基于边缘计算与多模态感知的服药依从性系统｜X604261

基于边缘计算与多模态感知的服药依从性系统｜X604261

STM32F103C8T6 + HX711 + HC-SR501 + ASRPRO + ESP8266 ｜ 硬件原理图 · 实物搭建 · App 界面 · MQTT 数据链路全解析

服药依从性（Medication Adherence）是决定慢性病长期治疗效果的关键变量。本系统以 STM32F103C8T6 为边缘计算节点，融合「称重式药量感知」与「红外人体感知」两类异构模态，在本地完成服药行为的采集、判别与语音干预，再由 ESP8266 经 MQTT 协议将结构化结果同步至移动端，从而构建「计划下发---到点提醒---行为判别---记录回传」的完整闭环。

一、项目基本情况

临床实践表明，慢性病患者的实际服药行为与医嘱之间存在显著偏差，漏服、错服与重复服用往往难以及时发现。传统的服药提醒手段（定时闹钟、药盒标记）只能完成「提醒」这一单向动作，无法回答「患者究竟有没有把药取走」这一核心问题，更无法形成可追溯的服药记录。本项目正是围绕这一空白展开设计。

1.1 设计目标与技术路线

系统面向家庭与社区养老场景，设计目标可归纳为三点：其一，以物理量替代主观确认 ------用称重传感器测量药品剩余重量的变化，将「是否服药」转化为可量化的重量差分判据，避免依赖用户手动点击确认；其二，以多模态融合提高判别可靠性 ------将人体红外感知与重量感知组合使用，只有「检测到人员靠近」且「检测到重量下降」两个条件先后成立，才判定为一次有效服药；其三，以边缘计算换取实时性------行为判别在 STM32 本地完成，语音提醒无需等待云端往返，即使网络中断也不影响提醒与判别功能。

技术路线上，系统采用「下位机 + 无线网关 + 服务端 + 移动端」的分布式结构。下位机由 STM32F103C8T6 与 HX711、HC-SR501、ASRPRO 语音模块、按键、LED 组成，通过扩展板与杜邦线连接，使用 Keil 5 开发；无线网关由 ESP8266（ESP-01S）承担，以 MQTT 协议接入消息中间件；服务端基于 JeeSite 平台与 Java SpringBoot 构建，使用 MySQL 持久化业务数据；移动端 App 通过 WebView 控件加载 H5 页面（由 HBuilder 编译生成），实现跨平台复用。

1.2 系统总体架构

系统在纵向上划分为四个层次，自下而上依次为感知执行层、边缘计算层、网络传输层与应用层。感知执行层负责物理世界的信号采集与动作输出；边缘计算层由 STM32F103C8T6 承担，完成时序调度、重量差分判别与依从性状态机运转；网络传输层由 ESP8266 与 MQTT 中间件构成，提供双向异步通信；应用层则由服务端与 App 共同承载服药计划的配置与服药记录的呈现。

▲ 图 1 系统总体架构：感知执行、边缘计算、网络传输与应用四层结构

1.3 系统功能构成

从功能视角看，系统可切分为硬件系统、软件系统与交付服务三个维度。硬件系统围绕「采集---判断---提示」展开，软件系统覆盖用户登录、终端管理、服药计划管理、服药记录查询与个人中心五类功能，交付内容则包含实物、源码、原理图与演示视频。

▲ 图 2 系统功能结构：硬件系统、软件系统与交付服务三个维度

1.4 硬件构成与器件选型

系统的硬件选型遵循「低功耗、低成本、接口简单」的原则。主控选用 STM32F103C8T6，其 Cortex-M3 内核运行于 72 MHz，具备充足的 GPIO 与多路串口资源，可同时挂载称重模块、语音模块与无线模块；药量感知选用 HX711 专用 24 位模数转换芯片配合应变式称重传感器，其分辨率足以识别单粒药片取放所引起的重量变化；人体感知选用 HC-SR501 被动红外模块，输出为数字电平，接口开销极小。各器件的具体接口对应关系如下表所示。

器件	型号 / 规格	接口方式	功能定位
主控 MCU	STM32F103C8T6（Cortex-M3，72 MHz）	---	系统控制核心，Keil 5 开发
称重采集	HX711 + 应变式称重传感器	串口（SCK→PB10，DT→PB11）	药量变化检测与服药判定
人体感知	HC-SR501 被动红外模块	GPIO（OUT→PA3）	人员靠近检测，触发语音提醒
语音交互	ASRPRO-2M 语音模块	串口（TX→PB5，RX→PB6，9600 bps）	服药提醒播报与操作确认
交互按键	轻触按键 SW2	GPIO（PC14，10 kΩ 上拉）	称重数据清零与初始重量校准
状态指示	3 mm 红色 LED	GPIO（PB1）	监测状态提示
无线通信	ESP8266（ESP-01S）	串口（TX→PA9，RX→PA10）	MQTT 数据上行与指令下行
供电模块	YL-00604 电源模块	USB 5 V 输入	输出 3.3 V / 5 V 双路供电

值得说明的是，HX711 承担的并非简单的「称重」功能，而是把连续变化的模拟重量信号转换为离散的服药事件。系统在初始化阶段由用户按下清零键记录药品初始重量，此后每次取药都会在该基准上产生一次可观测的负向跳变，这正是依从性判定的物理依据。

二、系统架构设计

2.1 硬件系统结构与引脚分配

硬件以 STM32F103C8T6 核心板为中枢，左侧为输入通道，右侧为输出通道，下方为供电单元。输入侧包含 HX711 称重模块、HC-SR501 人体红外模块与清零按键；输出侧包含 LED 状态指示灯、ASRPRO 语音模块与 ESP8266 无线模块。三路串口分别承担称重数据读取、语音指令下发与 MQTT 数据透传，彼此在物理层与逻辑层上相互独立，避免了功能耦合导致的相互阻塞。

▲ 图 3 硬件系统原理框图：主控、输入通道、输出通道与供电单元

2.2 硬件原理图

原理图使用嘉立创 EDA 绘制，按功能划分为 ESP8266 通信单元、人体红外单元、HX711 称重单元、按键单元、LED 指示单元、语音模块单元与 STM32F103C8T6 核心板单元六个功能区块。所有外设均就近去耦，按键通道配置 10 kΩ 上拉电阻以保证电平稳定，LED 支路串入限流电阻以保护 IO 口。原理图同时提供 schdoc、json、pdf 与图片等多种格式，便于直接投板打样或二次修改。

▲ 图 4 硬件原理图（嘉立创 EDA 绘制，含 STM32F103C8T6、HX711、HC-SR501、语音模块、按键、LED、ESP8266）

2.3 硬件实物

实物按原理图在扩展板上搭建完成，采用杜邦线连接各功能模块，便于演示与调试。称重传感器与 HX711 模块共同构成独立的药盒托盘：传感器一端固定于透明托板，另一端悬空承载药品，取药动作引起的形变经 HX711 转换为数字序列送入主控。主控侧自上而下依次布置 STM32 核心板、HC-SR501 人体红外模块、清零按键、ASRPRO 语音模块与 ESP8266 无线模块，底部为电源单元。

▲ 图 5 硬件实物：主控板、传感器与语音／无线模块的整机布局

▲ 图 6 硬件实物俯视接线：称重托盘、HX711 模块与扩展板走线

2.4 语音交互设计

语音模块采用 ASRPRO-2M，通过串口 0 与主控通信，波特率 9600 bps（TX→PB5，RX→PB6），使用天问 Block 图形化平台完成语音逻辑配置。系统的语音策略为**「按药品种类分条播报 + 循环提醒」**：主控在到达预设服药时刻后向语音模块下发对应指令码，语音模块播报该药品的名称与剂量；若在设定时间内未检测到人员靠近，播报将循环执行，直至检测到来人或完成服药。各指令码的对应关系如下表。

指令码	播报内容	触发条件
A01	服药时间已到，请服用奥美沙坦 2 片	到达奥美沙坦计划服药时刻
A02	服药时间已到，请服用阿司匹林肠溶片 2 片	到达阿司匹林肠溶片计划服药时刻
A03	服药时间已到，请服用碳酸钙 2 片	到达碳酸钙计划服药时刻
A04	用户完成服药	HX711 检测到重量下降并判定已服药
A05	称已清零	按下清零按键，完成初始重量校准

从上表可以看出，语音模块不仅是输出终端，同时也是一个语义化的状态反馈通道。「用户完成服药」与「称已清零」两条提示把主控内部的状态迁移显式地表达给使用者，降低了系统的使用门槛。

▲ 图 7 ASRPRO 语音模块指令配置（天问 Block）：上电初始状态与串口指令映射

2.5 软件架构与通信协议

服务端基于 JeeSite 平台构建，采用 Java SpringBoot 提供业务接口，MySQL 完成数据持久化，前端使用 Bootstrap 实现响应式布局。服务端内置 MQTT 客户端，通过订阅与硬件约定的主题实现数据交互；移动端 App 由 HBuilder 编译 H5 页面后，以 WebView 控件加载，使得同一套前端代码可同时运行于 Android 与 iOS 平台。

通信层采用 MQTT 协议，服务端可选用自建 EMQX 节点或公共节点（如 broker-cn.emqx.io），二者接口一致，便于在不同部署条件下切换。上下行主题以前缀 mybs 开头，并以客户端标识作为末级路径，从而实现多台设备的同时接入与相互隔离。

通信方向	主题	载荷内容
下行（上位机 → 硬件）	mybs/bsctr/{clientId}	服药计划：药品名称、服药时间、剂量
上行（硬件 → 上位机）	mybs/bsdata/{clientId}	服药结果：实际服用时间、服药状态

说明：{clientId} 由 ESP8266 芯片标识生成。本项目实测节点的标识为 2462AB65F2F2，因此实际订阅的主题分别为 mybs/bsctr/2462AB65F2F2 与 mybs/bsdata/2462AB65F2F2。调试阶段可借助 MQTT 客户端工具对通信过程进行实时监控。

2.6 边缘判别逻辑与数据交互时序

系统的核心判别逻辑运行于 STM32 一侧，可概括为一个四阶段的有限状态机：计划配置阶段 ，用户在 App 端录入服药计划，数据经服务端下发至主控，用户将药品放置于称重托盘并按下清零键，主控记录初始重量；提醒触发阶段 ，系统时间到达预设服药时刻后启动 HC-SR501，检测到人员靠近即通过语音模块播报提醒，未检测到人员则循环播报；状态判别阶段 ，人员取药后 HX711 采样值相对初始重量出现负向跳变，主控据此判定「用户已服药」，并将包含实际服用时间的结果上报；异常处理阶段，若到达服药时间后既未检测到人员靠近，也未检测到重量变化，系统判定「未按时服药」，将异常状态同步至 App 端并触发提醒。

▲ 图 8 系统数据交互时序：正常服药链路与异常（未按时服药）链路

三、系统界面展示

移动端采用九宫格主页导航结构，功能入口包括终端管理、服药计划管理、服药记录查询与个人中心四类。用户以手机号作为账号登录，登录成功后进入主页，可在同一界面内完成设备绑定、计划录入与历史记录检索等操作。

▲ 图 9 App 登录界面与首页九宫格功能导航

服药计划管理是系统的核心配置界面。每条计划以卡片形式呈现计划名称、药品名称、服用剂量、服药时间、提醒状态与服药状态六项信息，支持按药品名称或计划名称检索，并可通过卡片滑动调出「修改」与「删除」操作。新建计划时需填写基本信息的计划名称、药品名称、服用剂量与计划服药时间（每日），并可附加「事由」字段用于记录用药依据。

▲ 图 10 App 服药计划管理列表与服药计划明细编辑页

服药记录查询界面按时间倒序展示每一次服药行为，记录内容包含计划名称、药品名称、实际服用时间与服药状态四项。与计划界面不同，此处的时间为根据称重信息反推的实际服用时刻，而非计划时刻，因而能够客观反映患者是否存在延迟服药的情况。个人中心提供信息修改、密码修改与退出登录三项功能，并展示当前登录账号与用户名。

▲ 图 11 App 服药记录查询界面与个人中心

四、系统视频展示

为便于完整呈现系统的软硬件联动过程，项目配套录制了功能演示视频。视频以屏幕录制与实机拍摄交替切换的方式，依次演示 App 端服药计划的录入、主控端语音提醒的触发、取药动作引起的重量变化以及服药记录在 App 端的自动更新，并同步展示原理图与实物之间的对应关系。

▲ 图 12 功能演示视频封面

建议的观看顺序为：先观看无字幕的纯演示版本以建立整体印象，再观看带解说的版本理解各环节的技术细节，最后对照原理图与实物图复核硬件连接关系。视频文件与封面图随项目资料一并提供。

五、获取方法

源码与技术资料获取

1. 在本文评论区留言，或通过 B站 站内私信说明需求；
2. 说明需要的是「源码 + 原理图 + 硬件实物」的完整套装，还是其中的单项资料；
3. 收到回复后按指引提供接收方式，资料将由专人整理打包后发送；
4. 如需环境搭建协助或二次开发支持，可在联系时一并说明具体需求。

交付项	内容
硬件实物	按原理图搭建完成的整机一套（含称重托盘与各功能模块）
程序源码	STM32 下位机工程、服务端工程与 App 端工程
硬件原理图	嘉立创 EDA 工程文件及 PDF、图片导出
演示视频	功能演示视频（含封面图）
文档资料	接线与使用说明、业务流程说明

源码获取与技术支持备查：微信 xswzls；微信公众号：小豆豆物联网。项目的资料整理、硬件调试与技术支持由「小豆豆物联网」提供。