結(jié)合云平臺(tái)設(shè)計(jì)的多功能智能藥盒的研發(fā)＊

鄭文棟，胡 非，王 博，景洪昌，陳和順，馮麟媛

（湖北師范大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 黃石 435002）

1 研究背景

中國(guó)老齡化情況日益加重，老年群體占人口的比例也逐漸增加。老年人患病種類中，慢性病占著較大的比例，老年人服藥過程中也出現(xiàn)了服藥種類多、數(shù)量多，藥品包裝復(fù)雜，服藥過程繁雜的情況，這也是老年人在服藥過程中遇到的困難[1]。隨著老年人的記憶力下降，就出現(xiàn)了健忘癥，他們經(jīng)常忘記按時(shí)吃藥，若是遇到較為苛刻的用藥要求，如在不同的時(shí)間服用不同的藥品的情況，這種要求使得老年人準(zhǔn)確服藥更是難上加難。而且很多老人身邊是沒有家人陪伴的，也不會(huì)有醫(yī)生在旁指導(dǎo)，這種情況下服藥，就會(huì)存在很多安全隱患。目前市場(chǎng)上的大多數(shù)藥盒都沒有具體的時(shí)間標(biāo)注，藥盒的主要目的基本上是為了儲(chǔ)存藥品，對(duì)于復(fù)雜的用藥過程是沒有詳細(xì)的指導(dǎo)功能的，最多只是做到簡(jiǎn)單的用量和大體時(shí)間的標(biāo)注。老年人的忘服藥、誤服藥以及亂服藥等問題不能得到根本上的解決，大部分藥盒對(duì)老年人的正確用藥沒有起到幫助作用，針對(duì)老年人的心理、生理以及生活行為來設(shè)計(jì)的藥盒更是少之又少。因此，設(shè)計(jì)一種能夠方便老年人用藥，還能夠解決老年人服藥問題的智能家用藥盒十分必要。

2 智能藥盒整體設(shè)計(jì)背景和思路

單片機(jī)隨著現(xiàn)代社會(huì)的需要也在不斷發(fā)展壯大，各種電子產(chǎn)品中已普遍地使用到了以單片機(jī)為基礎(chǔ)的集成電路。以單片機(jī)為核心的數(shù)字集成電路產(chǎn)品正是基于其具有體積較小、功能豐富和低功耗等優(yōu)勢(shì)，才有巨大的市場(chǎng)開發(fā)價(jià)值[2]。因此電子智能藥盒公司在選定型號(hào)時(shí)，就充分考慮了單片機(jī)的功能體積和產(chǎn)品耐用性等因素，并使其朝著智能化、微型化的方向發(fā)展?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展本就是為方便人們，鑒于老年人在服藥中遇到的各種問題，智能藥盒的設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。

STC90C516 單片機(jī)、LCD1602 液晶和單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器等工作原理和結(jié)構(gòu)，在結(jié)合云平臺(tái)的基礎(chǔ)上，成為了家庭智能藥盒系統(tǒng)設(shè)計(jì)所相關(guān)硬件的工作原理和結(jié)構(gòu)[3]。該系統(tǒng)的運(yùn)行方式是：采用單片機(jī)控制器使嵌入的STC90C516 微電腦定時(shí)器可以被中斷，從而讓系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)時(shí)鐘的執(zhí)行情況，同時(shí)也可以在LCD1602 液晶體上顯示出當(dāng)系統(tǒng)偵測(cè)到有時(shí)間設(shè)定功能按鍵及藥物設(shè)定功能按鍵的信號(hào)后，進(jìn)入中斷時(shí)間及設(shè)定狀態(tài)時(shí)，就可以打開中斷并按下定時(shí)按鈕，以記錄當(dāng)前設(shè)定的時(shí)間以及用藥量。當(dāng)系統(tǒng)的定時(shí)調(diào)機(jī)完成之后，在系統(tǒng)定時(shí)工作的過程中，會(huì)連續(xù)不斷把系統(tǒng)的實(shí)際時(shí)間和記錄時(shí)間進(jìn)行比較，而當(dāng)二者時(shí)間相同時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生警告，并提供完整的合理用藥數(shù)據(jù)，1 min 后，如果實(shí)際時(shí)間與系統(tǒng)的記錄時(shí)間不相同的話，系統(tǒng)就會(huì)主動(dòng)退出提醒。這樣提示病人要準(zhǔn)時(shí)吃藥并且合理用藥的系統(tǒng)適合在家庭中應(yīng)用。

3 藥盒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 藥盒系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

藥盒控制器采用了STC90C516 單片機(jī)為主控器件，同時(shí)整合了由單片微型計(jì)算機(jī)提供最小系統(tǒng)輸出電壓所需的上電及復(fù)位回路，并內(nèi)置晶體振蕩器集成電路，電源模塊為藥盒系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定的直流電源，讓系統(tǒng)正常運(yùn)行。

以STC90C516 單片機(jī)為主控芯，同時(shí)整合了單片微型電腦的最小芯片的上電復(fù)位回路和內(nèi)置晶振集成電路的藥盒芯片，而LED1602 顯示模塊則主要作用是系統(tǒng)時(shí)鐘及其他數(shù)據(jù)的指示共振，語音系統(tǒng)是通過接收從單片機(jī)或微型計(jì)算機(jī)中傳送過來的語音信息達(dá)到對(duì)聲音信息顯示的目的，而LED 發(fā)光二極管和具備語音功能的蜂鳴器起到了協(xié)助報(bào)警作用。在編程時(shí)，利用其內(nèi)核或者單片機(jī)的內(nèi)存資源、所有驅(qū)動(dòng)程序資源資源的程序儲(chǔ)存區(qū)進(jìn)行調(diào)用，然后利用單片機(jī)的接口、單片機(jī)的引腳以及系統(tǒng)其他的模塊資源，子程序和LCD1602 數(shù)據(jù)的刷新程序需通過主程序的按鍵來掃描，把LCD1602 和按鍵模塊相結(jié)合，以達(dá)到通過按鍵輸入的所有信息能夠在LCD1602的液晶顯示屏實(shí)時(shí)播放的效果。系統(tǒng)中所有模塊間的配合功能是由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的，2+2+4 的8 個(gè)按鍵的輸入，也是由單片機(jī)完成檢測(cè)，同時(shí)可以將原先錄入的所有信號(hào)都顯示在LCD1602 顯示器上[4]。由1 個(gè)功能鍵、1 個(gè)調(diào)整按鍵和4 個(gè)定時(shí)對(duì)應(yīng)的定時(shí)按鈕來進(jìn)行定時(shí)器設(shè)置，一按下功能鍵就可使用調(diào)整按鈕完成調(diào)整，時(shí)間和藥物劑量的6個(gè)數(shù)值的選擇根據(jù)按下功能鍵的不同次數(shù)設(shè)定，最后一步則是再次按下功能鍵以及4 個(gè)定時(shí)鍵之一，在這個(gè)時(shí)候LED 燈就會(huì)閃爍，這表示已經(jīng)完成了一次定時(shí)操作，此時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)繼續(xù)運(yùn)行。

結(jié)束定時(shí)設(shè)計(jì)之后，來調(diào)整系統(tǒng)的時(shí)刻設(shè)置，可用功能按鈕和時(shí)間調(diào)節(jié)按鍵這2 個(gè)按鈕來實(shí)現(xiàn)，只要把功能鍵全部按下，就能夠調(diào)節(jié)系統(tǒng)的時(shí)刻，而分?jǐn)?shù)和小時(shí)數(shù)的調(diào)整則取決于按下功能鍵的次數(shù)，在進(jìn)行了系統(tǒng)時(shí)刻的調(diào)整后，當(dāng)最后一次按下功能鍵后，系統(tǒng)時(shí)鐘就會(huì)開始工作。而系統(tǒng)的實(shí)際時(shí)間調(diào)整是通過單片機(jī)的定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)的，由單片機(jī)的時(shí)間測(cè)量功能來測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)間和另外4 個(gè)定時(shí)時(shí)間之一是否相等，一旦實(shí)時(shí)時(shí)鐘運(yùn)行到預(yù)定的定時(shí)關(guān)機(jī)時(shí)間，LCD1602 顯示器上將會(huì)顯示藥物劑量，蜂鳴器會(huì)發(fā)出響亮的蜂鳴聲，LED 指示燈閃爍，提醒用藥時(shí)間到了。大概1 min 后，實(shí)際時(shí)鐘就會(huì)到達(dá)定時(shí)時(shí)間，但此時(shí)實(shí)際時(shí)間和定時(shí)時(shí)間將不再相同，系統(tǒng)將退出報(bào)警程序。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括STC90C516 單片機(jī)、2+2+4 按鍵、開關(guān)電源、晶振電路、復(fù)位回路、液晶顯示、蜂鳴器電路、發(fā)光二極管等幾個(gè)部分。

3.3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由STC90C516 單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路等構(gòu)成。

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)軟件的功能是利用單片檢測(cè)按鍵進(jìn)行信息的輸入，并且能夠?qū)⑤斎氲男畔㈦S時(shí)顯示在LCD1602的液晶顯示屏上，這時(shí)候系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)將設(shè)置用藥的時(shí)間記錄下來，將系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置好，所有的設(shè)置完畢后，系統(tǒng)就可以開始運(yùn)行了[5]。在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，單片機(jī)就會(huì)對(duì)比系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)間和定時(shí)時(shí)間之間的區(qū)別。當(dāng)兩種時(shí)間一樣的時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警報(bào)，并且會(huì)在顯示屏上顯示該次服用藥物的劑量。子程序由主程序控制著，子程序之間又相互作用、相互協(xié)調(diào)?？偠灾?，所有對(duì)應(yīng)子程序的元件只要驅(qū)動(dòng)子程序，各個(gè)子程序就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)作，共助系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

主程序模塊的作用包括對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部件初始化的控制，調(diào)用各個(gè)功能的子程序，當(dāng)然，調(diào)用這程序的方法也可以通過兩重及以上的嵌套，主程序控制著多個(gè)子程序模塊系統(tǒng)，只要將主程序進(jìn)行運(yùn)行，就可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)子程序模塊之間的協(xié)調(diào)功能。隨著主程序的運(yùn)作，整個(gè)系統(tǒng)將持續(xù)進(jìn)行運(yùn)算操作，這樣每個(gè)階段的不同功能就可以被實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)的主程序之中，當(dāng)主程序在不同的階段運(yùn)行時(shí)，通過時(shí)鐘的作用，主程序首要的任務(wù)就是將各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，其次才是進(jìn)入循環(huán)；在系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)后，通過對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，從而調(diào)用子程序，并且通過掃描進(jìn)行信息的輸入，經(jīng)過系統(tǒng)運(yùn)算，就會(huì)更新子程序，把原先輸入的所有信息都在LCD1602 上顯示出來，從而完成這4 次時(shí)間以及用藥劑量的設(shè)置，然后調(diào)整實(shí)時(shí)時(shí)間，只要實(shí)時(shí)時(shí)間一直向前運(yùn)行，一旦設(shè)定時(shí)間與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)間相等，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入報(bào)警程序。

4 智能藥盒語音和定時(shí)功能

老年患者在選取藥物的時(shí)候，直接觸碰頂蓋上的觸摸屏以及按鍵進(jìn)行操作，就可以輕松完成取藥服藥。這個(gè)功能可以有效幫助行動(dòng)不便的老人，或者是視力不好的老人，他們可以通過語音功能輸入命令，用語音來操控智能藥盒，這樣就可以輕松拿到他們自己想要拿的藥。并且可以在老年人忘記拿藥的情況下，會(huì)通過原先設(shè)計(jì)好的時(shí)間發(fā)出報(bào)警聲，以這種方式來提醒老年人吃藥，同時(shí)，還會(huì)自動(dòng)將老年人需要的藥品提取出來，對(duì)于健忘的老年人來說，如果他們忘記或者拿錯(cuò)了藥品，這個(gè)功能可以解決這類問題。還可以通過網(wǎng)絡(luò)通信功能，將智能藥盒旋轉(zhuǎn)功能的運(yùn)行信息上傳到云服務(wù)器上，這種功能可以可以通過APP 來控制，當(dāng)老年人身邊沒有人幫助的情況下，這種功能就可以用到，比如老年人的子女可以直接用過手機(jī)來操作，遠(yuǎn)程提醒老年人服藥。

最后經(jīng)過研制，形成產(chǎn)品——多功能智能藥盒，如圖1 所示。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)以STC90C516 單片機(jī)為核心，具備LCD1602 時(shí)間指示、4 次計(jì)時(shí)、蜂鳴器提示服藥時(shí)間、提示4 種用藥劑量等功能。所采用的STC90C516 系列單片機(jī)具有抗干擾性強(qiáng)、低功耗以及安全性高的特點(diǎn)。本文的出發(fā)點(diǎn)是為了防止老年人漏服或錯(cuò)誤藥物、忘記服用藥物、亂服用藥物等現(xiàn)象的發(fā)生，滿足老年人方便、正確和安全用藥的需求，而設(shè)計(jì)了一種能夠做到智能分類藥品、遠(yuǎn)程操作、定時(shí)提醒服務(wù)以及語音識(shí)別等效果的智能藥盒。本文主要對(duì)智能藥盒這款產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，使智能藥盒的功能更加豐富，既可以適應(yīng)老人在各種情況下的使用需要，也可以從根本上提高老人的生存品質(zhì)，從而改善老人的生活水平[6]。

在中國(guó)老齡化越來越嚴(yán)重，人們?cè)絹碓阶⒅亟】档沫h(huán)境下，智能藥盒非常具有實(shí)用價(jià)值。在系統(tǒng)功能上，如集成DS1302 添加了萬年歷的功能；在集成測(cè)溫模塊上，增加了對(duì)室內(nèi)溫度的檢測(cè)功能。這樣可以充分利用單片機(jī)的功能，將系統(tǒng)的可用性進(jìn)一步增加。