面向慢性病患者的智能家居藥盒的設(shè)計與實現(xiàn)

高笛煙 黃澤豪 陳志聰

（福州大學(xué) 福建省福州市 350108）

1 引言

基于人口老齡化和慢性病患者基數(shù)逐年增長的社會現(xiàn)狀，需要長期服藥的人群數(shù)量不斷增長，并且隨著醫(yī)療質(zhì)量與醫(yī)療服務(wù)水平地快速發(fā)展，人們越來越重視日常的健康狀況、身體數(shù)據(jù)等。因此人們對于日常用藥的記錄和體驗也有了更多的需求，傳統(tǒng)藥盒的單一的功能和設(shè)計已經(jīng)難以滿足客戶的需求。針對此情況，研究一款針對慢性病患者的多功能智能藥盒將擁有極大的發(fā)展空間和生產(chǎn)前景。該項目基于嵌入式系統(tǒng)，通過模塊化設(shè)計讓藥盒實現(xiàn)完備的功能，使藥盒不再是只簡單作為儲物工具，而是成為能夠幫助患者記錄日常身體數(shù)據(jù)、健康狀況和幫助醫(yī)患交流的智能工具。

2 項目分析

本項目以搭建患者與醫(yī)生間的溝通平臺為基礎(chǔ)，以減少雙方溝通交流為雙方提供便利為目的，以智能家居藥盒和微信小程序為載體，設(shè)計出一款面向慢性病患者的智能家居藥盒，目的是解決醫(yī)患交流互動困難的問題。設(shè)計開發(fā)初期，我們對傳統(tǒng)的家用藥盒進行了一系列的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的普通藥盒會存在以下一些問題：

（1）藥盒結(jié)構(gòu)功能單一，只有基礎(chǔ)的存放藥物的作用；

（2）藥盒沒有提醒功能，對于一些忙綠的或者是老年病患，容易產(chǎn)生忘記定時服藥的問題；

（3）慢性病是一個需要長期服藥的療程，對于醫(yī)患之間的溝通十分重要，醫(yī)患之間缺乏穩(wěn)定方便的交流平臺來進行定期反饋。

因此針對以上問題，結(jié)合對于用戶需求的分析，本項目的主要設(shè)計思路如下：

（1）收集調(diào)查慢性病患者的用藥習(xí)慣，經(jīng)過溝通交流后了解慢性病患者平日的實際問題和痛楚所在，對信息進行整合和分析；

（2）制定功能模塊，選擇合適的設(shè)計語言并設(shè)計小程序；

（3）對硬件結(jié)構(gòu)進行設(shè)計模型，實現(xiàn)軟硬件結(jié)合；

（4）對設(shè)計代碼進行調(diào)試修改，進行測試和運行

該面向慢性病患者的智能家居藥盒目標設(shè)計如下：本APP是基于微信小程序的服務(wù)型平臺，服務(wù)對象為使用本產(chǎn)品智能家居藥盒的患者和醫(yī)生。利用本小程序收集整合歷史服藥數(shù)據(jù)，建立自己獨有的近期服藥狀況數(shù)據(jù)庫，為醫(yī)生查看近期服藥情況及身體是否有異常提供數(shù)據(jù)支持?；跉v史服藥情況和身體數(shù)據(jù)提取藥物的影響因子，結(jié)合算法建立對接下來是否繼續(xù)服用該藥物和需要使用的量建議預(yù)測模型，對未來的身體狀況和服藥情況進行判斷和預(yù)測，以此幫助需要服藥的人群按時服藥，以及幫助人們更好及時的關(guān)注用戶的身體健康。

3 開發(fā)涉及技術(shù)

3.1 SolidWorks軟件

Solidworks軟件是一款基于Windows操作系統(tǒng)開發(fā)的三維設(shè)計軟件，具有較高的易學(xué)性、操作性和創(chuàng)新性等優(yōu)秀性能。利用其設(shè)計功能可實現(xiàn)繪制草圖、零件建模以及虛擬裝配等工作。可將預(yù)期的效果設(shè)計制成實物進行功能驗證便可獲得設(shè)計參數(shù)，即可以利用Solidworks軟件的檢測功能對結(jié)構(gòu)設(shè)計與組裝進行干涉檢查，能夠方便地顯示零部件的不同的位置，驗證各結(jié)構(gòu)單體構(gòu)件組合在一起后能否發(fā)揮結(jié)構(gòu)整體的功能效益，使得用戶能在比較短的時間內(nèi)完成更多的工作。

3.2 主控制器

主控制器決定選擇 STM32F103。該芯片內(nèi)置 ARM 型Cortex?-M3。內(nèi)核使用的是 32 位數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)，整合增強的技術(shù)和功能，瞄準超低成本預(yù)算的應(yīng)用，低功耗的內(nèi)核使得在經(jīng)濟型用戶終端產(chǎn)品上實現(xiàn)先進且復(fù)雜的功能。芯片的最高速度可達72MHz。芯片搭配了512K 的存儲空間保證程序的存儲。同樣帶有上電和掉電復(fù)位功能。為了保證系統(tǒng)的功耗，芯片內(nèi)部有三種模式，休眠，停止，待機模式。帶有兩個12位的轉(zhuǎn)換范圍為0-3.6V的數(shù)模轉(zhuǎn)化器，和兩個DMA控制器。能夠?qū)崿F(xiàn)串行單線調(diào)試（SWD)和JTAG接口。

3.3 LD3320語音模塊

系統(tǒng)的語音模塊部分由LD3320芯片完成，它是一個基于非特定語音識別技術(shù)的語音鑒別芯片。該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括高精度的A/D，D/A轉(zhuǎn)化器，麥克風接口，聲音輸出接口等等。因此，它可以實現(xiàn)不需要任何外接輔助芯片、Flash 或者 RAM，直接集成在現(xiàn)有產(chǎn)品中即可實現(xiàn)語音識別、人機對話等等功能。該LD3320語音識別芯片圖如圖1所示。

圖1：LD3320芯片圖

3.4 Springboot

SpringBoot基于Spring4.0設(shè)計，不僅繼承了Spring框架原有的優(yōu)秀特性，而且還通過簡化配置來進一步簡化了Spring應(yīng)用的整個搭建和開發(fā)過程。另外SpringBoot通過集成大量的框架，內(nèi)嵌 Servlet、Tomcat、Jetty等，使得依賴包的版本沖突，以及引用的不穩(wěn)定性等問題得到了很好的解決。它可直接運用 java-jar指令對項目打包為jar，同時進行自動依賴與版本控制，幫助開發(fā)者導(dǎo)入所用到的全部依賴，并自動控制版本，文中所有的配置都由SpringBoot完成，提高了開發(fā)效率。

3.5 MySQL數(shù)據(jù)庫

MySQL是開源數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。它是一個多用戶、多線程的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，主要是通過表和表之間，行和列之間的關(guān)系進行數(shù)據(jù)的存儲。它具有事務(wù)安全性、按需可擴展性、高可用性、高可靠性、快速啟動功能等等優(yōu)點。在使用 MySQL來即時開發(fā)和啟動應(yīng)用程序，大部分的工作由DBMS自動完成，大大降低總體擁有成本的同時又提高了運行的效率。

3.6 RocketMq 消息隊列

RocketMQ提供事務(wù)消息、定時消息、順序消息、同步請求等各種各樣的消息類型，可以 幫助開發(fā)者快速解決業(yè)務(wù)開發(fā)中遇到的各種問題。相比于其他的消息產(chǎn)品來說，一方面，RocketMQ沒有任何的外部依賴，它由兩部分組成：一部分是用于服務(wù)發(fā)現(xiàn)的NameServer，另一部分是用于消息、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)、流轉(zhuǎn)和存儲的Broker?？梢哉f，RocketMQ擁有極簡架構(gòu)，因此，它對運維成本的要求非常低。另一方面，RocketMQ在高可靠、高吞吐和低延遲方面具有明顯的優(yōu)勢。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計

4.1 用例設(shè)計

該系統(tǒng)設(shè)計了三種角色：患者、監(jiān)護人、醫(yī)生和管理員。詳細用例圖內(nèi)容如圖2所示：

圖2：系統(tǒng)用例圖

患者可以進行以下操作：登錄、注冊、查看用藥記錄、聯(lián)系醫(yī)生、查看健康咨詢和我的。

（1）如果沒有注冊則進入注冊頁面，如果已有賬號則微信一鍵登錄。

（2）患者和監(jiān)護人一進入登錄頁便可查看今日用藥情況：已服用、未服用（超時/未超時）。當?shù)接盟帟r間，會有鬧鐘提醒；若某種藥品超時還未服用，則會有鬧鈴提醒，并且將消息告知監(jiān)護端，讓監(jiān)護人提醒患者用藥。

（3）患者和監(jiān)護人可個性化添加藥品，可變動性高，添加方便。

（4）患者可查看用藥記錄：健康記錄（記錄血壓、血糖、體重等各類身體狀況）和生成用藥反饋，讓醫(yī)生、監(jiān)護人查看數(shù)據(jù)，也反饋給管理端，生成大數(shù)據(jù)，以此改進打造更人性化的產(chǎn)品。

（5）患者可以線上聯(lián)系開藥的醫(yī)生，詢問病情和查看醫(yī)囑，為醫(yī)生和患者的后續(xù)聯(lián)系搭建平臺。醫(yī)生可后續(xù)跟進患者的相關(guān)情況，添加醫(yī)囑和用藥。

（6）可以查看相關(guān)的健康資訊，提升關(guān)于健康的小知識。

4.2 藥盒模塊設(shè)計

在參考了藥片生產(chǎn)的數(shù)據(jù)，以直徑分別為：0.7cm、0.9cm、1.3cm，以及一個長為1.5cm，寬為0.8cm的膠囊槽作為藥盒裝口的尺寸。在藥槽下方加上能控制開合的擋板，利用簡易機械裝置的推出結(jié)構(gòu)，在放藥槽下方側(cè)面開一個與藥品側(cè)面大小一致的洞，在后方用機械結(jié)構(gòu)從洞中推出最下方的藥品。藥盒最終設(shè)計圖和藥盒內(nèi)部構(gòu)造圖如圖3和圖4所示。

圖3：藥盒設(shè)計圖

圖4：藥盒內(nèi)部構(gòu)造圖

4.3 語音模塊設(shè)計

先預(yù)設(shè)指令，將LD3320模塊與STM32F103的串口4相連，初始化TIM4，設(shè)置初始定器時間為10MS，從接收到第一個字符開始啟動定時器，當收到一個新字符時，計數(shù)器清空，直到定時器產(chǎn)生中斷，如若不在接受到新數(shù)據(jù)，即為接收到一個完成的數(shù)據(jù)包。在中斷函數(shù)中，用變量USART_RX_STA進行標記數(shù)據(jù)是否接受完成，再用CJSON解析收到的串口數(shù)據(jù)并用舵機顯示動作代表藥盒推出或者關(guān)上。

4.4 UI設(shè)計

本項目微信小程序開發(fā)的主基調(diào)為簡單與舒適。所以將APP的主色調(diào)效果以綠色#17B68A和白色為主。綠色是健康的標志，象征著生機與希望，與設(shè)計面向慢性病患者的智能家居藥盒的目標理念相符。而文字主要以黑色和灰色#797979搭配，使其看起來既簡單而又舒適。

4.5 數(shù)據(jù)輸入和消息提示反饋模塊設(shè)計

智能藥盒需要能夠為用戶提供消息提示，同時讓用戶能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入，這也是我們研究的重要部分。首先應(yīng)該實現(xiàn)用戶在按鍵模塊能夠進行一些簡單設(shè)置和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，語音輸入功能的實現(xiàn)也將在這部分通過Microsoft、Speech和API實現(xiàn)。剩余更加具體詳細的數(shù)據(jù)傳輸和查詢和設(shè)置選項將通過軟件部分實現(xiàn)。同時藥盒也需要能夠接收多個設(shè)備的數(shù)據(jù)例如手表手環(huán)、電子體重秤、血壓儀等等。消息提示反饋也需要可以鏈接多個設(shè)備讓藥盒、手機、手環(huán)等都可以收到提示和反饋，使用戶隨時可以接收到消息，提示這部分將使用。

4.6 提醒模塊

今日提醒模塊作為APP的首頁，其作用是顯示每日服藥的時間、藥品名和服藥數(shù)量，讓患者第一時間了解到今日的情況。如圖5(a)今日提醒模塊頁面所示，在首頁，APP主要界面向患者展示今日服藥情況，并且能在相應(yīng)的時間點顯示藥品名稱和數(shù)量，提醒用戶及時進行服藥?；颊呖梢砸荒苛巳坏孬@取今日的服藥情況，包括藥品名稱，服用的計量和時間，還有醫(yī)囑。點擊添加，患者還能夠自主新增所需要服用的新藥品名稱和計量等等信息，同時可以設(shè)置提醒鬧鐘時間，防止自己忘記服用。左上角的虛擬按鍵為返回首頁，點擊快速返回主頁面。藥品添加頁面如圖5(b)所示。

圖5：首頁

4.7 用藥記錄模塊

用藥記錄模塊主要記錄今日用藥情況是否完成，檢測體重、心率、體溫、血壓和睡眠質(zhì)量等等身體狀態(tài)。因為醫(yī)生咨詢患者近期情況時，有些患者會因為記憶不清或者表述不明的問題，不能很好地將自己的情況展現(xiàn)給醫(yī)生，造成了醫(yī)患溝通方面的障礙。為了避免這種情況的發(fā)生，本微信小程序可以直接記錄每天相關(guān)的身體信息，基于此些數(shù)值，生成近期的身體狀況曲線記錄圖。這能夠使得在定期會面醫(yī)生溝通近期病情和身體情況的時候，極大地提高了溝通交流的效率，使得醫(yī)生能夠?qū)Σ∏樽龀龈玫呐袛唷Ｓ盟幱涗浤K頁面如圖6所示。

圖6：用藥記錄頁面

4.8 聯(lián)系醫(yī)生模塊

聯(lián)系醫(yī)生頁面如圖7所示，APP的聯(lián)系醫(yī)生是實現(xiàn)APP主要功能的最重要的界面之一。聯(lián)系醫(yī)生模塊的主要功能是可以提供醫(yī)患之間的一個交流平臺。患者可以通過手機在微信小程序線上向醫(yī)生咨詢一些比較小的身體問題，醫(yī)生也能夠及時給出意見反饋和用藥建議。它可以根據(jù)患者的病情，選擇不同醫(yī)院的不同醫(yī)生進行基于微信小程序平臺交流的線上溝通，讓患者可以更方便快捷的了解到自己的情況，與醫(yī)生進行溝通反饋并即時調(diào)整用藥情況。它不僅能夠減少了路上通勤和醫(yī)院排隊等等過程時間，還使得醫(yī)患之間的交流變得更加方便快捷。

圖7：聯(lián)系醫(yī)生頁面

4.9 健康資訊模塊

健康咨詢頁面如圖8所示，健康資訊模塊將會展示近期醫(yī)生發(fā)布的資訊。通過由醫(yī)生或平臺定期推送相關(guān)健康資訊，患者日?？梢渣c擊查看推送資訊，瀏覽相關(guān)健康資訊，不僅可以增加患者對于健康知識的了解，在平時生活中也能夠多注意自己的身體狀態(tài)，留意飲食和者運動相關(guān)方面的知識，及時地發(fā)現(xiàn)自身是否有出現(xiàn)異常情況。這種提高患者自身對于相關(guān)的健康知識的了解的方式，從根本上降低患者生病的概率和風險，提高身體素質(zhì)和免疫能力。

圖8：健康資訊頁面

4.10 設(shè)置模塊

設(shè)置模塊頁面如圖9所示，在設(shè)置模塊中，患者可以查看或修改設(shè)置、查看醫(yī)生的反饋、可以選擇監(jiān)護人、查看歷史健康報告、收藏重要文章等等操作。

圖9：設(shè)置頁面

5 結(jié)語

面向慢性病患者的智能家居藥盒突破傳統(tǒng)對于藥盒的定義，意在打造更符合慢性病患者需求的智能家居藥盒。項目針對慢性病患者對于日常服藥過程中的一些問題，緊密結(jié)合患者對于藥盒功能的需求，通過設(shè)計微信小程序，實現(xiàn)醫(yī)患更密切方便的交流，通過藥盒來對患者進行長期服藥習(xí)慣進行有效干預(yù)和培養(yǎng)。在市場需求分析和調(diào)研后，小程序針對患者的平時服藥過程中的一些體驗，設(shè)計了對應(yīng)的功能模塊，不僅可以隨時查看每日的服藥提醒，更搭建了一個醫(yī)患之間日常交流溝通的平臺橋梁，實現(xiàn)患者與醫(yī)生之間的溝通便利。該系統(tǒng)將對日常身體情況的記錄曲線合成反饋算法優(yōu)化，形成更加準確和合理的身體情況預(yù)測，對于患者未來身體的康復(fù)起到關(guān)鍵的作用。