智能药盒的设计与实现

实验题目：智能药盒的设计与实现

课程简要信息

课程名称：电子系统设计

课程学时：32学时

项目学时：课内8学时、课外8学时

适用专业：电气工程及其自动化、自动化、电子信息工程、通信工程

学生年级：二年级（第四学期）

实验内容与任务

自主设计智能药盒，可提醒使用者按时按量服药，同时监测健康和环境数据。完成硬件和软件设计方案，系统由单片机控制的智能药盒硬件和配套的移动APP组成。

（1）基本任务：基于 STM32，经过对单片机和时钟电路的程序设计控制对应的传感器，通过显示屏输出当前信息，通过传感器确定药盒盖状态，提示患者服药。

（2）提高任务：增加健康检测功能，收集每次的心率以及血氧饱和度，存入历史记录，方便监测人的身体健康。

（3）设计APP，可设置吃药时间、次数、粒数等，还可以实时显示空气中的温度、PM10以及PM2.5的浓度。

实验过程及要求

（1）实验准备

硬件方面，准备 STM32 单片机、时钟电路、各类传感器（如温湿度、PM 传感器、心率血氧传感器）、显示屏、药盒盖检测传感器、蜂鸣器等；软件方面，安装 Keil MDK 开发环境和 Android Studio 用于 APP 开发。

（2）基本任务实现

在 Keil MDK 中编写程序，对 STM32 和时钟电路进行编程，控制传感器采集数据，通过显示屏输出当前信息，如时间、温湿度等。利用药盒盖检测传感器确定药盒状态，若到服药时间未打开药盒，触发蜂鸣器提醒。

（3）提高任务实现

添加心率血氧传感器，编写程序收集心率和血氧饱和度数据，存储到历史记录中。

3. 拓展任务实现

使用 Android Studio 开发 APP，实现吃药时间、次数、粒数的设置功能，实时显示空气中温度、PM10 和 PM2.5 浓度，同时与硬件端进行数据交互。

（4）实验要求

实验过程中要确保硬件连接正确，软件编程逻辑清晰，注意数据的准确性和稳定性。完成后对系统进行测试，保证各功能正常运行。撰写设计总结报告，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。

相关知识及背景

随着人口老龄化加剧与慢性疾病患者增多，按时服药和健康监测愈发重要。智能药盒整合了单片机、传感器与移动应用技术，能为用户提供便捷、高效的健康管理方案。STM32 单片机凭借强大的处理能力与丰富的外设接口，为系统搭建了稳定的控制核心。传感器技术则负责采集健康和环境数据，配套 APP 借助蓝牙通信，实现服药计划定制与数据实时交互，全面满足使用者健康管理需求 。

实验环境条件

设计实施需要实验资源，包括实验装置功能、实验仪器设备、设计软件工具、主要电子元器件等。

（1）硬件条件

核心控制板：STM32 系列开发板，例如 STM32F103C8T6，性能稳定且外设资源丰富，能满足系统控制需求。

传感器：药盒盖检测传感器（如霍尔传感器）、温湿度传感器（如 DHT11）、PM2.5 和 PM10 传感器（如 GP2Y1010AU0F）、心率血氧传感器（如 MAX30102）。

显示模块：如 12864 液晶显示屏，用于输出当前信息。

提醒装置：语音模块或蜂鸣器或震动马达，用于提醒患者服药。

电源模块：提供稳定的电源供应，可使用电池或外接电源适配器。

蓝牙模块：如 HC - 05，实现与移动 APP 的数据通信。

其他：PC板或面包板、杜邦线、按键等用于搭建电路和操作。

（2）软件条件

开发环境：针对 STM32 开发，使用 Keil MDK 软件进行单片机程序的编写、编译和调试；对于移动 APP 开发，使用 Android Studio（开发安卓 APP）。

驱动程序：各传感器和模块的驱动程序，确保硬件正常工作。

通信协议：采用蓝牙通信协议，实现硬件与 APP 之间的数据传输。

（3）其他条件

知识储备：掌握 STM32 单片机编程、传感器原理及应用、蓝牙通信技术、Android 开发等相关知识。

实验场地：具备基本电子实验设备的实验室，如万用表、示波器等，用于电路调试和故障排查。

教学目标与目的

（1）知识目标

掌握 STM32 单片机的工作原理与应用、编程和调试方法；熟悉各类传感器（如温湿度、PM、心率血氧等）的功能与使用，掌握传感器数据的采集和处理；了解时钟电路的设计和程序控制，掌握时间管理和定时提醒功能的实现；掌握移动 APP 开发的基本流程和方法，实现与硬件的通信和数据交互。

（2）能力目标

从需求分析、方案设计、硬件搭建到软件编程和系统调试的完整过程，培养工程实践能力和项目管理能力；培养团队协作精神和沟通能力，能够在小组中分工合作，共同完成实验任务。

（3）素质目标

让学生认识到科技对改善人们生活和健康的重要作用，增强学生的社会责任感和使命感；通过实验的成功，培养学生的自信心和成就感，提高学生的学习积极性和主动性。

教学设计与实施进程

智能药盒项目的教学设计与实施进程，包含多个阶段，引导学生完成从理论到实践的学习。

（1）课程导入（课内2学时）

介绍智能医疗背景，展示智能药盒的应用案例，激发学生兴趣。讲解实验目的、意义和要求，明确教学目标。

（2）知识点学习（课外3课时）

STM32 单片机基础：了解 STM32 系列单片机的特点、架构和开发环境（Keil MDK），查阅GPIO、定时器、串口通信等基本外设的使用。

传感器原理与应用：温湿度传感器、PM 传感器、心率血氧传感器、药盒盖检测传感器的工作原理、接口电路和数据采集方法。

蓝牙通信技术：蓝牙通信协议和工作模式，HC - 05 蓝牙模块的使用方法和配置过程。

移动 APP 开发基础： Android 开发环境（Android Studio）， Android 应用的基本架构、界面设计和数据交互方法。

（3）方案设计（课内2学时）

进行小组讨论，根据实验要求和所学知识，设计智能药盒的硬件电路和软件程序架构。绘制硬件电路图，编写软件流程图，确定各个模块的功能和接口。每个小组进行方案汇报，教师进行点评和指导，帮助学生完善设计方案。

（3）硬件搭建（课外3学时）

根据设计方案，选择合适的电子元件，在面包板上搭建智能药盒的硬件电路。对硬件电路进行测试，确保各个传感器和模块能够正常工作。

（4）软件编程（课外2学时）

根据软件流程图，使用 Keil MDK 编写 STM32 单片机的程序，实现传感器数据采集、时钟控制、药盒盖状态检测和提醒功能。使用 Android Studio 开发移动 APP，实现服药计划设置、数据显示和蓝牙通信功能。

（5）系统调试与优化（课内2学时）

将硬件和软件进行集成，对整个智能药盒系统进行联合调试。测试系统的各项功能，如服药提醒、数据采集、APP 交互等，发现并解决系统中存在的问题。根据测试结果，对系统进行优化和改进，提高系统的稳定性和可靠性。

（6）项目展示与评价（课内2学时）

每个小组进行智能药盒项目的展示，介绍项目的设计思路、实现功能和创新点。其他小组进行提问和交流，共同学习和分享经验。对各个小组的项目进行评价和总结，指出存在的问题和不足，提出改进建议和未来发展方向。

实验原理及方案

（1）实验原理

①核心控制原理

采用 STM32 单片机作为核心控制器，它具备强大的数据处理能力和丰富的外设接口。通过对其编程，可实现对各个模块的精确控制和数据交互。利用内部时钟电路提供精确的时间基准，以此为依据进行服药时间的判断和提醒。

②传感器检测原理

药盒盖状态检测：运用霍尔传感器，当药盒盖打开或关闭时，会使磁场发生变化，霍尔传感器根据磁场变化输出不同的电平信号，STM32 单片机读取该信号，从而判断药盒盖的状态。

温湿度检测：选用 DHT11 等温湿度传感器，其内部集成了感湿元件和测温元件，能将环境中的温湿度转换为数字信号，通过单总线协议与 STM32 进行通信。

PM2.5 和 PM10 检测：如 GP2Y1010AU0F 传感器，基于光学散射原理，当空气中的颗粒物通过检测区域时，会使光线发生散射，传感器通过检测散射光的强度来计算颗粒物的浓度，并将模拟信号转换为数字信号传输给 STM32。

心率血氧检测：以 MAX30102 传感器为例，采用光电容积脉搏波描记法（PPG）。通过发射特定波长的光到人体组织，再检测反射或透射回来的光信号，根据光信号的变化来计算心率和血氧饱和度。

③通信原理

蓝牙通信：使用 HC - 05 蓝牙模块，遵循蓝牙通信协议。它可以与 STM32 单片机进行串口通信，将采集到的数据发送到与之配对的移动 APP 上，同时也能接收 APP 发送的指令，实现数据的双向传输。

④提醒原理

当到达预设的服药时间且药盒盖未打开时，STM32 控制蜂鸣器发出声音或震动马达震动，以提醒患者服药。

（2）实验方案

①硬件方案

核心控制模块：选择合适的 STM32 开发板，如 STM32F103C8T6，连接时钟电路，为系统提供稳定的时钟信号。

传感器模块：将药盒盖检测传感器、温湿度传感器、PM2.5 和 PM10 传感器、心率血氧传感器分别连接到 STM32 的相应 GPIO 引脚，确保信号能够准确传输。

显示模块：可使用 12864 液晶显示屏，通过 GPIO 模拟串口通信协议与 STM32 连接，用于显示当前时间、温湿度、服药信息等。

提醒模块：将语音报警模块或蜂鸣器或震动马达连接到 STM32 的 GPIO 引脚，由单片机控制其工作。

通信模块：将 HC - 05 蓝牙模块与 STM32 的串口引脚相连，实现与移动 APP 的通信。

电源模块：采用电池或外接电源适配器为整个系统供电，确保电源稳定可靠。

② 软件方案

STM32 程序设计

初始化：对 STM32 的各个外设进行初始化，包括 GPIO、时钟、串口、定时器等。

传感器数据采集：编写程序定时读取各个传感器的数据，并进行处理和校准。

服药时间判断：根据内部时钟和预设的服药时间进行比较，当时间到达时触发提醒功能。

蓝牙通信：实现与蓝牙模块的通信协议，将采集到的数据发送到 APP 上，并接收 APP 发送的指令。

移动 APP 设计

界面设计：设计简洁美观的用户界面，包括服药时间设置、次数设置、粒数设置、数据显示等功能模块。

蓝牙连接：实现与 HC - 05 蓝牙模块的配对和连接，确保数据能够正常传输。

数据处理与显示：对接收到的数据进行处理和分析，并以直观的方式显示在界面上，如图表、数字等。

数据存储：将采集到的健康数据和环境数据存储到本地数据库，方便用户查看历史记录。

（3）设计样例

本设计采用模块化设计的方法，以单片机为核心设计一种智能药盒。采用电源模块为整个系统提供稳定直流电源，采用时钟模块负责计算当前实时时间，显示模块负责时间及其他参数的显示，蜂鸣器接收单片机发送来的信号完成声音信号的提醒，重量采集模块检测药盒是否有药，智能感应模块在吃药时间到后检测药盒是否打开，温湿度采集模块检测当前药盒环境，吃药时间到后报警模块进行声光提醒，通过按键还可以设置吃药的数量和种类。系统设计方案如图 1 所示。

图1 系统设计框图

智能药盒的整体硬件接线图如图 2 所示。

图2 系统硬件连接图

主控模块采用了 STM32F103C8T6 单片机。该单片机具有较高的计算能力和处理速度。核心板有 40 个可用引脚进行输出，另外还有程序下载口和单片机单独供电电源口。同时具有丰富的外设，包括多个通用 IO 口、定时器、串口、SPI、I2C 等，方便与其他设备进行通信和交互。STM32 特点：①STM32C8T6 系列的起振晶部分采用RTC，低负载的方式，而没有像传统的比较廉价的圆柱晶振。②工作频率为 72MHz。③具有 3 个普通定时器和1个高级定时器。④具有2个2位 /16 通道的 ADC 模数转换。⑤使用了 3.3V 稳压芯片，可以保证最大输出300mA电 流。⑥支持 ST-LINK和JTAG调试下载。存储资源为64kb byte FLASH和20byte Sram。

时钟模块采用了 DS1302 芯片，该芯片是一款高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态 RAM，采用SPI 三线接口与 CPU 进行同步通信，具有掉电保存，当给电路断电的时候时钟电路有一个电子，通过二极管单向导通可以使时钟保持行走。可以实时显示当前时间，并且不需要每次开机重新设置。

温湿度采集模块采用了DHT11 数字温湿度传感器，该传感器具有极高的可靠性与稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接。主要负责检测当前药盒所处环境的温湿度。以供使用者实时了解当前环境是否还能继续放置药物。具体流程图如图 3 所示。

图3 温湿度采集流程图

显示模块采用LCD，它具有体积小、功耗低、超薄等优点，被广泛用于各种电子产品中。所以本文采用了液晶屏，液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，通电后就可以显示出图形、文字。

无线传输模块采用 ESP8266 无线串口模块作为数据发送模块。ESP8266 模块是一款超低功耗的 UART-WiFi透传模块，功能非常强大，通信距离很远，价格低，体积小，方便嵌入任何产品，功能强大内部跑 LWIP 协议，支持 AP，STA，AP+STA 三 种 模 式，简洁高效的AT指令。ESP8266 无线模块工作电压是 3.3V，单片机5V 电压满足其工作电压要求，而且体积很小，价格非常便宜。在本次设计中用于单片机和手机之间的无线通信，通过WiFi 模块，单片机将温湿度和药品重量值发送给手机端，最后显示在 APP 上。

具体流程为首先初始化波特率为 115200，配置 WiFi 模式为 AP 热点模式，设置 WiFi名称和密码，通过串口把指令发送出去，建立多路连接模式（可由一个或者是多个 ESP8266向手机端发送数据），配置端口号为 8080，开始发送数据，发送完成。

手机 APP 模块，可以远程进行时间设置和药物名称和数量的设置，并同步于药盒。在药盒到达吃药时间或药物缺少时手机 APP 将会进行智能语音播报，还可同时远程关闭药盒警报。具体操作流程为：①进入手机 APP 连接药盒自带WiFi。②点击连接与药盒进行连接。③进行时间以及药物设置。④点击传输将设置数据同步于药盒。⑤在到达吃药时间后点击已经吃药关闭所有报警。

软件所实现的功能是：首先 WiFi 模块串口初始化，DHT11 温湿度传感器初始化采集当前环境温湿度，HX711压力采集当前药盒重量，DS1302 初始化完成后显示当前的时间，并实时地显示在 LCD1602 上，在系统记录下3 次用药时间，调节好系统时钟后系统开始运行，在运行的过程中，报警模块进行声光报警提醒吃药，并且判断相应的数量和种类是否确定，同时智能感应模块开始运行检测药盒是否打开，打开后自动关闭报警。在这个过程的同时也实时检测当前药盒药物数量，当检测到药盒中药物缺失时便会发声光提醒，提醒使用者增添药物，并在增添药物后自动关闭报警。在打开手机APP并和药盒连接后，WiFi模块开始运行将所有数据传送至手机APP；当手机APP有新数据时，WiFi模块再次运行将数据同步至药盒。系统软件流程图如图4所示。

图4 系统软件流程图

实物如图5所示。

图5 实物图

手机APP如图6所示。

图6 手机APP设置

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

（1）标题与摘要

标题：需简洁明了，准确反映实验主题，如 “基于 STM32 的智能药盒设计与实现”。

摘要：概括实验目的、方法、主要结果和结论，篇幅控制在 200 - 300 字。内容要突出实验的创新点和关键成果，让读者快速了解实验的核心内容。

（2）引言

研究背景：阐述智能药盒在医疗健康领域的重要性，介绍当前智能药盒的发展现状，分析现有产品存在的问题或不足，说明开展本实验的必要性。

实验目的：清晰、具体地描述实验想要达成的目标，如设计并实现一个具有服药提醒、健康和环境数据监测功能的智能药盒，掌握 STM32 单片机、传感器及移动 APP 开发等相关技术。

（3）实验原理

核心控制原理：介绍 STM32 单片机的工作原理，说明其在智能药盒系统中的核心作用，以及如何通过编程实现对各模块的控制。

传感器原理：分别阐述药盒盖状态检测传感器、温湿度传感器、PM2.5 与 PM10 传感器、心率血氧传感器的工作原理，包括传感器的类型、工作方式、输出信号等。

通信原理：讲解蓝牙通信协议在智能药盒系统中的应用，说明 STM32 单片机与移动 APP 之间如何通过蓝牙模块进行数据传输。

提醒原理：解释系统如何根据预设的服药时间和药盒盖状态，触发提醒功能。

（4）实验方案

①硬件方案

硬件选型：列出实验所使用的主要硬件设备，包括 STM32 开发板、传感器、显示屏、蓝牙模块等，并说明选型的依据。

硬件电路设计：绘制详细的硬件电路图，标注各元器件的型号、参数和连接方式，对关键电路进行说明，如电源电路、传感器接口电路等。

②软件方案

软件架构设计：描述智能药盒系统的软件架构，包括 STM32 单片机程序和移动 APP 的整体框架，说明各模块之间的关系和数据流向。

程序设计思路：分别阐述 STM32 单片机程序和移动 APP 的设计思路，包括主要功能模块的实现方法、算法流程等。提供关键代码片段，并进行详细注释，说明代码的功能和实现原理。

（5）实验过程与结果

实验过程：按照实验的实际操作步骤，详细描述实验过程，包括硬件搭建、软件编程、系统调试等环节。记录实验过程中遇到的问题及解决方法，展示解决问题的思考过程和实践经验。

实验结果：以图表、数据等形式展示实验结果，如传感器采集到的温湿度数据、PM2.5 和 PM10 浓度数据、心率血氧数据等，以及服药提醒功能的测试结果。对实验结果进行分析和讨论，判断实验是否达到预期目标。

（6）总结与展望

总结：对整个实验进行全面总结，回顾实验目的、方法和主要结果，分析实验的成功之处和不足之处，总结实验过程中获得的经验和教训。

展望：对智能药盒的未来发展方向提出自己的见解和建议，如进一步优化系统功能、提高数据准确性、拓展应用场景等。

（7）参考文献

列出在实验报告撰写过程中引用的参考文献，包括书籍、论文、网站等，按照规范的引用格式进行标注。

考核要求与方法

全面评估学生在理论知识、实践操作、团队协作等维度的表现。从多个方面制定考核要求与方法，具体考核要求与方法如下表所示。

项目特色或创新

（1）多场景功能融合：将服药提醒与健康、环境监测功能整合，可提醒用户按时服药，还能持续收集心率、血氧等健康数据以及环境温湿度、颗粒物浓度数据，实现对使用者健康的全方位守护，满足多样化健康管理需求。

（2）个性化定制体验：配套 APP 可自由设置服药时间、次数与粒数，可生成专属健康报告，方便用户复盘和调整健康管理策略，让健康管理更贴合个人习惯 。

（3）拓展性强：基于开源的 STM32 平台开发，预留多个接口，便于后续功能拓展，如添加血糖检测模块、疾病预警功能等，适应未来医疗需求变化。

12.教学特色与创新

（1）以实际应用项目为背景，激发学生学习兴趣；

（2）案例任务层次化，因材施教；

（3）学生自主选择器件，给学生发挥空间，培养创新能力；

（4）两次演示和答辩，注重过程化考核，实现多元化考核；

（5）全过程思政融入，激励引导学生顺利完成实验任务。