一款智能藥箱的設(shè)計

朱志鵬 藍(lán)昌銀 蔣賀平 賴興

摘 要：針對老年人因記憶力衰退而容易忘記吃藥，以及因服用藥物種類繁多導(dǎo)致藥物容易混淆等問題，設(shè)計了一款適合老年人家用的智能藥箱。藥箱的機械結(jié)構(gòu)按照空間位置分為3個部分——上層配藥部分、中間傳動部分、下層取藥部分，分別實現(xiàn)配藥、送藥和取藥功能。藥箱內(nèi)部一次可以放入6種藥品。藥箱的控制系統(tǒng)采用STM32F407核心板，使用C語言進(jìn)行編程。利用各部分的協(xié)調(diào)運行，藥箱在功能上實現(xiàn)了定時運行、自動配藥、按需配藥和定時提醒，且操作簡單、運行高效，具有較高的實用性。

關(guān)鍵詞：智能藥箱;自動配藥;按需配藥;定時提醒

0? ? 引言

目前，老年人的健康狀況不容樂觀，早在2015年，我國失能、半失能老年人口就達(dá)到了約4 063萬人，占老年人口的18.3%，老年人群慢性病患病率較高，約3/4的人患有一種及以上慢性病[1]。老年人用藥存在的隱患主要有不按時服藥、錯服/漏服藥和多次服藥等[2]。針對這些情況，智能藥箱隨著時代的發(fā)展應(yīng)運而生。

目前主要有兩類智能藥箱：一類是家用藥箱[3]，此種藥箱的體型較大，主要有自動配藥、提醒吃藥的功能，并可以通過手機與互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)同步;另一類是戶外藥箱，此類藥箱較為輕便、易攜帶，但功能太單一，只有報時功能。多數(shù)藥箱只是方便取藥，功能較單一，而老人吃藥的時間也不長，如果僅僅把其當(dāng)作藥箱也是一種負(fù)擔(dān)[4]。因此，本文設(shè)計了一款新型智能藥箱，它能夠?qū)崿F(xiàn)按時、按量提醒需要服藥的人員去服用藥物的功能，并且監(jiān)護(hù)人可以通過手機端查看服藥情況。如果沒有按時服藥，監(jiān)護(hù)人可以遠(yuǎn)程提醒，這樣可以避免因忘記服用藥物而發(fā)生意外情況。

1? ? 設(shè)計方案

本產(chǎn)品的系統(tǒng)整體模塊如圖1所示，各功能由機械傳動、顯示與參數(shù)輸入、計數(shù)、語音及遠(yuǎn)程提醒等模塊實現(xiàn)。

（1）機械傳動模塊主要由機械結(jié)構(gòu)和電機組成，按照空間結(jié)構(gòu)可以分為3個部分，各部分按照指令在電機驅(qū)動下協(xié)調(diào)運行，以實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

（2）顯示與參數(shù)輸入模塊能讓用戶自定義使用本產(chǎn)品，以實現(xiàn)本產(chǎn)品的普遍適用性。用戶可以通過液晶顯示觸摸屏選擇服藥種類（本產(chǎn)品設(shè)計了6個存藥盒，最多支持選擇6種），并設(shè)置所選藥品所需服用數(shù)量和服藥具體時間（支持設(shè)置每天服藥不超過3次）。

（3）計數(shù)模塊是通過紅外對射管檢測來實現(xiàn)的，其原理是當(dāng)紅外對射管之間無遮擋時信號線一直為高電平，有遮擋時則為低電平。這樣只需要檢測信號線所連接開發(fā)板的GPIO口上電平信號，就能知道紅外對射管是否有遮擋。整個藥箱有兩個用來計數(shù)的紅外對射管，一個放置在上擋板的出藥口下方，另一個放置在中擋板下方。

（4）語音模塊由小喇叭、驅(qū)動板和SD卡組成。驅(qū)動板能根據(jù)IO口的高低電平信息直接驅(qū)動小喇叭播放SD卡中的音頻文件。當(dāng)需要播放語音提醒時，通過開發(fā)板控制與驅(qū)動板連接的IO口上的高低電平來實現(xiàn)。

（5）遠(yuǎn)程提醒模塊主要通過STM32F407核心板上的ESP8622 Wi-Fi模塊完成[5]，開發(fā)板聯(lián)網(wǎng)，接入阿里云平臺，并在手機上創(chuàng)建App程序，向監(jiān)護(hù)人實時顯示設(shè)備使用狀態(tài)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

藥箱整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。藥箱未工作時，整體處于待機狀態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)用戶設(shè)置的服藥時間后，藥箱上層配藥裝置依靠步進(jìn)電機18帶動相應(yīng)儲藥盒2轉(zhuǎn)動到出藥口。中間送藥裝置通過輪系將直流電機15的機械能轉(zhuǎn)化為蝸桿14和錐齒輪的動能，通過蝸桿轉(zhuǎn)動將蝸桿盒13中的藥物運到分離盒5，當(dāng)藥物進(jìn)入分離盒5時，通過錐齒輪嚙合，將分離盒5中的藥品送至第二個出藥口，從而進(jìn)入到取藥盒12中，如此完成一次取藥工作。當(dāng)系統(tǒng)檢測到所有需要出藥的藥盒都完成出藥工作之后，會自動播放語音以提醒用戶服藥，并在顯示屏上顯示出藥成功。同時會用紅外對射管檢測用戶是否把藥品取出來服用，若沒有將藥品取出，則過3 min之后重復(fù)播放一次語音提醒。若在規(guī)定時間內(nèi)紅外對射管仍未監(jiān)測到抽屜打開，則紅外對射管會將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳給開發(fā)板，開發(fā)板再通過相應(yīng)算法和ESP8622 Wi-Fi模塊，利用網(wǎng)絡(luò)將這一異常信息發(fā)送至監(jiān)護(hù)人手機App，以此警告監(jiān)護(hù)人，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

2? ? 主要傳動機構(gòu)及其工作原理

2.1? ? 儲藥盒

儲藥盒設(shè)計原則包括體積設(shè)計原則、外形設(shè)計原則和出藥口設(shè)計原則。

（1）體積設(shè)計原則：儲藥盒中儲存的藥物用量為一周。

（2）外形設(shè)計原則：儲藥盒放置在上擋板中，在推板的推動下，每次轉(zhuǎn)動50°。

（3）出藥口設(shè)計原則：大多數(shù)藥片的直徑在4～7 mm，厚度在2～5 mm，膠囊的長度為12～20 mm，直徑在5～8 mm。

由于藥品屬于食用類物品，對于存藥的材料和環(huán)境有嚴(yán)格要求，該零件材料采用食品級塑料。

2.2? ? 上層配藥部分

該部分結(jié)構(gòu)主要由推板1、儲藥盒2、上擋板3和步進(jìn)電機18組成，如圖3所示。步進(jìn)電機18放置在上擋板3中心，推板1與步進(jìn)電機18連接在一起，儲藥盒2放置在上擋板上，相鄰兩個儲藥盒通過推板1分隔。工作時，按照設(shè)定好的要求，步進(jìn)電機18帶動推板1轉(zhuǎn)動設(shè)定好的角度，儲藥盒2轉(zhuǎn)動到出藥口，待出藥完成之后再復(fù)位。且出藥時第一個出藥口處由直流電機17帶動滾軸16上緊密接觸的海綿柱體向相反方向轉(zhuǎn)動，以保證順暢出藥。藥品由海綿柱體轉(zhuǎn)運經(jīng)過出口后還會經(jīng)過一對紅外對射管以檢測出藥數(shù)量，當(dāng)檢測到出藥量等于用戶輸入所需服藥量時，直流電機17先停止轉(zhuǎn)動，然后反向轉(zhuǎn)幾圈，把進(jìn)入緊密接觸的海綿柱體通道的藥粒送回儲藥盒。

2.3? ? 中間送藥部分

中間送藥部分通過輪系將電機的機械能轉(zhuǎn)化為蝸桿和錐齒輪的動能，傳動方案如圖4所示。通過蝸桿轉(zhuǎn)動將蝸桿盒中的藥物運到分離盒，分離盒的設(shè)計是為了使藥品獨立分開，避免混合在一起，防止藥品通過紅外對射管時由于出藥數(shù)量不可控而造成計數(shù)錯誤。為了保證藥品獨立分開的效果，設(shè)計輪系時使蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)速比分離盒的轉(zhuǎn)速慢且都是勻速轉(zhuǎn)動。當(dāng)藥物進(jìn)入分離盒時，通過錐齒輪嚙合，將分離盒中的藥品送至第二個出藥口，當(dāng)藥品經(jīng)過第二個出藥口時會經(jīng)過第二對紅外對射管。

2.4? ? 底部取藥裝置

藥箱下層取藥裝置備有1個取藥盒12（待服用）和6個糾錯盒7，如圖5所示。6個糾錯盒與藥箱上層配藥部分6個儲藥盒的位置相對應(yīng)。當(dāng)檢測到經(jīng)過的藥品數(shù)量等于用戶所需服用藥量時，帶動輪系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動的直流電機就會立即停止轉(zhuǎn)動，此時下層步進(jìn)電機9通過推板8把對應(yīng)糾錯盒轉(zhuǎn)到第二個出藥口底下以承接多余藥品。

3? ? 控制模塊

本藥箱的控制系統(tǒng)采用STM32F407核心板，使用C語言進(jìn)行編程，并配置TFT-LCD屏幕以設(shè)置服藥時間和服藥數(shù)量，其程序框圖如圖6所示。系統(tǒng)開始工作后，會先進(jìn)行初始化，若用戶選擇進(jìn)行配藥，則TFT-LCD屏將顯示字樣以提醒用戶將藥放入藥盒，用戶在設(shè)置好吃藥時間與吃藥數(shù)量后，系統(tǒng)將休眠，當(dāng)?shù)竭_(dá)規(guī)定配藥時間后，藥箱會按照預(yù)先設(shè)置進(jìn)行藥物的自動配送，幫助老人完成吃藥。

4? ? 結(jié)語

人口老齡化的加劇對社會的養(yǎng)老功能提出了考驗。老年人抵抗力差，容易得一些慢性疾病，并且老年人服藥也存在一些隱患。針對這些情況，智能藥箱隨著時代的發(fā)展應(yīng)運而生。本藥箱通過一種新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝置布局，利用各部分的協(xié)調(diào)運行，功能上已經(jīng)實現(xiàn)了定時運行、自動配藥、按需配藥和定時提醒，而且操作簡單，運行起來簡單高效，具有較高的實用性。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王亞杰，馬碩奧，尹羽瑄，等.老年人口服藥狀況分析及解決對策[J].全科口腔醫(yī)學(xué)電子雜志，2019，6（12）：9.

[2] 王麗敏，陳志華，張梅，等.中國老年人群慢性病患病狀況和疾病負(fù)擔(dān)研究[J].中華流行病學(xué)雜志，2019，40（3）：277-283.

[3] 崔怡欣，劉宗偉，劉安彬，等.一款小型家用多功能智能藥箱的設(shè)計[J].機電信息，2021（14）：37-39.

[4] 黃鈺恒.家用智能藥箱的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國設(shè)備工程，2018（24）：128-129.

[5] 孔小敏.基于STM32F4智能藥箱系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

收稿日期：2021-08-06

作者簡介：朱志鵬（2000—），男，河南周口人，研究方向：機械設(shè)計制造及其自動化。