蓝牙智能语音胰岛素储存箱设计与实现

刘丽娟，刘仲鹏，王健

（1.河北农业大学信息科学与技术学院，河北保定 071000；2.保定学院教务处，河北保定 071000；3.国家税务总局大名县税务局，河北邯郸 056900）

0 引言

许多糖友对胰岛素的保存不够重视，经常把胰岛素注射笔储存在冰箱里。由于家用冰箱温度控制不精确，无法保证胰岛素存储温度的稳定，因此胰岛素注射笔不适合存放在普通冰箱中，这是因为温度的变化会降低注射笔的使用寿命，影响药效。而我们的蓝牙智能语音半导体胰岛素储存箱能够很好地解决这个问题[1]。

本产品支持多种不同的供电方式，例如较为常用的家用交流电源、锂电池，甚至可采用车载电源。该储存箱可以通过与手机蓝牙配对进行智能手机控温，并可在液晶显示屏上显示对应的温度，适合于糖尿病患者在各类场合中冷藏贮存胰岛素，是糖尿病患者理想的便携式胰岛素贮藏盒。本产品给糖尿病患者的生活和工作带来了许多的方便，使胰岛素的存储和使用变得不再困难，具有结构简单、制作成本较低、节能环保的优点。

1 总体设计

1.1 研究目的和意义

研究制作此类小巧、便携、供电方式多样的胰岛素储存箱，为广大糖尿病患者开辟了专用空间来储存药物，避免了胰岛素与其他物品混杂储存产生的污染情况，并为胰岛素药品的存放提供了一个安全稳定的储存空间。

本次研发的蓝牙智能语音半导体胰岛素储存箱采用的半导体无氟制冷技术，可以使冷藏箱瞬间制冷，使其性能更加稳定。本产品具有智能控温功能，控温功能由智能电脑芯片控制实现，可以做到箱内温度精确可控。本设计还配有LED双制式摄氏、华氏可调温度显示系统，可以实时反馈箱内温度，该显示系统具备抗低温特性，使用寿命长的特点。

1.2 研究目标和研究方案

1）研究目标

Care-box 蓝牙智能语音半导体胰岛素储存箱具有以下功能。

①显示日期时间、温湿度；

②通过GSM短信控制开关；

③通过蓝牙指令控制开关；

④通过红外遥控控制开关；

⑤温湿度超出设定值向绑定的手机号码发送提示短信；

⑥利用PC 上位机进行定时操作（执行时进行语音播报）和校对日期；

⑦利用PC 上位机设置温湿度上限，绑定手机号码等。

2）研究方案

查阅文献资料，将储存箱与手机蓝牙连接，用计算机程序设计语言进行手机App的控制，以及了解各模块的详细参数，最终确定控制方案为Arduino 板执行动作、采集数据，GSM 短信[2]、手机蓝牙、红外遥控、电脑进行上位机控制。

控制系统的总体结构设计包括监测模块设计和控制模块设计，监测模块设计包括硬件电路设计、温湿度信息采集；控制模块设计包括基于手机蓝牙、红外遥控、电脑上位机、控制指令的处理设计、整机制作、调试等。

1.3 产品创新点

1）HC-06 蓝牙模块，可以与手机的蓝牙配对通信，实现手机实时了解胰岛素储存箱的工作状态，控制胰岛素储存箱的温度。

2）MP3-TF-16P 语音模块，通过简单的几个串口指令就可以完成语音播报功能，以及定时语音提示等功能。本设计的语音库可以在指定时间或温度到达指定温度时，进行定时服药提示。

3）DHT11 型号的温湿度传感器可以检测温湿度并输出数字信号，采集存储箱外部温湿度。此传感器价格低廉，性能稳定。

4）DS1302时钟芯片模块，可以显示万年历。

2 系统各功能模块设计

Care-box 蓝牙智能语音半导体胰岛素储存箱主要包括以下几部分：制冷半导体制冷片、OLED 显示屏、时钟模块、温湿度传感器、蓝牙模块与语音提示模块[3]。以下介绍控制系统的硬件设计与功能。

2.1 语音提示模块

本设计使用的Mp3-TF-16P 软件支持TF 卡驱动程序，以及FAT16、FAT32 文件系统。通过一个简单的串行命令，可以播放指定的语音内容，同时还可以设置定时语音提示等功能，只需要简单的底层操作，这也是本设计的特别之处[4]。此模块有以下功能。

1）支持多种采样率:8/11.025/12/16/22.05/24/32/44.1/48(KHz)。

2）24 位数字模拟转换器输出，动态范围支持90dB，信噪比支持85dB。

3）完全支持FAT16、FAT32 文件系统，最大支持32G的TF卡。

4）多种控制模式可选：输入/输出控制模式、串口模式、AD 按键控制模式。

5）广播语插播功能，实现开机提醒模式、温度即时播报等功能。

定时播报功能，通过定时调控，提醒用户每天服用的时间，停止自动提醒停顿期和延期时自动开始下一个阶段。而且此模块选用了系统芯片方案，增加了一个aDSP，对音频进行硬解码以达到高品质的音质音色，同时，硬解码的方式抗干扰性更强，也保证了系统的稳定性。

串口通信协议：串口是一种在许多领域常用的通信方式，对此模块我们进行了特别的优化处理，加入的Frames的校验、重发、错误处理等措施，大大增强了通信的稳定性和可靠性，同时可以在此基础上扩展更加强大的RS485，进行组网功能。串口的Communication baud rate 可自行设置，默认通讯标准为9600bps，通过串口接受上位机发送的命令，并且支持异步串口通讯模式。模块返回的数据包含以下五部分。

1）模块在关键地方进行数据返回，供用户掌握模块的工作状态。

2）模块上电初始化成功的数据和模块播放完当前温度的数据。

3）模块成功接收到指令返回的ACK(应答)。

4）模块接收一帧数据出错（包括数据没收完整、校验出错两种情况）。

5）模块在繁忙时，有数据过来，模块会返回忙的指令。

2.2 散热模块

散热器如图1所示，其主要功能是散热，在本产品中是把半导体的热量传给空气，防止半导体制热端过热。物理学上，温差越大则导热越快，本设计的散热功能正是利用了这个原理。要解决导热和散热的问题，首先要将热量从半导体中导出，再把热量传递到空气中。目前来讲，铜适合导热，铝适合散热。但是单靠铜的导热还不够出色，本产品采用了导热效率极好的热管。

图1 初型风冷

根据气液转换热量交换定理，液体转换气体吸收热量，反之释放热量，这即是热管的工作原理。热管就是一根空心铜管，内部填充了相变冷却液，这种液体低温状态下是液体，在半导体发热端吸热液体转气体，在风扇端再液化为液体散发热量，利用这个过程来实现高效的热量转移。常见的散热设计有以下三种。

1）初型风冷。把一块铝压在发热的物体上，热量通过进入铝再被风扇传给空气这样一个过程，效果不佳。

2）初型＋铜柱的风冷。初型增强版，通过使用导热效率更高的铜柱嵌入铝块中，这样半导体的热量会被铜柱更快地传出，相比初代的热量传输效率提高了百分之四十，但是效果依旧没有达到预期。

3）初型加热管的设计。相变冷却液的效果十分明显，热管首先把热量传递给散热鳍片，然后风扇给热管和铝块散热。经过反复试验，最终选择了这种热管加铝块的散热模块。

而常规的热管加铝块风冷的风道往往是相垂直的，但这种设计需要较大的空间，基于空间的限制，采用散热器的下压式设计，将风扇和散热底座处于一条直线，在有限的空间里得以发挥出最大的散热效力。

2.3 传感器模块

DHT11 数字温湿度传感器是一种多功能复合传感器，如图2所示，具有校准的数字信号输出能力，具有温度和湿度数据传感和专业数字模块数据采集技术所保证的稳定性和数据可靠性。这些传感器由高性能的8 位单片机连接，而且ESP32CAM 使用封装结构，不需要复杂的接线操作，接上接口就可以使用，同时也对产品未来的维护降低了门槛[5]。本设计将其应用于视频采集系统，通过对最小系统的编程，将收集到的音视频储存在SD 卡中。后期可搭建出Wi-Fi 环境，将视频传到用户手机中，进行实时监控，下载及回放等。

图2 DTH11数字温湿度传感器

2.4 时钟芯片模块

DS1302是一个DALLAS涓流充电时钟芯片，如图3所示，它功耗低、性能高，还能对时间计时，不仅可以精确到秒，而且拥有定时提示的功能。该芯片包含一个能够计时、显示万年历的闹钟以及一个静态随机存储器，三者通过接口与Ardunio 进行通信。DS1302 实时时钟不仅可以精确到秒，还可以提供分、小时、日期、月、年等信息。芯片自带了精确校验日期的功能。

图3 DS1302时钟芯片

DS1302 实时时钟芯片广泛应用于电话、传真、便携式仪器等领域，其主要性能指标如下。

1）DS1302 是一种精确到秒数，还可以提供小时、日期、月、年等信息的时钟芯片。

2）拥有31字节数据存储RAM。

3）与其他芯片相比，DS1302 的运行电压较宽，可在2.0V 至5.5V 之间正常运行，对于本产品的实际应用具有重要意义。

DS1302 可以实时记录一个具有特定意义的数据节点，从而实时地记录每一个数据和其他数据发生的时刻。首先通过分析长期连续的测控系统得到的结果，然后寻找出异常大小数据。DS1302 是美国公司的最新产品，与旧版本的DS1202 相兼容，但随着针硬件部分的主电源和备用电源双功能电源针硬件组成部分的使用而增加，它还具有在缓慢的微电流中为备用电源充电的功能。DS1302 型号在时钟电路内具有临时参数的RAM 寄存器。传统的时钟只能记录时间而不能记录异常的状态出现异常的时间，所以使用DS1302是这款制冷器的不二选择。

2.5 半导体制冷片

从理论上来看，半导体的冷却芯片只能看作是传走热量的工具。虽然冷却芯片会主动为芯片散热，但为了散热的制冷端工作过程中也会产生额外的热量。半导体的冷却芯片是以半导体材料的热电效应为原理，选用优质的半导体材料以及高精工艺，并不断改进，利用这种原理设计制造出可以应用的半导体电子制冷器件温差电制冷组件，此器件又被称为电子制冷芯片或制冷芯片(半导体制冷片)，如图4所示，英文为:Thermoelectric Cooling Module，简称TEC。在冷却芯片运行过程中，只要冷热两端存在温度差，热量就会不断地通过晶格从高温处传往低温处，热量会被移动到冷端并通过热电效应的制冷端。通过散热系统，降低热端的温度，从而使半导体制冷片的工作效率提高，让冷端的温度更符合胰岛素储存的温度。当冷热两端之间的温差达到一定程度时，冷热两端之间的传热是平等的，两端将达到一个平衡点。在这段时间里正极和负极之间的传热彼此抵消。这样会导致冷热两端的温度保持不变，但是为了让温度可以达到更低，本设计通过散热系统，降低热端的温度，从而使半导体制冷片的工作效率提高，让冷端的温度更符合胰岛素的储存条件。

图4 半导体制冷片

此种制作与传统制作技术相比具有结构简单，可靠性高、无噪声、无损害、无污染；制冷速度快，控制方便；热电堆可以随意操纵，其形状和大小可以人为地改变。由于上述优点，该技术在国内外得到了广泛的推广。半导体制冷片体积小、重量轻，微型半导体制冷片可以小到几十克甚至几克重；无机械传动部件，工作时不产生噪声，液气不发生转换，所以不会污染环境；制冷参数不受环境影响，在机械过载状态下，仍能正常工作；可连续不间断工作且容易安装。

半导体制冷片有两种功能，既可以制冷，也可以加热，虽然制冷效率不是很高，但制热效率非常高，远远大于1。因此使用一个制冷片就可以进行两边独立的制冷和加热。

半导体制冷片采用电流换能的原理，可以通过改变电流的方向和大小来控制制冷。半导体制冷片具有高精度控温功能，再加上采集温度模块和蓝牙控制温度模块，与手机蓝牙配对通信实现远程控制，通过手机跟踪温度变化并实现温度控制。

半导体制冷片具有很小的热惯性，制冷制热效率高，在冷端空载并且热端散热良好时，制冷片两端一分钟内就可到达最大温差。半导体制冷片可以在零下100℃到90℃的温差范围内调节。

2.6 蓝牙模块

蓝牙模块是具有无线连接功能的用于短程数据交流的电路soc模块。作为取代有线数据连接的短距离无线通信实现方案，蓝牙支持与现代智能设备进行无线通信，蓝牙模块一般是由芯片、PCB板、稳定电路的其他组件构成。蓝牙模块可以与手机蓝牙配对通信，通过手机App实时观察储存箱的工作情况[6]。

3 总结

本产品基于Internet of things，采用手机蓝牙通信，红外遥控，以半导体制冷片为核心，实现对温湿度的检测和显示、时钟读写和显示、对十几个继电器的操作与状态显示的功能。支持与蓝牙、电脑、手机软件的串口通信，支持与温湿度传感器、液晶显示屏的通信，实现了GSM、蓝牙、语音控制等多种控制方式以及超过温湿度上限的报警模式[7]。

本产品主要针对需要用胰岛素治疗的糖尿病患者，在患者外出时，方便携带与储存胰岛素。应用于消费级的便携式胰岛素冰箱更多地注重温控功能，但是人箱交互方面并未被各厂商和研究人员所重视。而胰岛素的需求者往往是老年人群，如果没有简单合理功能全面的操作设定，很容易导致使用者因使用不规范而使药品出现变质情况的发生。为此，本产品采用了DHT11的温湿度传感模块，在保证了温控功能的前提下，利用扩展性，添加了DS1302时钟芯片模块与HC-06蓝牙模块、DHT11数字温湿度采集模块、MP3-TF-16P语音模块使得用户可以在更多设备上查看并遥控冷藏箱，降低了用户使用门槛，提高了便捷性。