基于Arduino 的家用智能藥箱

張力弓，蔣一筆，鄒林宏，印 松

（上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院，上海 201306）

目前，許多家庭中會(huì)常備一些藥物以應(yīng)對(duì)常見的疾病，例如治療感冒、咳嗽的藥品，但是這些藥品通常直到過期都極少被使用，而現(xiàn)有普通的家用藥箱缺少過期提醒功能，如果使用者稍不注意誤服過期藥物會(huì)導(dǎo)致意外發(fā)生[1]。此外，許多老年人會(huì)受一些慢性疾病的困擾，需要長(zhǎng)期服用各種藥品，因此，藥品的存放管理是必須面對(duì)的一個(gè)問題。許多家庭通常將藥品隨意存放在床頭柜、抽屜等地方，不僅容易造成找尋困難，甚至有可能導(dǎo)致小孩誤食藥品而威脅生命。同時(shí)，在無監(jiān)護(hù)人陪伴時(shí)，家中的老人或小孩經(jīng)常由于遺忘、視力不好等原因，容易出現(xiàn)錯(cuò)服、漏服藥品的情況[2]。

針對(duì)以上問題，基于Arduino 設(shè)計(jì)了一種具有藥品信息存儲(chǔ)功能的家用智能藥箱，該藥箱可實(shí)現(xiàn)對(duì)藥品的智能化管理，可監(jiān)控藥箱內(nèi)所存放藥品的保質(zhì)期，同時(shí)可以設(shè)置鬧鐘定時(shí)提醒用戶服藥，解決了現(xiàn)有藥箱存在的問題，可有效避免藥品誤服、錯(cuò)服、漏服的情況。

1 藥箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該家用智能藥箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。其箱體為三層抽屜結(jié)構(gòu)，每個(gè)抽屜通過隔板分隔成多數(shù)量的存儲(chǔ)格，抽屜兩側(cè)設(shè)置有滑軌，抽屜通過滑軌設(shè)置在箱體中，并在抽屜兩側(cè)設(shè)有電磁鎖，用以控制抽屜的開閉。在每層抽屜以及抽屜的存儲(chǔ)格中均設(shè)有LED 燈，用以指示藥品所處位置。觸摸顯示屏嵌在箱體的上表面，用于和用戶交互，通過觸摸顯示屏實(shí)現(xiàn)對(duì)藥箱的控制。上表面還設(shè)有開關(guān)，用以控制藥箱的開啟、關(guān)閉。箱體底部設(shè)有蜂鳴器，通過蜂鳴器向用戶發(fā)出聲音提醒，提醒用戶按時(shí)吃藥，或者提醒藥箱內(nèi)有藥品即將過期。箱體頂部設(shè)有電氣層，用以放置控制器、電源及繼電器等電氣元件。

圖1 家用智能藥箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

2 功能設(shè)計(jì)

家用智能藥箱主菜單界面設(shè)計(jì)如圖2 所示。該家用智能藥箱除具有現(xiàn)有家用藥箱的存儲(chǔ)功能外，還具有存儲(chǔ)藥品相關(guān)信息，自動(dòng)計(jì)算過期時(shí)間、及時(shí)提醒用戶更換，定時(shí)提醒用藥等功能。

圖2 家用智能藥箱主菜單界面設(shè)計(jì)

用戶通過電容觸摸屏編輯存放藥品的名稱、生產(chǎn)日期、保質(zhì)期、主要療效的相關(guān)信息，系統(tǒng)會(huì)依據(jù)藥品信息給出存儲(chǔ)位置建議供用戶選擇，用戶確定存放位置后，相應(yīng)層抽屜的電磁鎖開關(guān)被打開，使藥箱相應(yīng)層的抽屜沿導(dǎo)軌自動(dòng)彈出，同時(shí)存儲(chǔ)位置的LED 燈亮起，用戶將藥品放入后將抽屜關(guān)上，電容觸摸屏?xí)@示存放成功的字樣。

藥品取出過程與存放過程類似，用戶通過電容觸摸屏輸入藥品名稱或是藥品存放位置確認(rèn)所要取出的藥品，相應(yīng)層抽屜的電磁鎖開關(guān)被打開，使藥箱相應(yīng)層的抽屜自動(dòng)彈出，同時(shí)存儲(chǔ)位置的LED 燈亮起，用戶將藥品取出后將抽屜關(guān)上，電容觸摸屏?xí)@示存放成功的字樣。

通過藥品信息存儲(chǔ)系統(tǒng)，用戶可以查看藥箱中所存藥品的名稱、存放位置、過期時(shí)間等相關(guān)信息，并在藥品過期前30 d 通過藥箱底部的蜂鳴器提醒用戶及時(shí)處理，并通過電容觸摸屏顯示過期藥品相關(guān)信息。如藥品已過期，則會(huì)在藥品列表中顯示已過期的狀態(tài)，同時(shí)在用戶取藥時(shí)也會(huì)判斷藥品是否過期，以防止服用過期藥物導(dǎo)致意外發(fā)生。此外，用戶還可以根據(jù)醫(yī)囑，設(shè)置服藥鬧鐘，藥箱會(huì)在指定時(shí)間通過蜂鳴器和觸摸顯示屏提醒用戶服藥，最多可支持設(shè)置4 個(gè)服藥鬧鐘。

藥品建議部分列舉了多數(shù)家用藥箱中常備的列表清單供用戶參考[3]。用戶可以根據(jù)此清單來儲(chǔ)備藥品，以備不時(shí)之需，也可以在此基礎(chǔ)上添加自己需要的藥品。

3 控制部分

本文控制部分基于Arduino UNO 開發(fā)板設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)如圖3 所示，9 V 電源模塊為控制電路供電，Arduino 與電容觸摸屏使用I2C 方式通信，完成控制命令和數(shù)據(jù)傳輸，從DS1302 時(shí)鐘模塊獲取實(shí)時(shí)時(shí)間，并通過I/O 口控制指示燈、蜂鳴器、電磁鎖做出相應(yīng)動(dòng)作。

圖3 控制系統(tǒng)組成

3.1 Arduino UNO 開發(fā)板

相較于其他單片機(jī)（例如STM32 等）而言，Arduino具有編程簡(jiǎn)單、易于上手的優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格相對(duì)便宜。Arduino UNO 采用ATmega328 微控制器，有14 個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳、6 個(gè)模擬輸入引腳，支持UART 串口通信、I2C 通信和SPI 通信等多種通信模式?？赏ㄟ^官方提供的Arduino IDE對(duì)其進(jìn)行編程，使用便捷，并支持加載第三方的函數(shù)庫(kù)。

3.2 vLcds HMI 電容觸摸屏

Arduino UNO 與vLcds HMI 電容觸摸屏通過I2C 數(shù)字化串口連接，采用雙線（SDA、SCL）方式進(jìn)行雙向分時(shí)通信，該方式可以通過串口地址識(shí)別總線上的不同類型器件，是器件間主要接口類型。I2C 接口利用這兩條線上信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)物理比特傳輸，并按規(guī)定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行信息交換，完成控制命令和數(shù)據(jù)傳輸[4]，其具體接線方式如表1 所示，VCC和GND 引腳分別連接Arduino 的5 V 和GND 引腳，為觸摸屏供電；SDA、SCL 引腳連接Arduino I2C 通信接口SDA 和SCL；INT 信號(hào)引腳連接Arduino 外部中斷復(fù)用端口D2，用于接收中斷觸發(fā)信號(hào)，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。

表1 Arduino UNO 與vLcds HMI 電容觸摸屏接線方式

3.3 MH 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊

MH 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊集成了DS1302 實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片、32 768 Hz晶振和CR2032 紐扣電池。在Arduino 控制程序中通過DS1302 函數(shù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)DS1302 時(shí)鐘芯片獲取時(shí)間、日期等信息。使用DS1302_SetTime 函數(shù)設(shè)置當(dāng)前時(shí)間和日期，把程序燒錄至?xí)r鐘芯片后將該命令注釋掉，再次燒錄，所設(shè)置時(shí)間便儲(chǔ)存在時(shí)鐘芯片的內(nèi)存中。使用DS1302_GetTime 函數(shù)將實(shí)時(shí)的時(shí)間、日期信息作為返回值輸出，即可獲得實(shí)時(shí)的時(shí)間、日期信息。當(dāng)藥品的生產(chǎn)日期和保質(zhì)期信息被錄入后，控制程序自動(dòng)計(jì)算過期時(shí)間，通過比較實(shí)時(shí)日期以判斷藥品是否過期。

3.4 電磁鎖開關(guān)

藥箱的單層抽屜采用12 V 四線電磁鎖開關(guān)進(jìn)行控制，由單獨(dú)的12 V 電源模塊供電，使用Arduino 的數(shù)字I/O 引腳驅(qū)動(dòng)繼電器對(duì)其進(jìn)行控制，只需對(duì)其提供0.5 s 的高電平即可開啟。該電磁鎖除電源線和接地線外，還有2 根線，具有檢測(cè)開關(guān)狀態(tài)的功能，根據(jù)不同的返回值，可以對(duì)電磁鎖開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行判斷，進(jìn)而判斷單層抽屜的開關(guān)狀態(tài)，從而避免忘記關(guān)閉藥箱情況的發(fā)生。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的家用智能藥箱相較于傳統(tǒng)藥箱實(shí)現(xiàn)了對(duì)藥品信息的存儲(chǔ)與管理，且方便存取，可提醒人們藥品過期，對(duì)常見病癥可提供用藥建議，具有傳統(tǒng)家用藥箱不具有的智能化功能。同時(shí)為適應(yīng)智能家居的發(fā)展，這套信息存儲(chǔ)系統(tǒng)可應(yīng)用于智能衣柜、智能冰箱等其他智能家居領(lǐng)域。未來，還可以設(shè)計(jì)配套的手機(jī)應(yīng)用程序，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，能夠隨時(shí)隨地了解家中藥箱的一切情況，避免家中常備藥品過期情況的發(fā)生。