智能家用醫(yī)藥箱控制系統(tǒng)設(shè)計

黃奕秋 周成 唐啟承 孫海升 林杰 林智武 洪遠泉

摘 要：針對家庭用藥的儲藏管理和安全使用等問題，提出一種智能家用醫(yī)藥箱控制系統(tǒng)設(shè)計方案。該設(shè)計以樹莓派和STM32為核心，融合語音交互和圖像識別技術(shù)，實現(xiàn)了對家庭藥物的儲藏管理、分類和使用指導(dǎo)。使用樹莓派控制攝像頭和麥克風(fēng)實現(xiàn)醫(yī)藥箱的用藥指導(dǎo)和藥物分類功能。通過STM32搭建溫度采集電路實現(xiàn)醫(yī)藥箱的智能儲藏管理，同時采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)手機APP對醫(yī)藥箱的控制。該設(shè)計給家庭用藥帶來較好的儲藏效果，有效提升了家庭醫(yī)療的安全性，具有較好的市場價值和實用價值。

關(guān)鍵詞：智能家用醫(yī)藥箱;語音交互;圖像識別;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);藥物智能儲藏;樹莓派

中圖分類號：TP249文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）07-00-02

0 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技水平的提高，人們的健康意識不斷增強，目前家庭普遍都會儲備家庭常用藥。由于缺乏專業(yè)的指導(dǎo)，藥物市場藥品類別繁多，以及病理的復(fù)雜性和多樣性，患者在自行判別疾病治療時經(jīng)常出現(xiàn)用藥不當，服用過期藥物等情況[1]。而目前主流市場上出現(xiàn)的智能醫(yī)藥箱[2]功能單一，無法對患者進行有效的用藥指導(dǎo)，同時由于價格昂貴以及所占空間過多，導(dǎo)致其未能在普通家庭中普及。

本文針對該現(xiàn)象設(shè)計一種智能家用醫(yī)藥箱控制系統(tǒng)。該設(shè)計采用了成本較低的樹莓派和STM32控制器，融合錄入語音交互技術(shù)以及圖像識別技術(shù)，配合手機APP的控制，實現(xiàn)家用智能醫(yī)藥箱用藥指導(dǎo)，以及藥物儲藏管理，保證用戶的用藥安全。同時本設(shè)計在外觀上采用抽屜儲藏方式，可合理對藥品進行分區(qū)，避免藥物之間的相互接觸。在使用上給用戶提供更加安全可靠且經(jīng)濟實惠的幫助。醫(yī)藥箱設(shè)計外觀如圖1所示。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計以樹莓派作為主控部分，使用麥克風(fēng)、攝像頭和電容屏采集信息，通過互聯(lián)網(wǎng)進行語音交互、圖像識別等。同時，樹莓派和STM32之間進行通信，傳送數(shù)據(jù)。STM32作為執(zhí)行單元，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄汉驼麄€系統(tǒng)的中轉(zhuǎn)站。麥克風(fēng)和攝像頭用于實現(xiàn)語音交互技術(shù)和圖像識別技術(shù)。WiFi模塊采用ESP8266[3]將醫(yī)藥箱的數(shù)據(jù)上傳和下載到云端服務(wù)器，用戶手機的APP同樣連接云端服務(wù)器，實現(xiàn)醫(yī)藥箱與手機的通信。顯示器模塊作為醫(yī)藥箱交互界面，完成人機交互功能以及對手機APP功能的補充。健康狀況檢測部分主要采用心率監(jiān)測模塊測量使用者的心率[4]，并實時反饋數(shù)據(jù)。藥箱儲藏環(huán)境調(diào)節(jié)部分主要是針對醫(yī)藥箱的藥品儲藏環(huán)境進行溫度調(diào)節(jié)，以及采用紫外消毒燈給醫(yī)藥箱殺菌消毒。溫度檢測模塊用于檢測醫(yī)藥箱內(nèi)部溫度。舵機模塊[5]采用MG996R控制抽屜的開關(guān)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 功能設(shè)計實現(xiàn)

2.1 藥物環(huán)境監(jiān)控調(diào)節(jié)功能設(shè)計

為了防止家庭常用藥藥物軟化變形、潮解等問題[6]，需要將其儲存在20～30 ℃。對此，本設(shè)計通過溫度檢測與調(diào)節(jié)來使醫(yī)藥箱內(nèi)部維持在20～30 ℃。溫度檢測模塊采用DS18B20對藥箱儲藥環(huán)境溫度進行實時檢測。若系統(tǒng)檢測到醫(yī)藥箱內(nèi)的溫度不適合藥物儲存，醫(yī)藥箱就會啟動溫度調(diào)節(jié)模塊對藥箱溫度進行控制，使醫(yī)藥箱溫度保持在合理范圍內(nèi)。同時也會啟動紫外線消毒燈對藥箱內(nèi)藥品由于自然分解產(chǎn)生的氣體進行處理。此外，本次設(shè)計還可以通過手機APP對藥箱環(huán)境的溫度以及氣體環(huán)境進行調(diào)節(jié)[7]。

2.2 用藥指導(dǎo)功能設(shè)計

本設(shè)計的用藥指導(dǎo)功能采用語音交互技術(shù)[8]，包括語音喚醒[9]、語音識別[10]、數(shù)據(jù)處理、語音合成等技術(shù)。用戶通過麥克風(fēng)用語音與藥箱進行交互，了解藥物的用法、用量等，實現(xiàn)醫(yī)藥箱的用藥指導(dǎo)功能。

（1）語音喚醒：該技術(shù)使用的是Snowboy，KITT.AI開發(fā)的人工智能軟件工具包，用戶想了解藥品或者用藥時，通過麥克風(fēng)說出關(guān)鍵字，藥箱即可被喚醒，藥箱喚醒后，可以詢問用什么藥、如何用藥等。

（2）語音識別：該技術(shù)是將語音轉(zhuǎn)化為文字，使用的是百度AI開放平臺提供的語音服務(wù)技術(shù)。

（3）數(shù)據(jù)處理：該技術(shù)是將語音識別到的文字傳送給北京光年無限科技旗下的個性化人工智能機器人開放平臺，通過圖靈機器人開放平臺，可以實現(xiàn)普通的聊天，可以咨詢?nèi)魏螁栴}，還可以錄入購買的藥品信息以備下次使用。

（4）語音合成：該技術(shù)使用的是百度AI開放平臺提供的語音服務(wù)技術(shù)，將處理好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為流暢自然的語音，并且可以根據(jù)用戶的需要調(diào)整語速、音調(diào)、音量等。

2.3 藥物分類功能設(shè)計

藥物分類功能主要采用圖像識別技術(shù)，將拍攝的照片的文字提取出來。本設(shè)計使用的是百度AI開放平臺提供的圖片識別服務(wù)技術(shù)[11]。

攝像頭拍照獲取照片后，樹莓派會自動將照片上傳到百度AI開放平臺，通過百度AI開放平臺的圖片識別技術(shù)將所有文字提取出來，再通過Python的正則表達式進行關(guān)鍵字提取，以獲得需要的信息。

3 軟件設(shè)計

醫(yī)藥箱的交互框架如圖3所示。其主要是由手機APP以及醫(yī)藥箱自帶的顯示器來進行交互，在不同使用環(huán)境下用戶可以選擇不同的交互方式。用戶可以通過WiFi讓自己的手機和醫(yī)藥箱進行通信，進入APP，對醫(yī)藥箱進行對應(yīng)的操作;同時也可以使用醫(yī)藥箱上的顯示器，通過顯示器上的按鍵對醫(yī)藥箱下達相應(yīng)的指令。

3.1 手機APP設(shè)計

手機APP使用ESP8266 WiFi模塊結(jié)合TCP應(yīng)用進行二次開發(fā)，以云服務(wù)器和WiFi模塊為中樞進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，可讀取醫(yī)藥箱信息和控制醫(yī)藥箱的紫外線消毒，開關(guān)藥箱和心率檢測以及箱內(nèi)溫度的讀取等。其界面如圖4所示。

（1）手機APP可對藥箱進行交互操作。當點擊心率檢測按鈕時，用戶可以開始測量心率，檢測完畢便可在界面看到測量的心率值。同時可以通過手機APP界面上的按鈕選擇開啟需要的藥箱，箱內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)也可通過手機APP進行調(diào)控。

（2）手機APP可以實時顯示即將過期的藥品確保用戶的用藥安全。同時，藥箱的使用會將每一次用藥記錄發(fā)送到手機APP，用戶可以實時了解自己的用藥情況。

3.2 顯示器界面設(shè)計

顯示器作為醫(yī)藥箱上的操作面板，采用Python Tkinter 進行制作，是使用者與醫(yī)藥箱進行交互的一個平臺。其界面如圖5所示。

（1）用戶可以點擊顯示器的拍照功能進行圖像識別提取藥物包裝盒上的名稱、功能、有效期等信息并實時顯示在文本框內(nèi)。

（2）用戶可以通過交互界面查找自己的用藥記錄以及心率監(jiān)測記錄，方便用戶了解自身身體狀況，進行合理用藥。

（3）用戶可以通過顯示器的交互界面了解當前藥物儲藏環(huán)境，并可通過消毒按鍵調(diào)節(jié)藥箱儲藥環(huán)境。

4 結(jié) 語

隨著社會的進步與生產(chǎn)力的提高，人們越來越注重身體健康，應(yīng)用于醫(yī)療保健的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在迅速發(fā)展。本文設(shè)計的智能醫(yī)藥箱通過環(huán)境監(jiān)測、語音識別和圖像處理技術(shù)實現(xiàn)藥物管理，引導(dǎo)正確用藥功能，降低用戶用藥風(fēng)險。最大程度地解決了日常家庭常出現(xiàn)的用錯藥、無定期用藥、用藥過量等問題。與市面其他智能藥箱對比，本設(shè)計具有成本低、應(yīng)用范圍廣、使用方便、功能多等優(yōu)點。

注：本文通訊作者為洪遠泉。

參 考 文 獻

[1]楊祖義，秧茂盛.家庭用藥安全現(xiàn)狀調(diào)查[J].中國農(nóng)村衛(wèi)生，2013（1）：64-65.

[2]馬杰，陳碩，韓瀟瀟，等.智能藥箱[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（12）：14-15.

[3]李振東，陸俊，朱宗玖.基于手機Android客戶端的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018，8（11）：39-41.

[4]葉佳虹，徐歡，洪靈杰，等.TI-CC2530家用醫(yī)療智能終端數(shù)據(jù)云采集系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用[J].電子世界，2016（24）：125.

[5]陳可飛，匡叢維，楊春柳.基于Arduino智能仿生機器人的研究[J].價值工程，2018，37（24）：115-119.

[6]齊丹.常用藥品的儲藏禁忌[J].肝博士，2011（5）：48-48.

[7]王銀玲，孫濤.基于單片機的恒溫箱控制系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)機化研究，2011，33（9）：103-106.

[8]張文華，李會凱.基于智能語音控制的互動式玩具的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（23）：139-141.

[9]胡銳，孫先松.嵌入式Linux平臺下百度AI語音識別的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2018，14（27）：202-204.

[10]柳琳，羅軍.基于Android的圖靈聊天機器人設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2016，12（17）：169-171.

[11]羅佳偉，孫雪峰，李琳.基于百度AI平臺的Web人臉注冊和登錄系統(tǒng)的設(shè)計[J].中國新通信，2018，20（11）：73-73.