段俊玲，張 秀，趙曉文，劉旭東，王 朵，石春花

(長治醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系，山西 長治 046000)

0 引言

對于突發(fā)性患者來說，疾病的突發(fā)會導致他們在發(fā)病時常常會因為無法及時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)境時也會因突發(fā)急癥而導致休克，所以，此現(xiàn)象急需得到解決。我們設(shè)計的這款新型救助藥盒，在基于STC89C51單片機模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)智能化，新增了傳送藥品、定位通訊、急救報警等功能，操作簡單、方便攜帶，擁有較高的實用性[2]。

1 設(shè)計目的

新型救助藥盒的設(shè)計主要是用來解決患有急癥的病人在發(fā)病時無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無法得到緊急救助的問題，以減少突發(fā)性休克的發(fā)生率。

2 設(shè)計方法

2.1 系統(tǒng)基本方案

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

◆新型3D打印技術(shù)：本設(shè)計的機械裝置部分，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)，通過電腦輔助設(shè)計技術(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打印機上，運用一些金屬、蠟、塑料等可粘合材料，通過逐層增加材料來生成3D實體[4]。

◆通訊模塊：本設(shè)計的定位模塊采用的是ATGM336H-5N 模塊，該模塊和本設(shè)計的核心裝置單片機相連接，可實現(xiàn)通訊的功能。因為具有靈敏度高、功耗低、成本低等特點，同時在短信監(jiān)測領(lǐng)域具有覆蓋面廣、設(shè)施完善等優(yōu)點，可以實現(xiàn)聯(lián)合定位、導航與授時[5]，所以在車載導航、手持定位、可穿戴設(shè)備中有著廣泛的應用。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本設(shè)計遵循簡單系統(tǒng)化原則，設(shè)計了三個部分，分別為按鍵部分、存藥和給藥部分、定位和發(fā)送報警信息部分。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觸發(fā)機械裝置，啟動傳送系統(tǒng)，將先前存放在藥盒的藥品快速推送到使用者口中，同時負責定位和通訊信息的單片機系統(tǒng)接收到程序指令后會迅速進行定位并實行信息發(fā)送指令[6]。此時，蜂鳴器會根據(jù)MCU發(fā)出的命令立即產(chǎn)生相應的聲音信號報警，以求得到身邊人的救助。這種設(shè)計不僅能夠使患者得到及時救治，而且與市場上現(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，操作簡單，實用性強。

圖1 機械裝置實物圖

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

智能藥盒的電路設(shè)計制作采用Protel99SE軟件，其具有很強的數(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)計功能[7]，其中最主要的是單片機控制電路，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)成了單片機控制電路。

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

2)輸出IO接口電路：將單片機主控電路引腳作為輸出接口，分派給GPS定位電路，實現(xiàn)了Atmega328p主控芯片對GPS定位電路的控制以及信息的獲??；將單片機主控電路引腳分派給GSM通訊發(fā)送模塊，實現(xiàn)了Atmega328p主控芯片對GSM通訊發(fā)送模塊的通訊，從而觸發(fā)通訊模塊向手機端發(fā)出報警提醒短信[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，蜂鳴器的負極接連接方式GND，通過單片機對三極管的驅(qū)動控制，進而實現(xiàn)對蜂鳴器報警功能的驅(qū)動。

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

2.4 軟件設(shè)計

2.4.1 程序設(shè)計思路

在機械按鍵按下時，一方面能夠觸發(fā)定位模塊，使模塊能快速通過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)等來實現(xiàn)定位信息的準確獲取并且對異常進行處理；在完成信息的獲取后，通訊傳輸部分運用初始化函數(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)將目標手機號和發(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)系人的手機上[10]。另一方面能夠觸發(fā)蜂鳴器根據(jù)單片機發(fā)出的指令，迅速執(zhí)行聲音信號的反饋，實現(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 實物評測

3.1 功能測試

將模塊各引腳與USB轉(zhuǎn)TTL連接，通過PC機上的串口助手，測試存儲在藥盒的藥品在按下機械按鈕時完成送藥所需時間以及通訊設(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。測試結(jié)果如表1所示。

表1 功能測試結(jié)果 s

3.2 性能測試

本設(shè)計的實物測試過程運用了從部分到整體、由簡要構(gòu)成到復雜構(gòu)成的測試方案。在電路完全焊接好之后，利用萬用表檢查了焊接情況，又進行了分塊測試。測試結(jié)果如下：

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

表2 定位模塊距離誤差 m

2) 通訊模塊測試：將輸出接口電路與GSM通訊電路連接，在按鍵按下時觸發(fā)通訊模塊，會使手機端發(fā)出報警提醒短信結(jié)果，記錄手機端接收到信息所用時長。結(jié)果如表 3所示。

表3 通訊模塊延時 s

3)報警功能測試：對完成按鍵操作時，蜂鳴器是否會發(fā)出聲響進行檢測，結(jié)果如表4所示。

表4 報警功能測試

4 結(jié)果

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

2)通訊功能的實時性、定位功能的精確程度都已基本達到了預期的目標，可保證使用者放心使用。

3)經(jīng)軟硬件聯(lián)合測試，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、自動報警等功能，相比較傳統(tǒng)的僅有儲物功能的藥盒，實現(xiàn)了智能化；相較傳統(tǒng)的定位器、報警器，我們實現(xiàn)了功能多樣化?？傮w性能優(yōu)良，體積小，方便攜帶、實用強、能滿足用戶需求。

一個簡單的藥盒，增加的傳送藥品、定位、通訊和報警功能，不僅能夠滿足患者需求，解決患者擔心的問題，而且隨著科學技術(shù)的發(fā)展，它必將更新?lián)Q代，越來越多的技術(shù)會運用在它身上，使它更加智能化、多元化、服務化。