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、準(zhǔn)確、安全地服用藥物成為了一大難題。因此，本文設(shè)計了一款多功能智慧藥箱，通過采用GSM 通信技術(shù)實現(xiàn)對用戶服藥信息的監(jiān)測并通過短信形式告知監(jiān)護人，實現(xiàn)監(jiān)護人對患者服藥情況的遠程關(guān)懷，提醒老年人精準(zhǔn)服藥。同時，藥箱還采用個性化的智能語音提醒設(shè)計，根據(jù)患者服藥的情況，分時、分次對老人服藥進行智能提醒，讓使用者精準(zhǔn)服用藥物，防止患者錯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，可以實現(xiàn)智能管理用藥時間、智能語音提醒、智能信息顯示等多種功能，減小了空巢獨居老人誤服、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、自動開/關(guān)箱、服藥提醒及報警等功能，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

為實現(xiàn)用戶服藥狀態(tài)檢測，家庭智慧醫(yī)藥箱會夠記錄各種藥的數(shù)目與每次藥劑。通過光強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服藥。當(dāng)用戶沒有按時吃藥時，將會通過短信提醒用戶家人督促老人按時吃藥；當(dāng)藥量不足時，將會通過報警裝置提醒用戶及時添加藥物。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)計是針對傳統(tǒng)藥箱在設(shè)計時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)計藥盒溫濕度檢測模塊，可以讓用戶清晰知曉各個藥盒的具體狀況，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，由電機控制模塊驅(qū)動電機打開/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間[2]。服藥提醒及報警設(shè)計就是考慮到當(dāng)用戶沒有按時吃藥時，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，通過報警裝置提示用戶進行處理，使藥箱更加智能化。

3 智慧藥箱系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實現(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)部的實時時鐘（RTC）提供當(dāng)前時間和日期，通過LCD 觸摸屏設(shè)定服藥時間、實時顯示當(dāng)前日期和時間、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)置的鬧鐘到達指定時間時，智能藥箱系統(tǒng)將點亮藥箱底部的LED，并通過揚聲器播放提示音，提醒用戶服藥[4]。本設(shè)計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

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，同時具備較高的時鐘速度和快速的數(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

智能藥箱在使用時，通常采用220V 家用交流電供電，需要進行適當(dāng)?shù)碾娫催m配器進行功率電壓轉(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)計的智能藥箱為了實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測功能，在每個藥格中裝有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

光強檢測使用了BH1750 光敏傳感器模塊作為檢測光強度的裝置。該裝置能夠精確地感知環(huán)境中的光照強度并輸出數(shù)字信號，方便微處理器進行數(shù)字處理，進而實現(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時時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)確且可以進行多點觸控。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)用戶沒有按時吃藥時，將會通過短信提醒用戶監(jiān)護人督促老人按時吃藥；當(dāng)藥量不足時，通過報警裝置提醒監(jiān)護人及時添加藥物。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，具有藍牙、錄音、撥號、短信、彩信、TTS、GPRS、DTMF 等功能。該設(shè)計中GSM 通信模塊主要用于當(dāng)服藥時刻到達時，發(fā)送短信給用戶（吃藥使用語音播報提醒，不是短信）；當(dāng)用戶長時間不打開藥箱服藥，發(fā)送短信給其監(jiān)護人進行提醒。

3.7 電機驅(qū)動模塊設(shè)計

電機模塊采用六個SG90 舵機，并通過驅(qū)動模塊實現(xiàn)對電機旋轉(zhuǎn)的控制。通過主板的I/O 口控制74HC245 的6 個MI 端口，以增加舵機的帶載能力。需要開啟或關(guān)閉藥箱時，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進行藥箱的開關(guān)操作。電機模塊與主控芯片相連的接口電路如圖9 所示。

圖9 電機控制模塊電路原理圖

4 智能藥箱的軟件設(shè)計

根據(jù)實際用藥情況設(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，判斷是否到達需要吃藥的時間，如果到達吃藥的時間，智能藥箱會發(fā)出語音提醒，同時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，即開始10 分鐘倒計時，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)用戶點擊顯示屏上的“關(guān)閉藥箱”后，電機控制模塊會驅(qū)動電機去關(guān)閉藥箱，同時下一個服藥周期開始。當(dāng)?shù)竭_服藥時間，如果用戶仍未點擊開箱按鍵來服藥，則系統(tǒng)會在15 分鐘內(nèi)以每5分鐘為間隔進行語音播報；如果在15 分鐘之后用戶仍未進行服藥，則將發(fā)送短信通知家屬，輔助用戶進行服藥[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、電機驅(qū)動模塊等進行測試，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，屏幕中顯示實時時間、溫度、濕度、藥品余量及藥箱設(shè)置按鍵，可供用戶進行操作。

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)達到服藥時間，屏幕中顯示具體需要服用的藥品信息并進行語音提示，以督促用戶及時服藥。

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 為電機驅(qū)動模塊測試結(jié)果，看到點擊開箱服藥按鍵后藥箱的打開/關(guān)閉狀態(tài)。

圖14 電機驅(qū)動模塊測試圖

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，配合3D 打印外殼，在產(chǎn)品設(shè)計上已近完備，可正常實現(xiàn)藥品狀態(tài)監(jiān)測、用戶服藥語音提醒、智能管理用藥時間、監(jiān)護人提示報警、自動開關(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。因其價格低廉、可擴展性強等特點，適合在家庭、養(yǎng)老院等醫(yī)療護理場所逐漸普及，市場應(yīng)用前景廣闊。