STM32智能药盒开发：硬件选型与软件设计详解

1. 项目背景与需求分析

作为一名嵌入式开发工程师，我最近完成了一个基于STM32的智能药盒项目。这个项目的灵感来源于家中老人经常忘记按时服药的问题。传统药盒虽然能分装药物，但缺乏提醒和监督功能，导致漏服、错服的情况时有发生。

智能药盒的核心需求可以归纳为以下几点：

• 定时提醒功能：在预设时间发出声光提醒
• 服药记录功能：记录每次服药情况
• 远程监控功能：家属可通过手机查看服药情况
• 防误服设计：避免重复取药或错误取药

2. 硬件系统设计

2.1 主控芯片选型

经过对比STM32系列多款芯片，最终选择了STM32F103C8T6作为主控芯片，主要基于以下考虑：

• 72MHz主频足够处理本项目需求
• 64KB Flash和20KB SRAM满足程序存储需求
• 丰富的外设接口（USART、SPI、I2C等）
• 低功耗特性适合电池供电场景
• 性价比高，开发资源丰富

2.2 外围电路设计

2.2.1 电源管理模块

采用TP4056锂电池充电管理芯片，支持5V USB输入，搭配18650锂电池供电。实测在正常使用情况下，2000mAh电池可维持约2周续航。

2.2.2 显示模块

选用0.96寸OLED显示屏（SSD1306驱动），分辨率128x64，通过I2C接口与主控通信。相比LCD屏，OLED具有更低的功耗和更好的显示效果。

2.2.3 时钟模块

使用DS3231高精度RTC模块，确保时间精准。实测月误差小于1分钟，完全满足日常使用需求。

2.2.4 提醒模块

包含蜂鸣器和LED指示灯。蜂鸣器采用有源蜂鸣器，驱动简单；LED使用RGB LED，可通过不同颜色表示不同状态。

2.2.5 通信模块

采用ESP8266 WiFi模块实现联网功能，通过AT指令与主控通信，将服药数据上传至云平台。

2.2.6 药盒机械结构

设计为7格旋转式结构，每格对应一天的不同时段。通过步进电机驱动旋转，配合光电传感器检测药格位置。

3. 软件系统设计

3.1 系统架构

软件系统采用分层设计：

• 硬件驱动层：负责各外设的底层驱动
• 中间件层：提供RTOS、文件系统等支持
• 应用层：实现业务逻辑

3.2 关键功能实现

3.2.1 定时提醒功能

c复制void alarm_check(void)
{
    RTC_TimeTypeDef current_time;
    HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &current_time, RTC_FORMAT_BIN);
    
    for(int i=0; i<MAX_ALARMS; i++){
        if(alarms[i].enabled && 
           alarms[i].hour == current_time.Hours &&
           alarms[i].min == current_time.Minutes){
            trigger_alarm();
            break;
        }
    }
}

3.2.2 服药记录功能

采用SPI Flash存储服药记录，使用FATFS文件系统管理。每条记录包含：

• 服药时间
• 药格编号
• 服药状态（已服/未服）

3.2.3 远程监控功能

通过MQTT协议将数据上传至云平台，数据结构如下：

json复制{
    "device_id": "123456",
    "timestamp": "2023-07-20T08:00:00",
    "compartment": 1,
    "status": "taken"
}

3.2.4 防误服设计

实现逻辑：

1. 当前药格未服药时，锁定其他药格
2. 检测到当前药格打开后，启动5分钟倒计时
3. 倒计时结束后如未检测到关闭动作，发送提醒通知

3.3 用户界面设计

采用状态机模式管理界面流转：

1. 主界面：显示时间、下次服药时间
2. 设置界面：设置闹钟时间、WiFi等
3. 记录界面：查看服药历史
4. 通知界面：显示提醒信息

4. 系统调试与优化

4.1 低功耗优化

通过以下措施降低功耗：

1. 主频动态调整：非活跃时段降至32MHz
2. 外设电源管理：不使用时关闭外设电源
3. 睡眠模式：无操作5分钟后进入STOP模式

实测优化后待机电流从15mA降至2mA。

4.2 机械结构调试

遇到的主要问题及解决方案：

1. 药格定位不准 → 增加霍尔传感器辅助定位
2. 电机堵转 → 加入电流检测和保护机制
3. 药格卡死 → 优化机械结构公差

4.3 无线通信稳定性

针对ESP8266断连问题，采取以下措施：

1. 增加心跳包机制（30秒间隔）
2. 实现断线自动重连
3. 重要数据本地缓存，网络恢复后补传

5. 项目成果与改进方向

最终实现的智能药盒具有以下特点：

• 7个独立药格，支持不同时段服药
• 精准的定时提醒功能
• 完整的服药记录系统
• 远程监控能力
• 平均续航时间10天

可能的改进方向：

1. 增加语音提醒功能
2. 实现药品库存管理
3. 开发配套手机APP
4. 支持多用户配置

在实际开发过程中，最大的挑战是机械结构与电子系统的协同设计。通过多次迭代和测试，最终实现了稳定可靠的系统。对于想要复现项目的开发者，建议先从电子部分入手，待功能验证完成后再进行机械结构的设计和调试。