一種多功能家庭智慧藥箱設(shè)計(jì)*

劉思辰，王 琪，張文軒，楊 飛

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安 710021）

1 引言

近年來隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能醫(yī)療產(chǎn)品逐漸興起。其中，“智能藥瓶”作為一種新型智能醫(yī)療產(chǎn)品，受到了廣泛關(guān)注。然而，對于老年人這一受眾群體，由于基礎(chǔ)病、慢性病多，需要長期服用的藥物較多且服用時(shí)間、用量不統(tǒng)一，再加上老年人記憶力、聽力視力等生理功能不如年輕人，按時(shí)、準(zhǔn)確、安全地服用藥物成為了一大難題。因此，本文設(shè)計(jì)了一款多功能智慧藥箱，通過采用GSM 通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對用戶服藥信息的監(jiān)測并通過短信形式告知監(jiān)護(hù)人，實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)人對患者服藥情況的遠(yuǎn)程關(guān)懷，提醒老年人精準(zhǔn)服藥。同時(shí)，藥箱還采用個(gè)性化的智能語音提醒設(shè)計(jì)，根據(jù)患者服藥的情況，分時(shí)、分次對老人服藥進(jìn)行智能提醒，讓使用者精準(zhǔn)服用藥物，防止患者錯(cuò)誤服用藥物而造成其他病癥和二次住院現(xiàn)象。家庭智慧藥箱操作便捷、功能完善，可以實(shí)現(xiàn)智能管理用藥時(shí)間、智能語音提醒、智能信息顯示等多種功能，減小了空巢獨(dú)居老人誤服、漏服藥及藥物霉變等安全隱患，具有廣闊的發(fā)展前景[1]。

2 系統(tǒng)功能分析

家庭智慧藥箱作為家庭安全服藥的重要紐帶，主要包括用戶服藥狀態(tài)檢測、藥盒溫濕度檢測、交互式觸摸屏控制、自動(dòng)開/關(guān)箱、服藥提醒及報(bào)警等功能，其基本功能組成如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)基本功能組成框圖

為實(shí)現(xiàn)用戶服藥狀態(tài)檢測，家庭智慧醫(yī)藥箱會(huì)夠記錄各種藥的數(shù)目與每次藥劑。通過光強(qiáng)采集器件來檢測家庭醫(yī)藥智慧管家的開閉狀態(tài)從而判斷用戶是否按時(shí)服藥。當(dāng)用戶沒有按時(shí)吃藥時(shí)，將會(huì)通過短信提醒用戶家人督促老人按時(shí)吃藥；當(dāng)藥量不足時(shí)，將會(huì)通過報(bào)警裝置提醒用戶及時(shí)添加藥物。這樣可以避免儲藥盒內(nèi)藥量不足情況的出現(xiàn)，體現(xiàn)出醫(yī)藥箱的智能化。

藥盒溫濕度檢測設(shè)計(jì)是針對傳統(tǒng)藥箱在設(shè)計(jì)時(shí)只考慮到提醒老人吃藥但忽略了測量藥品儲藏的環(huán)境信息的問題。設(shè)計(jì)藥盒溫濕度檢測模塊，可以讓用戶清晰知曉各個(gè)藥盒的具體狀況，保證藥品儲存安全。

交互式觸摸屏控制設(shè)計(jì)針對傳統(tǒng)藥箱多為黑白顯示，不利于老年人觀看及功能單一的問題。設(shè)計(jì)中采用彩色交互式智慧大屏，使用過程更加直觀便利。藥盒的溫濕度信息、藥品剩余情況等功能均可通過智慧屏幕觸屏操作。

自動(dòng)開/關(guān)箱功能是當(dāng)家庭醫(yī)藥智慧管家接收到用戶打開或關(guān)閉藥箱的命令后，由電機(jī)控制模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)打開/關(guān)閉藥箱，還可通過光敏監(jiān)測模塊監(jiān)測用戶是否開箱服藥。

家庭醫(yī)藥智慧管家能夠記錄各種藥品的類別與儲放時(shí)間[2]。服藥提醒及報(bào)警設(shè)計(jì)就是考慮到當(dāng)用戶沒有按時(shí)吃藥時(shí)，可通過短信或小程序的方式使家屬督促用戶服藥；當(dāng)藥量不足、儲藏環(huán)境不符合要求等情況發(fā)生時(shí)，通過報(bào)警裝置提示用戶進(jìn)行處理，使藥箱更加智能化。

3 智慧藥箱系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)具備語音提醒、環(huán)境監(jiān)測、液晶顯示、GSM 通信等多種實(shí)用功能的智慧藥箱，硬件部分選取STM32 為控制核心，由電源電路、LCD 觸摸顯示模塊、語音處理模塊、溫濕度及光敏檢測模塊、通信模塊和電機(jī)控制模塊等組成[3]，結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制器選擇ARM 體系的核心控制芯片STM32 F103VCT6，使用芯片內(nèi)部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）提供當(dāng)前時(shí)間和日期，通過LCD 觸摸屏設(shè)定服藥時(shí)間、實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前日期和時(shí)間、將預(yù)先錄入的語音作為提示音等。開啟鬧鐘后，當(dāng)用戶設(shè)置的鬧鐘到達(dá)指定時(shí)間時(shí)，智能藥箱系統(tǒng)將點(diǎn)亮藥箱底部的LED，并通過揚(yáng)聲器播放提示音，提醒用戶服藥[4]。本設(shè)計(jì)采用短信的方式來獲得穩(wěn)定便捷的通信。

3.2 主控模塊電路設(shè)計(jì)

智能藥箱的主控部分選用了STM32F103VCT6芯片作為核心控制芯片。主控芯片及其外圍電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 主控芯片及其外圍電路

此芯片擁有較大的flash 存儲器和SRAM，可用于存儲應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)，并提供多種接口和通信協(xié)議，如UART、SPI、I2C 等，滿足智能藥箱的各項(xiàng)功能需求。此外，STM32F103VCT6 還具備低功耗特性，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能操作，同時(shí)具備較高的時(shí)鐘速度和快速的數(shù)據(jù)處理能力，能夠有效地處理復(fù)雜的藥品數(shù)據(jù)和控制邏輯。穩(wěn)定可靠的性能和先進(jìn)的微控制器架構(gòu)使它成為智能藥箱系統(tǒng)中可靠的主控芯片選擇。

3.3 電源電路設(shè)計(jì)

智能藥箱在使用時(shí)，通常采用220V 家用交流電供電，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娫催m配器進(jìn)行功率電壓轉(zhuǎn)換，將家用220V 電壓轉(zhuǎn)換為12V 電壓為智能藥箱進(jìn)行供電，再采用變壓器和穩(wěn)壓器將電壓穩(wěn)定至3.3V，為智能藥箱主控芯片提供供電電源。電路原理圖設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 電源供電電路

3.4 環(huán)境溫濕度監(jiān)測

所設(shè)計(jì)的智能藥箱為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測功能，在每個(gè)藥格中裝有SHT31 溫濕度傳感器，可以對藥格中藥物的儲存環(huán)境起監(jiān)測作用，以免藥物藥性發(fā)生改變[5]。采用的SHT31 溫濕度傳感器允許寬電壓輸入，支持2.4V～5.5V。采用I2C 總線通信，通信速度最高可達(dá)1MHz。傳感器的精度為2%RH 和0.3℃。傳感器最大工作范圍-40 ℃～125 ℃，0～100%RH。SHT31 溫濕傳感器模塊電路如圖5 所示。

圖5 SHT31 溫濕傳感器電路

光強(qiáng)檢測使用了BH1750 光敏傳感器模塊作為檢測光強(qiáng)度的裝置。該裝置能夠精確地感知環(huán)境中的光照強(qiáng)度并輸出數(shù)字信號，方便微處理器進(jìn)行數(shù)字處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化的控制。BH1750 光敏傳感器模塊電路圖如圖6 所示。

圖6 BH1750 光敏傳感器電路

3.5 觸摸屏顯示控制

智能藥箱的顯示功能主要是顯示實(shí)時(shí)時(shí)間以及提示吃藥信息。該觸摸屏顯示模塊使用7.0 英寸IPS電容屏DC80480，其作用為顯示時(shí)鐘信息、溫濕度情況、服藥次數(shù)等。使用IPS 面板的優(yōu)勢是可視角度高、響應(yīng)速度快，色彩還原準(zhǔn)確且可以進(jìn)行多點(diǎn)觸控。顯示電路與主控芯片相連的接口電路如圖7 所示。

圖7 顯示電路與接口電路

3.6 短信提醒及報(bào)警

智能藥箱能夠記錄各種藥的數(shù)目與每次用藥劑量。當(dāng)用戶沒有按時(shí)吃藥時(shí)，將會(huì)通過短信提醒用戶監(jiān)護(hù)人督促老人按時(shí)吃藥；當(dāng)藥量不足時(shí)，通過報(bào)警裝置提醒監(jiān)護(hù)人及時(shí)添加藥物。這樣可以避免藥箱內(nèi)藥量不足，使藥箱更加智能化[6]。該模塊電路原理圖設(shè)計(jì)如圖8 所示。

圖8 GSM 模塊電路原理圖

通信模塊采用使用最廣泛的GSM 通信模塊。使用SIM800C 器件，具有藍(lán)牙、錄音、撥號、短信、彩信、TTS、GPRS、DTMF 等功能。該設(shè)計(jì)中GSM 通信模塊主要用于當(dāng)服藥時(shí)刻到達(dá)時(shí)，發(fā)送短信給用戶（吃藥使用語音播報(bào)提醒，不是短信）；當(dāng)用戶長時(shí)間不打開藥箱服藥，發(fā)送短信給其監(jiān)護(hù)人進(jìn)行提醒。

3.7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

電機(jī)模塊采用六個(gè)SG90 舵機(jī)，并通過驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)對電機(jī)旋轉(zhuǎn)的控制。通過主板的I/O 口控制74HC245 的6 個(gè)MI 端口，以增加舵機(jī)的帶載能力。需要開啟或關(guān)閉藥箱時(shí)，主控芯片給相應(yīng)I/O 口發(fā)送控制信號，即可通過主控制器控制舵機(jī)進(jìn)行藥箱的開關(guān)操作。電機(jī)模塊與主控芯片相連的接口電路如圖9 所示。

圖9 電機(jī)控制模塊電路原理圖

4 智能藥箱的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際用藥情況設(shè)置藥物信息，包含藥物名稱、現(xiàn)有藥物量、每次服藥的數(shù)量以及服藥周期[7]。在系統(tǒng)初始化完成后，判斷是否到達(dá)需要吃藥的時(shí)間，如果到達(dá)吃藥的時(shí)間，智能藥箱會(huì)發(fā)出語音提醒，同時(shí)通過顯示屏顯示需要服用的藥物信息并且將服藥情況通過短信發(fā)送給預(yù)先設(shè)定的用戶。當(dāng)選擇“開始吃藥”時(shí)，即開始10 分鐘倒計(jì)時(shí)，如果用戶在10 分鐘以內(nèi)沒有關(guān)閉藥箱，則將發(fā)出語音提醒其立即關(guān)閉藥盒。當(dāng)用戶點(diǎn)擊顯示屏上的“關(guān)閉藥箱”后，電機(jī)控制模塊會(huì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)去關(guān)閉藥箱，同時(shí)下一個(gè)服藥周期開始。當(dāng)?shù)竭_(dá)服藥時(shí)間，如果用戶仍未點(diǎn)擊開箱按鍵來服藥，則系統(tǒng)會(huì)在15 分鐘內(nèi)以每5分鐘為間隔進(jìn)行語音播報(bào)；如果在15 分鐘之后用戶仍未進(jìn)行服藥，則將發(fā)送短信通知家屬，輔助用戶進(jìn)行服藥[8]。智慧藥箱主流程如圖10 所示。

圖10 系統(tǒng)主流程圖

5 系統(tǒng)測試

通過多次對觸摸屏顯示模塊、語音提醒模塊、GSM 通信模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等進(jìn)行測試，可以得到如下各圖所示的測試結(jié)果。

如圖11 所示為觸摸屏顯示模塊測試結(jié)果，屏幕中顯示實(shí)時(shí)時(shí)間、溫度、濕度、藥品余量及藥箱設(shè)置按鍵，可供用戶進(jìn)行操作。

圖11 顯示模塊測試圖

如圖12 所示為語音提醒模塊測試結(jié)果，當(dāng)達(dá)到服藥時(shí)間，屏幕中顯示具體需要服用的藥品信息并進(jìn)行語音提示，以督促用戶及時(shí)服藥。

圖12 服藥提醒模塊測試圖

如圖13 所示為GSM 通信模塊測試結(jié)果，可在觸摸顯示屏中設(shè)定監(jiān)護(hù)人聯(lián)系電話以及發(fā)送短信的次數(shù)信息。

圖13 GSM 通信模塊測試圖

如圖14 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊測試結(jié)果，看到點(diǎn)擊開箱服藥按鍵后藥箱的打開/關(guān)閉狀態(tài)。

圖14 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊測試圖

6 結(jié)束語

多功能智能藥箱采取軟硬件結(jié)合的模塊化設(shè)計(jì)，配合3D 打印外殼，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上已近完備，可正常實(shí)現(xiàn)藥品狀態(tài)監(jiān)測、用戶服藥語音提醒、智能管理用藥時(shí)間、監(jiān)護(hù)人提示報(bào)警、自動(dòng)開關(guān)藥箱等多種功能。智能藥箱操作簡單，信息顯示直觀，能有效減少老年人誤服藥、漏服藥的安全隱患，符合未來醫(yī)療和健康管理的發(fā)展趨勢。因其價(jià)格低廉、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，適合在家庭、養(yǎng)老院等醫(yī)療護(hù)理場所逐漸普及，市場應(yīng)用前景廣闊。