一種基于模塊化藥盒的智能服藥管家系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳思綿，賴遠(yuǎn)欽，黃錦濤，李曉華，傅 蓉※，李 燁，梁偉林，肖 娜

（1.五邑大學(xué)智能制造學(xué)部，廣東 江門 529020；2.五邑大學(xué)政法學(xué)院，廣東 江門 529020）

0 引言

近年來，我國(guó)老齡化進(jìn)程呈加速趨勢(shì)[1]，養(yǎng)老院的人口也逐年遞增，老人的健康問題也日趨明顯。根據(jù)調(diào)查，60歲以上的老人患慢性病的比例正在逐漸增加[2]。但由于不同藥物的外觀特征相似，如形狀、顏色等，以及老年人記憶力衰退等，導(dǎo)致患者忘記服藥、重復(fù)多服藥、錯(cuò)服藥或沒有按時(shí)服藥，從而造成死亡或病情加重的案例時(shí)有發(fā)生。對(duì)于養(yǎng)老院中龐大的老年群體，其隱患更甚，所以設(shè)計(jì)一套完善的老人吃藥管理系統(tǒng)有著重要的實(shí)際意義。

目前市場(chǎng)上能幫助老人安全服藥的產(chǎn)品并不多。Mobile Aspects公司[3]和PillDrill公司[4]都推出過自己的產(chǎn)品，但體積龐大不便攜帶。為此，Salgia、Wu、Huang等[5－7]分別設(shè)計(jì)了3款小型智能藥盒，但看護(hù)人并不能很好地了解老人的用藥情況。因而有學(xué)者將智能藥盒與手機(jī)APP聯(lián)接[8]，實(shí)現(xiàn)了智能藥盒與手機(jī)終端的通信。胡金通等[9]設(shè)計(jì)了一款可以實(shí)現(xiàn)用藥監(jiān)護(hù)的智能用藥管家系統(tǒng)，但都針對(duì)家庭這樣服藥群體少的場(chǎng)景而設(shè)計(jì)的。綜上所述，目前市場(chǎng)上的相關(guān)產(chǎn)品存在以下不足：（1）無優(yōu)化配藥流程，配藥效率底下；（2）無身份識(shí)別功能，對(duì)于養(yǎng)老院這樣的群體，無法很好地避免老人服錯(cuò)藥；（3）無用藥監(jiān)控功能，看護(hù)人不能及時(shí)了解患者服藥信息。

基于以上原因，本文設(shè)計(jì)了一種基于模塊化藥盒的智能服藥管家系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ESP32主控制芯片，利用人臉識(shí)別技術(shù)及指紋識(shí)別技術(shù)精準(zhǔn)識(shí)別服藥人身份，結(jié)合AI計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了用藥提醒、用藥監(jiān)護(hù)、迅速配藥等功能。本設(shè)計(jì)有如下創(chuàng)新點(diǎn)：（1）優(yōu)化了配藥方案，大大提高養(yǎng)老院工作人員的配藥效率；（2）采用了多重身份識(shí)別技術(shù)，識(shí)別服藥人身份，降低錯(cuò)服的風(fēng)險(xiǎn)；（3）看護(hù)人可通過手機(jī)終端查看老人的服藥情況，實(shí)現(xiàn)用藥監(jiān)控。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

智能用藥管家系統(tǒng)主要由中央控制平臺(tái)、人臉識(shí)別系統(tǒng)和智能藥盒陣列以及手機(jī)APP組成，如圖1所示。

圖1 智能用藥系統(tǒng)

中央控制平臺(tái)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的患者用藥信息并利用優(yōu)化配藥算法，計(jì)算出最優(yōu)的配藥操作。系統(tǒng)再根據(jù)優(yōu)化好的配藥方案自動(dòng)打開對(duì)應(yīng)藥盒單元，指導(dǎo)管理者以最高效率完成配藥。配藥完成后，借助人臉識(shí)別系統(tǒng)將藥盒準(zhǔn)確地分發(fā)到患者手中，且該藥盒可隨身攜帶。存有患者用藥信息的智能藥盒將會(huì)自動(dòng)提醒患者按時(shí)服藥。每個(gè)智能藥盒都有指紋識(shí)別系統(tǒng)，只有本人在吃藥時(shí)間才可以用指紋打開藥盒拿藥。

此外，用戶吃藥信息會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)送到中央控制平臺(tái)及手機(jī)APP。超過吃藥時(shí)間沒有吃藥，看護(hù)人可以準(zhǔn)確地進(jìn)行人工干預(yù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控電路

智能用藥管家系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)由ESP32主控制芯片、K210人臉識(shí)別模塊、電源電路、A4988電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、語音播報(bào)模塊、步進(jìn)電機(jī)、LCD液晶顯示屏、攝像頭等硬件組成，如圖2所示。

圖2 硬件組成

通過ESP32控制LCD顯示屏、語音播報(bào)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)患者的服藥提醒，同時(shí)利用指紋模塊和電機(jī)模塊控制藥盒的開關(guān)，最后再通過WIFI與中央控制平臺(tái)進(jìn)行通信及用藥信息交互，實(shí)現(xiàn)用藥監(jiān)控。K210人臉識(shí)別可用于分發(fā)藥盒時(shí)的身份確認(rèn)。

2.2 可拼接藥盒陣列

智能藥盒陣列由基臺(tái)和藥盒兩部分組成，基臺(tái)通過凹槽、凸槽實(shí)現(xiàn)上下左右方向拼接，構(gòu)成藥盒陣列，如圖3所示?；_(tái)上通過總線接口控制多個(gè)藥盒充電和數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 可拼接的藥盒陣列

其中1個(gè)藥盒有3個(gè)儲(chǔ)藥抽屜以滿足老人一日的服藥需求，轉(zhuǎn)盤為可拆卸抽屜式儲(chǔ)藥單元，并利用步進(jìn)電機(jī)控制用戶分別取三餐的藥，方便老人取藥，藥盒體積小方便攜帶，同時(shí)有指紋模塊對(duì)老人進(jìn)行身份識(shí)別，防止老人服錯(cuò)藥，如圖4所示。

圖4 藥盒單元結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化配藥算法

中央控制平臺(tái)以一種藥為操作單元，根據(jù)基臺(tái)物理位置遠(yuǎn)近并結(jié)合患者服藥信息，計(jì)算出時(shí)間最少、操作最簡(jiǎn)便的配藥流程，同時(shí)完成患者與藥盒的匹配，并通過總線控制相應(yīng)藥盒打開相應(yīng)儲(chǔ)藥抽屜協(xié)助配藥人完成配藥。該算法的實(shí)現(xiàn)過程如下。

首先從數(shù)據(jù)庫中獲取所有患者的服藥信息，再通過循環(huán)遍歷，將每個(gè)患者的服藥信息分別存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)HashSet集合中，利用HashSet集合中不能有重復(fù)元素的特性，將每個(gè)患者服藥信息循環(huán)對(duì)比，患者之間有一種藥物相同，則他們之間的優(yōu)先級(jí)加1，優(yōu)先級(jí)越高則藥物越相似。然后根據(jù)基臺(tái)的物理位置，進(jìn)而計(jì)算出最優(yōu)配藥操作。最后是分藥，當(dāng)藥名和數(shù)量若有一個(gè)不相同，則為不同的數(shù)據(jù)。當(dāng)點(diǎn)擊分藥按鈕后，會(huì)將一條數(shù)據(jù)下發(fā)到藥盒，并將藥名和數(shù)量都符合的患者藥盒打開，協(xié)助配藥人分藥。算法流程如圖5所示。

圖5 配藥算法流程

3.2 多重身份識(shí)別算法

多重身份識(shí)別算法主要是運(yùn)用了人臉識(shí)別和指紋識(shí)別技術(shù)。在分發(fā)藥盒時(shí)采用人臉識(shí)別確保分發(fā)無誤，而當(dāng)患者單獨(dú)使用時(shí)，需再次使用指紋識(shí)別打開藥盒。

指紋識(shí)別采用UART Fingerprint Sensor模塊完成。該模塊集成了高安全性商用指紋算法，在接受到指令后，對(duì)采集的指紋圖片進(jìn)行處理，提取特征值并上傳至指紋庫，完成指紋錄入。在使用時(shí)，再根據(jù)當(dāng)前接收到的指紋信息與指紋庫的信息進(jìn)行比對(duì)。

人臉識(shí)別采用K210芯片完成，K210包含KPU通用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器，可以對(duì)人臉或物體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)[10]，將攝像頭采集的人臉圖像輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器KPU上并運(yùn)行人臉識(shí)別模型，通過對(duì)比人臉的196維特征來判斷人臉身份，實(shí)現(xiàn)AI計(jì)算本地化。人臉識(shí)別算法模型訓(xùn)練流程如圖6所示。

圖6 人臉識(shí)別流程

人臉圖像的獲取是一切算法進(jìn)行下去的前提，所以需要借助攝像頭識(shí)別出場(chǎng)景中的人臉進(jìn)行拍照，此時(shí)程序的作用就是檢測(cè)出場(chǎng)景中的人臉。主流的人臉檢測(cè)算法一般包括4大類：基于Haar＋Adaboos的人臉檢測(cè)、基于特征的方法、基于模板的方法、基于CNN的方法。圖像采集系統(tǒng)在一個(gè)統(tǒng)一灰度的平面上描繪了眼睛、鼻子和嘴巴的結(jié)構(gòu)。首先，根據(jù)平滑柱狀圖對(duì)圖像進(jìn)行粗略分割，然后根據(jù)一定的灰色空間對(duì)人眼進(jìn)行定位，最后確定人臉區(qū)域。

3.3 紅外激光判別算法

紅外激光判別算法是用來判斷藥盒是否存在藥物，以此來判斷用戶是否服完藥物。藥盒倉內(nèi)裝有紅外激光發(fā)射器，利用紅外激光良好的方向性使其在藥盒倉內(nèi)反射形成多條光路，再根據(jù)另一端的紅外接收傳感器就能得知是否存在藥物，藥物檢測(cè)原理如圖7所示。

圖7 紅外激光判別示意圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種智能用藥管理系統(tǒng)，采用ESP32作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)藥盒的控制及數(shù)據(jù)的傳輸。設(shè)計(jì)了優(yōu)化配藥算法、多重身份識(shí)別算法、激光判別藥物算法，實(shí)現(xiàn)了配藥、服藥和用藥監(jiān)控的智能化管理。其主要功能是協(xié)助養(yǎng)老院護(hù)工以高效率完成配藥操作，并使用人臉識(shí)別和指紋識(shí)別來避免患者服錯(cuò)藥，從而保證患者按時(shí)按量完成服藥，再利用WIFI模塊與中央平臺(tái)通信實(shí)現(xiàn)用藥監(jiān)控。該設(shè)計(jì)可擴(kuò)展性強(qiáng)，適用于多種用戶場(chǎng)景，如養(yǎng)老院、居家等，具有良好的應(yīng)用前景。