溫情助老藥箱的設(shè)計(jì)與制作

鄔宗鵬，陳西忍，武衛(wèi)華，劉正揚(yáng)，李健

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

0 引言

近年來(lái)，隨著社會(huì)老齡化的加深，獨(dú)居老人現(xiàn)象逐漸增多。據(jù)聯(lián)合國(guó)統(tǒng)計(jì)，每年由于誤食藥物引起的醫(yī)療事故超過百萬(wàn)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(huì)危害到老年人的身體健康。同時(shí)有些老人腿腳不方便，不便行動(dòng)，因此老人們迫切需求一種可移動(dòng)、可分類的盛放藥物智能裝置。

1 總體方案

1.1 方案調(diào)查

隨著我國(guó)人口老齡化及現(xiàn)代人們生活方式的變化，近年來(lái)患各種慢性疾病的人逐年增加，其中老年人居多。通過對(duì)醫(yī)院及社區(qū)衛(wèi)生機(jī)構(gòu)就診的老年慢性病患者進(jìn)行問卷調(diào)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(dá)到七八種，他們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常會(huì)出現(xiàn)漏服、多服甚至錯(cuò)服藥品等現(xiàn)象，并且大多老年人家庭沒有準(zhǔn)備智能藥箱，只是簡(jiǎn)單將藥物用塑料袋、紙盒及抽屜盛放，服藥的時(shí)候經(jīng)常找不到該服的藥物及數(shù)量，同時(shí)老人的子女們由于工作繁忙無(wú)法抽出大量時(shí)間照顧他們，因而老人服藥問題存在極大隱患，急需設(shè)計(jì)制作一種智能輔助藥箱，按時(shí)按量完成服藥[10-14]。

1.2 方案設(shè)想

1.2.1 智能藥箱的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

助老智能藥箱采用的是16位單片機(jī)作為主控制單元，它由輸入模塊、顯示模塊、定時(shí)模塊、語(yǔ)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(shí)首先子女可以通過手機(jī)APP設(shè)置的服藥時(shí)間和開箱門號(hào)，到達(dá)設(shè)定時(shí)間點(diǎn)時(shí)相應(yīng)藥門將自動(dòng)打開，并且進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)提醒和彩屏顯示。此時(shí)，老人可以使用遙控器操作車體移動(dòng)到自己身邊。若是長(zhǎng)時(shí)間沒有取藥或無(wú)應(yīng)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(lái)保證。同時(shí)通過安放在箱體里的溫濕度傳感器檢測(cè)藥物儲(chǔ)存環(huán)境，保證藥品的安全衛(wèi)生。藥箱還具有自主設(shè)置、分類藥物管理、定時(shí)用藥提醒、檢測(cè)是否服藥等功能，方便老人使用[15]。

智能藥箱的設(shè)計(jì)主要由手環(huán)部分、控制模塊、讀寫模塊及機(jī)械部分等4個(gè)部分組成：1）手環(huán)部分。主要由可讀寫電子標(biāo)簽、單片機(jī)、蜂鳴器等組成，老人可以隨身攜帶，定時(shí)提醒，還可存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)藥品的盒子信息。2）控制模塊。主要是通過IAP15F2K61S2單片機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器來(lái)控制機(jī)械部分的電控開關(guān)。當(dāng)讀入信息時(shí)，繼電器斷電，電控開關(guān)打開。3）讀寫模塊。通過矩陣鍵盤來(lái)輸入時(shí)間和對(duì)應(yīng)的藥室，寫入手環(huán)上的電子標(biāo)簽，盒子上能對(duì)應(yīng)的讀出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，送給單片機(jī)。4）機(jī)械部分。主要是藥箱開關(guān)門機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過步進(jìn)電機(jī)控制藥室門的開合。

1.2.2 主要功能

1）分類定時(shí)功能。根據(jù)不同藥物的服用時(shí)間分類設(shè)置定時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定時(shí)間會(huì)自動(dòng)打開相應(yīng)藥箱門。2）語(yǔ)音互動(dòng)播報(bào)功能。老人記憶下降、視力不好，智能藥箱中設(shè)置的語(yǔ)音模塊可以進(jìn)行語(yǔ)音提醒，溫馨提示，語(yǔ)音互動(dòng)，使老人準(zhǔn)時(shí)按照時(shí)間點(diǎn)服藥。3）短信發(fā)送功能。若服藥時(shí)間已到而老人未取藥，此時(shí)系統(tǒng)將把老人未服藥的情況短信發(fā)送給子女。4）無(wú)線通訊功能。若子女未及時(shí)關(guān)注收到的短信，此時(shí)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(jī)APP；若取藥成功，系統(tǒng)將老人用藥時(shí)間通過WiFi發(fā)送給子女手機(jī)APP。5）遙控送藥功能。一些老人由于身體不便，且無(wú)家人陪伴，智能助老藥箱可由遙控器控制其運(yùn)動(dòng)，當(dāng)服藥時(shí)間到，藥箱門自動(dòng)打開，此時(shí)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(shí)服藥。6）溫濕度監(jiān)測(cè)測(cè)功能。在智能藥箱內(nèi)裝有溫濕度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藥物儲(chǔ)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(jī)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(shí)開門程序、語(yǔ)音應(yīng)答程序、短信發(fā)送程序、按鍵檢測(cè)執(zhí)行程序、無(wú)線通信程序及顯示程序。首先設(shè)置每天服藥的時(shí)間，定時(shí)打開藥室，方便老人取藥，若一定時(shí)間內(nèi)未取藥物將啟動(dòng)短信發(fā)送程序及無(wú)線通訊程序。老人也可遙控藥箱車體來(lái)到身邊，通過智能語(yǔ)音應(yīng)答，完成服藥。

1.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能藥箱機(jī)械結(jié)構(gòu)由4個(gè)單獨(dú)的藥室、頂部的電控箱和顯示屏及磁吸盤式半自動(dòng)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(diào)整，頂部顯示屏通過顯示屏底座鉸接于箱體頂部，用于設(shè)置和觀察箱體內(nèi)部的各種參數(shù)，箱體的每個(gè)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(shí)吸盤吸力消失，藥室門由于自動(dòng)打開，用完之后手動(dòng)關(guān)上。另外箱體外部最后會(huì)裝上醒目標(biāo)志，還可與麥克納姆輪車結(jié)合使用，提高藥箱的實(shí)用性能[1-3]。

圖2 工作流程圖

1.4 硬件功能模塊設(shè)計(jì)

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(cè)、執(zhí)行器控制、語(yǔ)音識(shí)別播報(bào)、無(wú)線WiFi、GSM 短 信 收發(fā)、APP操作為核心技術(shù)，圍繞家庭醫(yī)療主題，所涉及的硬件模塊有語(yǔ)音模塊、WiFi模塊、GSM短信發(fā)送模塊、TFT彩屏、DS1302時(shí)鐘模塊、溫濕度傳感器、電控鎖機(jī)械機(jī)構(gòu)和繼電開關(guān)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(yǔ)音識(shí)別與APP可與單片機(jī)進(jìn)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(yǔ)音模塊。采用LD3320A語(yǔ)音識(shí)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(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，播放MP3功能，播放對(duì)話；具備串口輸出識(shí)別碼功能，支持口令識(shí)別方式；支持550條語(yǔ)音命令識(shí)別。

2）WIFI模塊。采用ESP8266模塊，集成了透?jìng)鞴δ?，支持微信Airkiss 2.0協(xié)議，即拿即用，支持串口AT指令集，服務(wù)器AT指令集。支持STA/AP/STA+AP工作模式、支持SmartConfig、串口透?jìng)?、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(diào)試串口可以幫助用戶輕松地進(jìn)行調(diào)試開發(fā)。內(nèi)嵌的TCP/IP協(xié)議及擴(kuò)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(tuán)隊(duì)采用一塊從單片機(jī)進(jìn)行短信發(fā)送控制，同時(shí)主從兩塊單片機(jī)之間只通過一根杜邦線進(jìn)行電平信號(hào)傳遞，短信采用串口發(fā)送指定內(nèi)容[9]。

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

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

圖3 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

6）繼電開關(guān)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(qū)動(dòng)功率使電控鎖正常工作。同時(shí)繼電器受到單片機(jī)電平信號(hào)的控制，所以實(shí)現(xiàn)了弱信號(hào)控制強(qiáng)信號(hào)。

1.5 軟件設(shè)計(jì)

助老藥箱整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行與產(chǎn)品功能的完整展現(xiàn)需要緊密有序的程序架構(gòu)為主體，各個(gè)功能模塊的子程序系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)、協(xié)調(diào)配合，以保證系統(tǒng)性能的平穩(wěn)運(yùn)行。在設(shè)計(jì)過程中，團(tuán)隊(duì)選擇了Keil C51程序開發(fā)平臺(tái)，方便程序的編寫、編譯和仿真；利用APP軟件開發(fā)平臺(tái)，便于各個(gè)子模塊系統(tǒng)的配合與管理；借助串口調(diào)試助手，可以監(jiān)控串口調(diào)試過程中代碼收發(fā)情況；使用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手來(lái)調(diào)試網(wǎng)絡(luò)，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(tái)為整個(gè)程序系統(tǒng)的建立提供了有力的支持[8]。軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖

1.6 零件模型的設(shè)計(jì)

團(tuán)隊(duì)選擇使用的是SolidWorks三維軟件，設(shè)計(jì)完成智能藥箱的各個(gè)零件的三維模型，然后進(jìn)行裝配，最終藥箱主體建模結(jié)果如圖5所示。

在建模的過程中，團(tuán)隊(duì)成員通過模擬旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)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(yè)之間及合頁(yè)與鋁合金線材之間的連接方式。藥箱門是半自動(dòng)的，每個(gè)門上配有磁吸盤，通過門的自重來(lái)開門。在整個(gè)開啟與關(guān)閉的過程中，不存在任何干涉問題，并且在藥箱門關(guān)閉后，所有的藥箱門與磁吸盤之間均保持平行狀態(tài)。同時(shí)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(diào)試

2.1 藥箱功能測(cè)試

智能藥箱整個(gè)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(shí)物的加工和各類配件材料的裝配后，需要對(duì)它們分別進(jìn)行功能調(diào)試，使其能夠正常工作。

1）定時(shí)開門吃藥測(cè)試。首先為藥箱設(shè)置配置局域網(wǎng)，待網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定連接后進(jìn)入正常模式，打開手機(jī)APP進(jìn)入操作界面，設(shè)置藥箱系統(tǒng)時(shí)間、吃藥時(shí)間及開箱門號(hào)。如果吃藥時(shí)間到，自動(dòng)打開藥箱門并進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，老人使用遙控器及時(shí)服藥，若老人未服藥，則短信和無(wú)線通知子女。

2）溫濕度檢測(cè)報(bào)警測(cè)試。在正常模式下，打開手機(jī)APP設(shè)置溫濕度閾值。若超出閾值，顯示紅色長(zhǎng)條方塊進(jìn)行預(yù)警，如圖6與圖7所示。

2.2 車體功能調(diào)試

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

3 結(jié)語(yǔ)

該溫情助老藥箱可實(shí)現(xiàn)功能多樣的助老用藥服務(wù)，包括智能管理用藥時(shí)間、智能語(yǔ)音提醒、智能信息顯示等，可在以下場(chǎng)所推廣應(yīng)用：獨(dú)居老人家庭，當(dāng)老人生病時(shí)，沒有人照顧，這時(shí)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(xì)致的照顧，尤為需要；康復(fù)護(hù)理場(chǎng)所，可以減輕護(hù)理人員的工作量，為需要護(hù)理的人提供更為舒心的服務(wù)，與昂貴的智能藥盒及智能藥箱機(jī)器人相比，具有很大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用前景十分廣闊，該智能藥箱在未來(lái)的升級(jí)優(yōu)化中能夠高效、準(zhǔn)確地提醒老人服藥。

圖6 手機(jī)APP界面

圖7 藥箱顯示器

圖8 遙控藥箱車體實(shí)物圖