鄔宗鵬，陳西忍，武衛(wèi)華，劉正揚，李健

（安徽工業(yè)大學 創(chuàng)新教育學院，安徽 馬鞍山243002）

0 引言

近年來，隨著社會老齡化的加深，獨居老人現(xiàn)象逐漸增多。據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，每年由于誤食藥物引起的醫(yī)療事故超過百萬起，并且老年人較差的視力也使得他們自主尋找藥品存在很大的困難，忘服或者誤服藥物都會危害到老年人的身體健康。同時有些老人腿腳不方便，不便行動，因此老人們迫切需求一種可移動、可分類的盛放藥物智能裝置。

1 總體方案

1.1 方案調查

隨著我國人口老齡化及現(xiàn)代人們生活方式的變化，近年來患各種慢性疾病的人逐年增加，其中老年人居多。通過對醫(yī)院及社區(qū)衛(wèi)生機構就診的老年慢性病患者進行問卷調查后發(fā)現(xiàn)，多數(shù)老年患者中，需要服用的藥品種類繁多，平均用藥品種少則兩三種，多則達到七八種，他們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常會出現(xiàn)漏服、多服甚至錯服藥品等現(xiàn)象，并且大多老年人家庭沒有準備智能藥箱，只是簡單將藥物用塑料袋、紙盒及抽屜盛放，服藥的時候經(jīng)常找不到該服的藥物及數(shù)量，同時老人的子女們由于工作繁忙無法抽出大量時間照顧他們，因而老人服藥問題存在極大隱患，急需設計制作一種智能輔助藥箱，按時按量完成服藥[10-14]。

1.2 方案設想

1.2.1 智能藥箱的基本系統(tǒng)結構

助老智能藥箱采用的是16位單片機作為主控制單元，它由輸入模塊、顯示模塊、定時模塊、語音模塊、通信模塊等6部分組成，如圖1所示。

圖1 藥箱系統(tǒng)組成框圖

助老藥箱主要用于提醒老年人服藥，尤其在子女不在身邊時首先子女可以通過手機APP設置的服藥時間和開箱門號，到達設定時間點時相應藥門將自動打開，并且進行語音播報提醒和彩屏顯示。此時，老人可以使用遙控器操作車體移動到自己身邊。若是長時間沒有取藥或無應答，GSM和WiFi雙重功能模塊將發(fā)送消息提醒子女，為老人安全規(guī)律服藥帶來保證。同時通過安放在箱體里的溫濕度傳感器檢測藥物儲存環(huán)境，保證藥品的安全衛(wèi)生。藥箱還具有自主設置、分類藥物管理、定時用藥提醒、檢測是否服藥等功能，方便老人使用[15]。

智能藥箱的設計主要由手環(huán)部分、控制模塊、讀寫模塊及機械部分等4個部分組成：1）手環(huán)部分。主要由可讀寫電子標簽、單片機、蜂鳴器等組成，老人可以隨身攜帶，定時提醒，還可存儲對應藥品的盒子信息。2）控制模塊。主要是通過IAP15F2K61S2單片機來驅動繼電器來控制機械部分的電控開關。當讀入信息時，繼電器斷電，電控開關打開。3）讀寫模塊。通過矩陣鍵盤來輸入時間和對應的藥室，寫入手環(huán)上的電子標簽，盒子上能對應的讀出相應的數(shù)據(jù)，送給單片機。4）機械部分。主要是藥箱開關門機械傳動機構，通過步進電機控制藥室門的開合。

1.2.2 主要功能

1）分類定時功能。根據(jù)不同藥物的服用時間分類設置定時，當?shù)竭_預定時間會自動打開相應藥箱門。2）語音互動播報功能。老人記憶下降、視力不好，智能藥箱中設置的語音模塊可以進行語音提醒，溫馨提示，語音互動，使老人準時按照時間點服藥。3）短信發(fā)送功能。若服藥時間已到而老人未取藥，此時系統(tǒng)將把老人未服藥的情況短信發(fā)送給子女。4）無線通訊功能。若子女未及時關注收到的短信，此時智能藥箱系統(tǒng)還可把老人未服藥的情況傳送給子女手機APP；若取藥成功，系統(tǒng)將老人用藥時間通過WiFi發(fā)送給子女手機APP。5）遙控送藥功能。一些老人由于身體不便，且無家人陪伴，智能助老藥箱可由遙控器控制其運動，當服藥時間到，藥箱門自動打開，此時老人可以使用遙控器，使藥箱通過車輪將藥品送至身旁，從而及時服藥。6）溫濕度監(jiān)測測功能。在智能藥箱內(nèi)裝有溫濕度傳感器，實時監(jiān)測藥物儲存的周邊環(huán)境，防止老人服用霉變的藥物。7）緊急求救功能。緊急情況下，老人可以按下求救功能按鍵，通過GPRS立即向子女發(fā)送求救信息。8）回家提醒功能。子女可以通過手機APP按下“回家”按鈕，將子女回家信息傳送給老人。

1.2.3 工作流程

智能助老藥箱的主程序包括定時開門程序、語音應答程序、短信發(fā)送程序、按鍵檢測執(zhí)行程序、無線通信程序及顯示程序。首先設置每天服藥的時間，定時打開藥室，方便老人取藥，若一定時間內(nèi)未取藥物將啟動短信發(fā)送程序及無線通訊程序。老人也可遙控藥箱車體來到身邊，通過智能語音應答，完成服藥。

1.3 機械結構設計

智能藥箱機械結構由4個單獨的藥室、頂部的電控箱和顯示屏及磁吸盤式半自動門組成，箱體主體框架采用鋁材和亞克力板制作，箱體頂部安裝有拉伸門，便于用于線路的安裝與調整，頂部顯示屏通過顯示屏底座鉸接于箱體頂部，用于設置和觀察箱體內(nèi)部的各種參數(shù)，箱體的每個藥室門上安裝有磁鐵片，拐角處都裝有磁吸盤，正常情況下處于通電狀態(tài)，藥室吸盤與鐵片牢牢吸住，斷電時吸盤吸力消失，藥室門由于自動打開，用完之后手動關上。另外箱體外部最后會裝上醒目標志，還可與麥克納姆輪車結合使用，提高藥箱的實用性能[1-3]。

圖2 工作流程圖

1.4 硬件功能模塊設計

智能藥箱以16位處理器、串口數(shù)據(jù)處理、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、執(zhí)行器控制、語音識別播報、無線WiFi、GSM 短 信 收發(fā)、APP操作為核心技術，圍繞家庭醫(yī)療主題，所涉及的硬件模塊有語音模塊、WiFi模塊、GSM短信發(fā)送模塊、TFT彩屏、DS1302時鐘模塊、溫濕度傳感器、電控鎖機械機構和繼電開關組。其中溫濕度傳感器、遙控器作為單向輸入，WiFi、GSM、電控鎖作為單向輸出，語音識別與APP可與單片機進行信息交互，體現(xiàn)智能藥箱功能的多樣性，使其智能化。

1）語音模塊。采用LD3320A語音識別模塊。具備USB接口,TF卡讀取U盤功能, 可直接修改劇本；支持最大4G mini低速TF卡；可實現(xiàn)人機對話，播放MP3功能，播放對話；具備串口輸出識別碼功能，支持口令識別方式；支持550條語音命令識別。

2）WIFI模塊。采用ESP8266模塊，集成了透傳功能，支持微信Airkiss 2.0協(xié)議，即拿即用，支持串口AT指令集，服務器AT指令集。支持STA/AP/STA+AP工作模式、支持SmartConfig、串口透傳、I/O口控制等功能[5]。

3）GSM短信發(fā)送模塊。采用了SIM900A模塊，主串口和調試串口可以幫助用戶輕松地進行調試開發(fā)。內(nèi)嵌的TCP/IP協(xié)議及擴展的TCP/IP AT命令使用戶方便使用TCP/IP協(xié)議[6-7]。由于串口資源有限，開發(fā)團隊采用一塊從單片機進行短信發(fā)送控制，同時主從兩塊單片機之間只通過一根杜邦線進行電平信號傳遞，短信采用串口發(fā)送指定內(nèi)容[9]。

4）時鐘模塊。采用了DS1302涓流充電時鐘芯片，提供了秒、分、時、日、周、月、年的信息。DS1302芯片與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信，僅需用3個口線：RST復位；I/O數(shù)據(jù)線；SCLK串行時鐘。時鐘RAM的讀/寫數(shù)據(jù)以1個字節(jié)或多達31個字節(jié)的字符組方式完成通信[4]。

5）電控鎖機械模塊。該作品藥箱門采用該款電控鎖作為機械執(zhí)行裝置，不僅能實現(xiàn)開門的彈射動作，而且接口2為信號回饋接口，反饋藥箱門的開關狀態(tài)。

圖3 機械結構示意圖

6）繼電開關組。電控鎖的輸入電路經(jīng)過4路5 V繼電器，總電路直接接入適配器電路，具有足夠的驅動功率使電控鎖正常工作。同時繼電器受到單片機電平信號的控制，所以實現(xiàn)了弱信號控制強信號。

1.5 軟件設計

助老藥箱整個系統(tǒng)的正常運行與產(chǎn)品功能的完整展現(xiàn)需要緊密有序的程序架構為主體，各個功能模塊的子程序系統(tǒng)相互關聯(lián)、協(xié)調配合，以保證系統(tǒng)性能的平穩(wěn)運行。在設計過程中，團隊選擇了Keil C51程序開發(fā)平臺，方便程序的編寫、編譯和仿真；利用APP軟件開發(fā)平臺，便于各個子模塊系統(tǒng)的配合與管理；借助串口調試助手，可以監(jiān)控串口調試過程中代碼收發(fā)情況；使用網(wǎng)絡調試助手來調試網(wǎng)絡，查看收發(fā)數(shù)據(jù)及STC-ISP下載器以方便程序的燒錄和下載。這些軟件平臺為整個程序系統(tǒng)的建立提供了有力的支持[8]。軟件設計流程如圖4所示。

圖4 軟件設計流程圖

1.6 零件模型的設計

團隊選擇使用的是SolidWorks三維軟件，設計完成智能藥箱的各個零件的三維模型，然后進行裝配，最終藥箱主體建模結果如圖5所示。

在建模的過程中，團隊成員通過模擬旋轉和轉動解決了一系列干涉問題，并且擬定了鋁合金線材和角碼、藥箱門和合頁之間及合頁與鋁合金線材之間的連接方式。藥箱門是半自動的，每個門上配有磁吸盤，通過門的自重來開門。在整個開啟與關閉的過程中，不存在任何干涉問題，并且在藥箱門關閉后，所有的藥箱門與磁吸盤之間均保持平行狀態(tài)。同時通過SolidWorks軟件的仿真分析功能解決藥箱的整體受力問題。

圖5 智能藥箱三維模型裝配圖

2 系統(tǒng)調試

2.1 藥箱功能測試

智能藥箱整個系統(tǒng)主要包括藥箱主體和底部車體兩大核心部分。在按照零件圖樣完成藥箱實物的加工和各類配件材料的裝配后，需要對它們分別進行功能調試，使其能夠正常工作。

1）定時開門吃藥測試。首先為藥箱設置配置局域網(wǎng)，待網(wǎng)絡穩(wěn)定連接后進入正常模式，打開手機APP進入操作界面，設置藥箱系統(tǒng)時間、吃藥時間及開箱門號。如果吃藥時間到，自動打開藥箱門并進行語音播報，老人使用遙控器及時服藥，若老人未服藥，則短信和無線通知子女。

2）溫濕度檢測報警測試。在正常模式下，打開手機APP設置溫濕度閾值。若超出閾值，顯示紅色長條方塊進行預警，如圖6與圖7所示。

2.2 車體功能調試

1）打開車輪地盤電源；2）使用遙控器與接收機對頻，遙控車體，車體通過麥克納姆輪可以方便四向運行，如圖8所示。

3 結語

該溫情助老藥箱可實現(xiàn)功能多樣的助老用藥服務，包括智能管理用藥時間、智能語音提醒、智能信息顯示等，可在以下場所推廣應用：獨居老人家庭，當老人生病時，沒有人照顧，這時老人需要這樣一款智能藥箱輔助用藥；醫(yī)療養(yǎng)老中心，養(yǎng)老院中老人居多，且缺乏細致的照顧，尤為需要；康復護理場所，可以減輕護理人員的工作量，為需要護理的人提供更為舒心的服務，與昂貴的智能藥盒及智能藥箱機器人相比，具有很大的價格優(yōu)勢，其應用前景十分廣闊，該智能藥箱在未來的升級優(yōu)化中能夠高效、準確地提醒老人服藥。

圖6 手機APP界面

圖7 藥箱顯示器

圖8 遙控藥箱車體實物圖