段俊玲，張 秀，趙曉文，劉旭東，王 朵，石春花

(長(zhǎng)治醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引言

對(duì)于突發(fā)性患者來(lái)說(shuō)，疾病的突發(fā)會(huì)導(dǎo)致他們?cè)诎l(fā)病時(shí)常常會(huì)因?yàn)闊o(wú)法及時(shí)吃到藥物或得到緊急救助而加重病情甚至失去生命[1]。除此之外，一些普通人在處于異常環(huán)境時(shí)也會(huì)因突發(fā)急癥而導(dǎo)致休克，所以，此現(xiàn)象急需得到解決。我們?cè)O(shè)計(jì)的這款新型救助藥盒，在基于STC89C51單片機(jī)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)智能化，新增了傳送藥品、定位通訊、急救報(bào)警等功能，操作簡(jiǎn)單、方便攜帶，擁有較高的實(shí)用性[2]。

1 設(shè)計(jì)目的

新型救助藥盒的設(shè)計(jì)主要是用來(lái)解決患有急癥的病人在發(fā)病時(shí)無(wú)法得到緊急救助以及普通人在處于異常環(huán)境而感到身體不適時(shí)無(wú)法得到緊急救助的問(wèn)題，以減少突發(fā)性休克的發(fā)生率。

2 設(shè)計(jì)方法

2.1 系統(tǒng)基本方案

◆單片機(jī)：采用C51單片機(jī)作為硬件主控電路的核心，其具有8位CPU、8KB程序存儲(chǔ)器(ROM)、256B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM) 、32條I/O口線和一個(gè)全雙工(UART)串行通信口，該I/O口可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間的串行通信[3]。

◆新型3D打印技術(shù)：本設(shè)計(jì)的機(jī)械裝置部分，采用新型3D打印技術(shù)，這一技術(shù)的理念是“分層制造，逐層疊加”。它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過(guò)電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(CAD)完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)上，運(yùn)用一些金屬、蠟、塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層增加材料來(lái)生成3D實(shí)體[4]。

◆通訊模塊：本設(shè)計(jì)的定位模塊采用的是ATGM336H-5N 模塊，該模塊和本設(shè)計(jì)的核心裝置單片機(jī)相連接，可實(shí)現(xiàn)通訊的功能。因?yàn)榫哂徐`敏度高、功耗低、成本低等特點(diǎn)，同時(shí)在短信監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有覆蓋面廣、設(shè)施完善等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位、導(dǎo)航與授時(shí)[5]，所以在車(chē)載導(dǎo)航、手持定位、可穿戴設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)遵循簡(jiǎn)單系統(tǒng)化原則，設(shè)計(jì)了三個(gè)部分，分別為按鍵部分、存藥和給藥部分、定位和發(fā)送報(bào)警信息部分。新型救助藥盒屬于一鍵式操作系統(tǒng)，如圖2所示。使用者按下按鍵的同時(shí)觸發(fā)機(jī)械裝置，啟動(dòng)傳送系統(tǒng)，將先前存放在藥盒的藥品快速推送到使用者口中，同時(shí)負(fù)責(zé)定位和通訊信息的單片機(jī)系統(tǒng)接收到程序指令后會(huì)迅速進(jìn)行定位并實(shí)行信息發(fā)送指令[6]。此時(shí)，蜂鳴器會(huì)根據(jù)MCU發(fā)出的命令立即產(chǎn)生相應(yīng)的聲音信號(hào)報(bào)警，以求得到身邊人的救助。這種設(shè)計(jì)不僅能夠使患者得到及時(shí)救治，而且與市場(chǎng)上現(xiàn)存單一功能藥盒相比，它具有集多功能于一體的智能化系統(tǒng)體系，操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。

圖1 機(jī)械裝置實(shí)物圖

系統(tǒng)總體框圖如圖 2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

2.3 硬件設(shè)計(jì)

智能藥盒的電路設(shè)計(jì)制作采用Protel99SE軟件，其具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力和3D模擬功能，可以完成電路原理圖、印制電路板、PCB版等豐富的設(shè)計(jì)功能[7]，其中最主要的是單片機(jī)控制電路，Atmega328p芯片、輸出IO接口電路、程序下載電路和電源電路，它們共同構(gòu)成了單片機(jī)控制電路。

1)Atmega328p芯片是一個(gè)高性能、低功耗的8位AVR微處理器，支持串行USART通信，通過(guò)選用八位并行的接口方式，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)控制模式[8]。利用ATMEGA328P芯片通過(guò)8位RISC CPU與單片機(jī)上的系統(tǒng)內(nèi)自編程閃存相結(jié)合的方式，構(gòu)成了一個(gè)功能強(qiáng)大的微控制器，為智能藥盒嵌入式控制應(yīng)用程序提供了一種高度靈活和經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。

2)輸出IO接口電路：將單片機(jī)主控電路引腳作為輸出接口，分派給GPS定位電路，實(shí)現(xiàn)了Atmega328p主控芯片對(duì)GPS定位電路的控制以及信息的獲??；將單片機(jī)主控電路引腳分派給GSM通訊發(fā)送模塊，實(shí)現(xiàn)了Atmega328p主控芯片對(duì)GSM通訊發(fā)送模塊的通訊，從而觸發(fā)通訊模塊向手機(jī)端發(fā)出報(bào)警提醒短信[9]。

3)電源電路：0.1μF的去耦電容連接到該電路上，加強(qiáng)電路的穩(wěn)定性和抗干擾性。

4)蜂鳴器：蜂鳴器的正極連接三極管上的集電極，蜂鳴器的負(fù)極接連接方式GND，通過(guò)單片機(jī)對(duì)三極管的驅(qū)動(dòng)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂鳴器報(bào)警功能的驅(qū)動(dòng)。

本新型救助藥盒的創(chuàng)新點(diǎn)在于在傳統(tǒng)藥盒的基礎(chǔ)上新增報(bào)警、定位和通訊功能，能夠幫助解決患者需求，具有較好的應(yīng)用前景。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

2.4.1 程序設(shè)計(jì)思路

在機(jī)械按鍵按下時(shí)，一方面能夠觸發(fā)定位模塊，使模塊能快速通過(guò)GPS數(shù)據(jù)獲取函數(shù)、GPS數(shù)據(jù)解析函數(shù)、拋出異常函數(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)定位信息的準(zhǔn)確獲取并且對(duì)異常進(jìn)行處理；在完成信息的獲取后，通訊傳輸部分運(yùn)用初始化函數(shù)發(fā)送AT指令函數(shù)設(shè)置GSM模塊的工作狀態(tài)和發(fā)送信息函數(shù)將目標(biāo)手機(jī)號(hào)和發(fā)送內(nèi)容作為參數(shù)輸入，將發(fā)送內(nèi)容發(fā)送到使用者綁定的緊急聯(lián)系人的手機(jī)上[10]。另一方面能夠觸發(fā)蜂鳴器根據(jù)單片機(jī)發(fā)出的指令，迅速執(zhí)行聲音信號(hào)的反饋，實(shí)現(xiàn)緊急求救效果。

2.4.2 主要流程如圖3所示

圖3 程序流程圖

3 實(shí)物評(píng)測(cè)

3.1 功能測(cè)試

將模塊各引腳與USB轉(zhuǎn)TTL連接，通過(guò)PC機(jī)上的串口助手，測(cè)試存儲(chǔ)在藥盒的藥品在按下機(jī)械按鈕時(shí)完成送藥所需時(shí)間以及通訊設(shè)備能否成功接收到定位信息，判斷各模塊功能的完整性和穩(wěn)定性。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 功能測(cè)試結(jié)果 s

3.2 性能測(cè)試

本設(shè)計(jì)的實(shí)物測(cè)試過(guò)程運(yùn)用了從部分到整體、由簡(jiǎn)要構(gòu)成到復(fù)雜構(gòu)成的測(cè)試方案。在電路完全焊接好之后，利用萬(wàn)用表檢查了焊接情況，又進(jìn)行了分塊測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如下：

1)ATGM336H-5N定位模塊測(cè)試：將輸出接口電路與GPS定位電路連接，獲取定位信息，根據(jù)距離誤差檢測(cè)定位準(zhǔn)確性。結(jié)果如表2所示。

表2 定位模塊距離誤差 m

2) 通訊模塊測(cè)試：將輸出接口電路與GSM通訊電路連接，在按鍵按下時(shí)觸發(fā)通訊模塊，會(huì)使手機(jī)端發(fā)出報(bào)警提醒短信結(jié)果，記錄手機(jī)端接收到信息所用時(shí)長(zhǎng)。結(jié)果如表 3所示。

表3 通訊模塊延時(shí) s

3)報(bào)警功能測(cè)試：對(duì)完成按鍵操作時(shí)，蜂鳴器是否會(huì)發(fā)出聲響進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表4所示。

表4 報(bào)警功能測(cè)試

4 結(jié)果

1)經(jīng)測(cè)試在不同環(huán)境下，該藥盒可以完成給藥、定位、通訊、報(bào)警功能，為患者得到緊急救助提供更大可能；

2)通訊功能的實(shí)時(shí)性、定位功能的精確程度都已基本達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，可保證使用者放心使用。

3)經(jīng)軟硬件聯(lián)合測(cè)試，各模塊之間交互的正確性和接口的兼容性都良好，產(chǎn)品整體性能和功能都正常。

5 結(jié)論

產(chǎn)品兼有存藥、送藥、GPS定位、發(fā)送定位、自動(dòng)報(bào)警等功能，相比較傳統(tǒng)的僅有儲(chǔ)物功能的藥盒，實(shí)現(xiàn)了智能化；相較傳統(tǒng)的定位器、報(bào)警器，我們實(shí)現(xiàn)了功能多樣化。總體性能優(yōu)良，體積小，方便攜帶、實(shí)用強(qiáng)、能滿足用戶需求。

一個(gè)簡(jiǎn)單的藥盒，增加的傳送藥品、定位、通訊和報(bào)警功能，不僅能夠滿足患者需求，解決患者擔(dān)心的問(wèn)題，而且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它必將更新?lián)Q代，越來(lái)越多的技術(shù)會(huì)運(yùn)用在它身上，使它更加智能化、多元化、服務(wù)化。