFolder(1，2)表示播放的是01文件夹的001播放源。

五、系统功能测试

5.1 Arduino程序上传

Arduino程序上传调试我们采用的是Arduino IDE，打开软件新建项目文件，在工具栏中选择我们所需要的开发板型号，开发板型号选择Arduino/Genuino Uno，进行程序编写，对我们本系统所需要的库文件逐一进行添加。然后在IDE软件中进行程序的编译，编译成功后选择对应端口点击程序上传，一段时间后就可以看见下方显示上传成功，至此，Arduino调试成功。上传成功界面如下图26所示。

5.2ESP8266程序上传

ESP8266端的程序上传同样采用的是Arduino IDE，打开软件新建项目文件，在工具栏中选择我们所需要的开发板型号，开发板型号选择ESP8266 NoedMcu 1.0，进行程序的编写，编写完成后选择对应端口进行程序下载。在IDE软件中显示上传成功后表示程序已上传，打开串口监视器，显示相应的温湿度信息。温湿度显示信息如下图27所示。

根据上图的串口显示结果，可以看到看到连接成功，显示数字1。同时可以观察到实时的温度和湿度，当连接不成功的时候则显示-1。

5.3闹钟时间测试

本系统满足人们对日常药盒的基本需求，分别可以设置早中晚三个服药时间， 早上时间设置定义一个zss变量，用if语句进行实现，当按键按下时早上时间加一，考虑时间是24小时制，预先设置一个阈值，当大于24时重头开始计数，中午和晚上设置时间同早上一致，if (digitalRead(5) == HIGH) {

    delay(300)；  //早上小时的时间设置

    zss = zss + 1；当按下D5按键时，小时时间加一

    if (zss >= 24) {

      zss = 0；

    }

    EEPROM.put(1， zss)；//将早上小时的时间设置写入EEPROM地址1

  }

  if (digitalRead(6) == HIGH) {

    delay(300)；  //早上分钟的时间设置

    zsf = zsf + 1；当按下按键D6时，分钟时间加一

    if (zsf >= 60) {

      zsf = 0；}

    EEPROM.put(11， zsf)；  //将早上分钟的设置写入EEPROM地址1}

  if (digitalRead(7) == HIGH) {

    delay(300)；  //如果7号按钮被按下则退出程序返回界面

    A = 0； break；}当按下按键D7时，退出，测试结果如图28所示。

在闹钟设定显示界面图中，第一行显示的是当前的年月日，第二行显示的是当前的时间，包括时、分和秒，在第三行中显示的是用户设定好的早上吃药的闹钟、中午吃药时间的闹钟以及晚上吃药的时间。一共显示5个数据，时间显示区采用24小时制。

5.4声光测试结果

本系统设置多种提醒方式，声音提醒和LED灯常亮。获取时间代码如下：

if (Rtc.GetDateTime().Hour() == zss && (Rtc.GetDateTime().Minute()

== zsf && Rtc.GetDateTime().Second() == 0))

{

pinMode(A3，OUTPUT)；

digitalWrite(A3，HIGH)；

myPlayer.playFolder(1，1)；

}

声光提醒图如图29所示。

在声光提醒显示界面中，设定好早上吃药时间的闹钟是22：12，if (Rtc.GetDateTime().Hour() == zss && (Rtc.GetDateTime().Minute() == zsf是获取时间，当到达闹钟设定的22:12的时候， pinMode(A3， OUTPUT)；digitalWrite(A3，HIGH)；可以看到早上药物所存储的格子绿灯亮起，同时 myPlayer.playFolder(1， 1)，语音进行播报。

5.5温湿度监控

本系统连接阿里云上传温湿度信息，实时监测，在存储环境不佳时通过开关打开和关闭风扇，调节存储药物所需环境。

void loop(){

AliyunIoTSDK::loop()；

AliyunIoTSDK::send("temperature"，t)；

AliyunIoTSDK::send("Humidity"，h)；

AliyunIoTSDK::send("LEDPIN"， digitalRead(LED_BUILTIN))；

h = dht.readHumidity()；

t = dht.readTemperature()；

Serial.print("Temperature:")；

Serial.println(t)； delay(1000)；

Serial.print("Humidity:")；

Serial.print(h)；

Serial.println("%")；

delay(1000)；}温湿度实时监测数据图如下图30所示。

AliyunIoTSDK::send("temperature"，t)；AliyunIoTSDK::send("Humidity"，h)；表示把温度和湿度信息发送到IOT云平台。通过温湿度监控页面可以实时看到通过串口打印Serial.print("Temperature:")；Serial.print("Humidity:")的实时温度为18.7℃，湿度为42.0%。在温湿度不在预期范围内，可以在云端进行风扇开关的调节。在ESP8266上外接一个继电器用于风扇的开关，风扇接在继电器上。当给继电器一个高电平时，打开了继电器的开关，风扇就会进行转动。在温湿度达到预期的药物存储环境时，相反的给继电器一个低电平，从而使风扇关闭，停止工作。

  • 程序设计

一天三次吃药的时间（早上、中午和晚上）到了之后会有语音提示，并且会有相对应的LED灯被点亮。

#include <U8g2lib.h>   //显示屏和时钟模块的库文件

void page1() {
  u8g2.setFont(u8g2_font_timR10_tf); //显示年，月，日，时，分，秒，早上、中午和晚上时间
  u8g2.setFontPosTop();
  u8g2.setCursor(35,0);
  u8g2.print(String(Rtc.GetDateTime().Year()) + String(String("-") + String(String(Rtc.GetDateTime().Month()) + String(String("-") + String(Rtc.GetDateTime().Day())))));
  u8g2.setFont(u8g2_font_timR18_tf);
  u8g2.setFontPosTop();
  u8g2.setCursor(30,15);
  u8g2.print(Rtc.GetDateTime().Hour());
  u8g2.setCursor(60,15);
  u8g2.print(":");
  u8g2.setCursor(70,15);
  u8g2.print(Rtc.GetDateTime().Minute());
  u8g2.setFont(u8g2_font_timR10_tf);
  u8g2.setFontPosTop();
  u8g2.setCursor(95,25);
  u8g2.print(Rtc.GetDateTime().Second());
  u8g2.drawXBMP(0, 50, 48, 16, bitmap1);
  u8g2.drawXBMP(43, 50, 48, 16, bitmap2);
  u8g2.drawXBMP(87, 50, 48, 16, bitmap3);
  u8g2.drawXBMP(33, 35, 60, 16, bitmap4);
  u8g2.setFont(u8g2_font_timR08_tf);
  u8g2.setFontPosTop();
  u8g2.setCursor(20,50);
  u8g2.print(String(zss) + String(String(":") + String(zsf)));
  u8g2.setCursor(63,50);
  u8g2.print(String(zws) + String(String(":") + String(zwf)));
  u8g2.setCursor(106,50);
  u8g2.print(String(wss) + String(String(":") + String(wsf)));
}
void my_1() {
  u8g2.setFont(u8g2_font_timR10_tf);
  u8g2.setFontPosTop();
  u8g2.drawXBMP(0, 50, 48, 16, bitmap1);
  u8g2.setFont(u8g2_font_timR08_tf);
  u8g2.setFontPosTop();
  u8g2.setCursor(20,50);
  u8g2.print(String(zss) + String(String(":") + String(zsf)));
}
void my_2() {
  u8g2.setFont(u8g2_font_timR10_tf);
  u8g2.setFontPosTop();
  u8g2.drawXBMP(43, 50, 48, 16, bitmap2);
  u8g2.setFont(u8g2_font_timR08_tf);
  u8g2.setFontPosTop();
  u8g2.setCursor(63,50);
  u8g2.print(String(zws) + String(String(":") + String(zwf)));
}
void my_3() {
  u8g2.setFont(u8g2_font_timR10_tf);
  u8g2.setFontPosTop();
  u8g2.drawXBMP(87, 50, 48, 16, bitmap3);
  u8g2.setFont(u8g2_font_timR08_tf);
  u8g2.setFontPosTop();
  u8g2.setCursor(106,50);
  u8g2.print(String(wss) + String(String(":") + String(wsf)));
}
void setup(){
  u8g2.setI2CAddress(0x3C*2);
  u8g2.begin();
  Rtc.Begin();
  Rtc.SetIsRunning(true);
  mySerial.begin(9600);
  myPlayer.begin(mySerial);
  //Rtc.SetDateTime(RtcDateTime(__DATE__, __TIME__));
  myPlayer.setTimeOut(500);
  myPlayer.volume(100);
  myPlayer.EQ(DFPLAYER_EQ_NORMAL);
  myPlayer.outputDevice(DFPLAYER_DEVICE_SD);
  pinMode(A1, OUTPUT);  //定义A1,A2和A3为输出管脚
  digitalWrite(A1,LOW);
  pinMode(A2, OUTPUT);
  digitalWrite(A2,LOW);
  pinMode(A3, OUTPUT);
  digitalWrite(A3,LOW);
  u8g2.enableUTF8Print();
  pinMode(4, INPUT);   //定义4，5,6，和7为输入管脚
  pinMode(5, INPUT);
  pinMode(6, INPUT);
  pinMode(7, INPUT);
}
void loop(){
  EEPROM.get(1, zss);   //读取EEPROM地址1的变量值
  EEPROM.get(11, zsf); //读取EEPROM地址11的变量值
  EEPROM.get(21, zws); //读取EEPROM地址21的变量值
  EEPROM.get(31, zwf); //读取EEPROM地址31的变量值
  EEPROM.get(41, wss); //读取EEPROM地址41的变量值
  EEPROM.get(51, wsf); //读取EEPROM地址51的变量值
  u8g2.firstPage();
  do
  {
    page1();
  }while(u8g2.nextPage());  //如果到达早上设置时间则对应的LED灯点亮，语音播放
  if (Rtc.GetDateTime().Hour() == zss && (Rtc.GetDateTime().Minute() == zsf && Rtc.GetDateTime().Second() == 0)) {
    pinMode(A3, OUTPUT);
    digitalWrite(A3,HIGH);
    pinMode(A1, OUTPUT);
    digitalWrite(A1,LOW);
    pinMode(A2, OUTPUT);
    digitalWrite(A2,LOW);
      myPlayer.playFolder(1, 1);
  }
  if (Rtc.GetDateTime().Hour() == zws && (Rtc.GetDateTime().Minute() == zwf && Rtc.GetDateTime().Second() == 0)) {
    pinMode(A2, OUTPUT);   //如果到达中午设置时间则对应的LED灯点亮，语音播放
    digitalWrite(A2,HIGH);
    pinMode(A1, OUTPUT);
    digitalWrite(A1,LOW);
    pinMode(A3, OUTPUT);
    digitalWrite(A3,LOW);
      myPlayer.playFolder(1, 2);
  }
  if (Rtc.GetDateTime().Hour() == wss && (Rtc.GetDateTime().Minute() == wsf && Rtc.GetDateTime().Second() == 0)) {
    pinMode(A1, OUTPUT);   //如果到达晚上设置时间则对应的LED灯点亮，语音播放主人，晚上吃药的时间到了
    digitalWrite(A1,HIGH);
    pinMode(A2, OUTPUT);
    digitalWrite(A2,LOW);
    pinMode(A3, OUTPUT);
    digitalWrite(A3,LOW);  
      myPlayer.playFolder(1, 3);
       }
  if (digitalRead(4) == HIGH) {
    delay(300);  //如果4号按钮被按下，那么进行闹钟时间的设置
    u8g2.firstPage();
    do
    {
      my_1();
    }while(u8g2.nextPage());
    delay(1000);  A = A + 10;
    while (A == 10) {
      u8g2.firstPage();
      do
      {
        my_1();
      }while(u8g2.nextPage());
      if (digitalRead(5) == HIGH) {
        delay(300);  //早上小时的时间设置
        zss = zss + 1;
        if (zss >= 24) {
          zss = 0;
        }
        EEPROM.put(1, zss);//将早上小时的时间设置写入EEPROM地址1
      }
      if (digitalRead(6) == HIGH) {
        delay(300);  //早上分钟的时间设置
        zsf = zsf + 1;
        if (zsf >= 60) {
          zsf = 0;
        }
        EEPROM.put(11, zsf);  //将早上分钟的时间设置写入EEPROM地址11
      }
      if (digitalRead(7) == HIGH) {
        delay(300);  //如果7号按钮被按下则退出程序返回界面
        A = 0; break;
      }
      if (digitalRead(4) == HIGH) {  //如果4号按钮被按下切换到中午时间的设置
        delay(300);
        A = A + 10; break;
      }
    }
    u8g2.firstPage();
    do
    {
      my_2();
    }while(u8g2.nextPage());
    delay(1000);
    while (A == 20) {
      u8g2.firstPage();
      do
      {
        my_2();
      }while(u8g2.nextPage());
      if (digitalRead(5) == HIGH) {
        delay(300);  //中午小时的时间设置
        zws = zws + 1;
        if (zws >= 24) {
          zws = 0;
        }
        EEPROM.put(21, zws);//将中午小时的时间设置写入EEPROM地址21
      }
      if (digitalRead(6) == HIGH) {
        delay(300);
        zwf = zwf + 1;   //中午分钟的时间设置
        if (zwf >= 60) {
          zwf = 0;
        }
        EEPROM.put(31, zwf);//将中午分钟的时间设置写入EEPROM地址31
      }
      if (digitalRead(7) == HIGH) {
        delay(300);   //如果7号按钮被按下则退出程序返回界面
        A = 0; break;
      }
      if (digitalRead(4) == HIGH) {
        A = A + 10; //如果4号按钮被按下切换到晚上时间的设置
        delay(300);  break;
      }
    }
    u8g2.firstPage();
    do
    {
      my_3();
    }while(u8g2.nextPage());
    delay(1000);
    while (A == 30) {
      u8g2.firstPage();
      do
      {
        my_3();
      }while(u8g2.nextPage());
      if (digitalRead(5) == HIGH) {
        delay(300);
        wss = wss + 1;  //晚上小时的时间设置
        if (wss >= 24) {
          wss = 0;
        }
        EEPROM.put(41, wss);//将晚上小时的时间设置写入EEPROM地址41
      }
      if (digitalRead(6) == HIGH) {
        delay(300);
        wsf = wsf + 1; //晚上分钟的时间设置
        if (wsf >= 60) {
          wsf = 0;
        }
        EEPROM.put(51, wsf);//将晚上分钟的时间设置写入EEPROM地址51
      }
      if (digitalRead(7) == HIGH) {
        delay(300);   //如果7号按钮被按下则退出程序返回界面
        A = 0; break;
      }
      if (digitalRead(4) == HIGH) {  //如果4号按钮被按下则退出程序返回界面
        delay(300);
        A = 0; break;
      } } }
  if (digitalRead(7) == HIGH) {  //如果7号管脚被按下则3盏灯全部熄灭
    pinMode(A1, OUTPUT);
    digitalWrite(A1,LOW);
    pinMode(A2, OUTPUT);
    digitalWrite(A2,LOW);
    pinMode(A3, OUTPUT);
    digitalWrite(A3,LOW);
  } }
标签： 人工智能 c语言 单片机
本文转载自: https://blog.csdn.net/qq_53676406/article/details/128477639
版权归原作者 icy、泡芙 所有， 如有侵权，请联系我们删除。
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