刘思辰，王 琪，张文轩，杨 飞
（西安工业大学电子信息工程学院，西安 710021）
近年来随着移动互联网、人工智能等技术的迅猛发展，智能医疗产品逐渐兴起。其中，“智能药瓶”作为一种新型智能医疗产品，受到了广泛关注。然而，对于老年人这一受众群体，由于基础病、慢性病多，需要长期服用的药物较多且服用时间、用量不统一，再加上老年人记忆力、听力视力等生理功能不如年轻人，按时、准确、安全地服用药物成为了一大难题。因此，本文设计了一款多功能智慧药箱，通过采用GSM 通信技术实现对用户服药信息的监测并通过短信形式告知监护人，实现监护人对患者服药情况的远程关怀，提醒老年人精准服药。同时，药箱还采用个性化的智能语音提醒设计，根据患者服药的情况，分时、分次对老人服药进行智能提醒，让使用者精准服用药物，防止患者错误服用药物而造成其他病症和二次住院现象。家庭智慧药箱操作便捷、功能完善，可以实现智能管理用药时间、智能语音提醒、智能信息显示等多种功能，减小了空巢独居老人误服、漏服药及药物霉变等安全隐患，具有广阔的发展前景[1]。
家庭智慧药箱作为家庭安全服药的重要纽带，主要包括用户服药状态检测、药盒温湿度检测、交互式触摸屏控制、自动开/关箱、服药提醒及报警等功能，其基本功能组成如图1 所示。
图1 系统基本功能组成框图
为实现用户服药状态检测，家庭智慧医药箱会够记录各种药的数目与每次药剂。通过光强采集器件来检测家庭医药智慧管家的开闭状态从而判断用户是否按时服药。当用户没有按时吃药时，将会通过短信提醒用户家人督促老人按时吃药；
当药量不足时，将会通过报警装置提醒用户及时添加药物。这样可以避免储药盒内药量不足情况的出现，体现出医药箱的智能化。
药盒温湿度检测设计是针对传统药箱在设计时只考虑到提醒老人吃药但忽略了测量药品储藏的环境信息的问题。设计药盒温湿度检测模块，可以让用户清晰知晓各个药盒的具体状况，保证药品储存安全。
交互式触摸屏控制设计针对传统药箱多为黑白显示，不利于老年人观看及功能单一的问题。设计中采用彩色交互式智慧大屏，使用过程更加直观便利。药盒的温湿度信息、药品剩余情况等功能均可通过智慧屏幕触屏操作。
自动开/关箱功能是当家庭医药智慧管家接收到用户打开或关闭药箱的命令后，由电机控制模块驱动电机打开/关闭药箱，还可通过光敏监测模块监测用户是否开箱服药。
家庭医药智慧管家能够记录各种药品的类别与储放时间[2]。服药提醒及报警设计就是考虑到当用户没有按时吃药时，可通过短信或小程序的方式使家属督促用户服药；
当药量不足、储藏环境不符合要求等情况发生时，通过报警装置提示用户进行处理，使药箱更加智能化。
3.1 硬件总体结构设计
为实现具备语音提醒、环境监测、液晶显示、GSM 通信等多种实用功能的智慧药箱，硬件部分选取STM32 为控制核心，由电源电路、LCD 触摸显示模块、语音处理模块、温湿度及光敏检测模块、通信模块和电机控制模块等组成[3]，结构图如图2 所示。
图2 系统结构图
控制器选择ARM 体系的核心控制芯片STM32 F103VCT6，使用芯片内部的实时时钟（RTC）提供当前时间和日期，通过LCD 触摸屏设定服药时间、实时显示当前日期和时间、将预先录入的语音作为提示音等。开启闹钟后，当用户设置的闹钟到达指定时间时，智能药箱系统将点亮药箱底部的LED，并通过扬声器播放提示音，提醒用户服药[4]。本设计采用短信的方式来获得稳定便捷的通信。
3.2 主控模块电路设计
智能药箱的主控部分选用了STM32F103VCT6芯片作为核心控制芯片。主控芯片及其外围电路设计如图3 所示。
图3 主控芯片及其外围电路
此芯片拥有较大的flash 存储器和SRAM，可用于存储应用程序和数据，并提供多种接口和通信协议，如UART、SPI、I2C 等，满足智能药箱的各项功能需求。此外，STM32F103VCT6 还具备低功耗特性，能够实现节能操作，同时具备较高的时钟速度和快速的数据处理能力，能够有效地处理复杂的药品数据和控制逻辑。稳定可靠的性能和先进的微控制器架构使它成为智能药箱系统中可靠的主控芯片选择。
3.3 电源电路设计
智能药箱在使用时，通常采用220V 家用交流电供电，需要进行适当的电源适配器进行功率电压转换，将家用220V 电压转换为12V 电压为智能药箱进行供电，再采用变压器和稳压器将电压稳定至3.3V，为智能药箱主控芯片提供供电电源。电路原理图设计如图4 所示。
图4 电源供电电路
3.4 环境温湿度监测
所设计的智能药箱为了实现环境监测功能，在每个药格中装有SHT31 温湿度传感器，可以对药格中药物的储存环境起监测作用，以免药物药性发生改变[5]。采用的SHT31 温湿度传感器允许宽电压输入，支持2.4V～5.5V。采用I2C 总线通信，通信速度最高可达1MHz。传感器的精度为2%RH 和0.3℃。传感器最大工作范围-40 ℃～125 ℃，0～100%RH。SHT31 温湿传感器模块电路如图5 所示。
图5 SHT31 温湿传感器电路
光强检测使用了BH1750 光敏传感器模块作为检测光强度的装置。该装置能够精确地感知环境中的光照强度并输出数字信号，方便微处理器进行数字处理，进而实现智能化的控制。BH1750 光敏传感器模块电路图如图6 所示。
图6 BH1750 光敏传感器电路
3.5 触摸屏显示控制
智能药箱的显示功能主要是显示实时时间以及提示吃药信息。该触摸屏显示模块使用7.0 英寸IPS电容屏DC80480，其作用为显示时钟信息、温湿度情况、服药次数等。使用IPS 面板的优势是可视角度高、响应速度快，色彩还原准确且可以进行多点触控。显示电路与主控芯片相连的接口电路如图7 所示。
图7 显示电路与接口电路
3.6 短信提醒及报警
智能药箱能够记录各种药的数目与每次用药剂量。当用户没有按时吃药时，将会通过短信提醒用户监护人督促老人按时吃药；
当药量不足时，通过报警装置提醒监护人及时添加药物。这样可以避免药箱内药量不足，使药箱更加智能化[6]。该模块电路原理图设计如图8 所示。
图8 GSM 模块电路原理图
通信模块采用使用最广泛的GSM 通信模块。使用SIM800C 器件，具有蓝牙、录音、拨号、短信、彩信、TTS、GPRS、DTMF 等功能。该设计中GSM 通信模块主要用于当服药时刻到达时，发送短信给用户（吃药使用语音播报提醒，不是短信）；
当用户长时间不打开药箱服药，发送短信给其监护人进行提醒。
3.7 电机驱动模块设计
电机模块采用六个SG90 舵机，并通过驱动模块实现对电机旋转的控制。通过主板的I/O 口控制74HC245 的6 个MI 端口，以增加舵机的带载能力。需要开启或关闭药箱时，主控芯片给相应I/O 口发送控制信号，即可通过主控制器控制舵机进行药箱的开关操作。电机模块与主控芯片相连的接口电路如图9 所示。
图9 电机控制模块电路原理图
根据实际用药情况设置药物信息，包含药物名称、现有药物量、每次服药的数量以及服药周期[7]。在系统初始化完成后，判断是否到达需要吃药的时间，如果到达吃药的时间，智能药箱会发出语音提醒，同时通过显示屏显示需要服用的药物信息并且将服药情况通过短信发送给预先设定的用户。当选择“开始吃药”时，即开始10 分钟倒计时，如果用户在10 分钟以内没有关闭药箱，则将发出语音提醒其立即关闭药盒。当用户点击显示屏上的“关闭药箱”后，电机控制模块会驱动电机去关闭药箱，同时下一个服药周期开始。当到达服药时间，如果用户仍未点击开箱按键来服药，则系统会在15 分钟内以每5分钟为间隔进行语音播报；
如果在15 分钟之后用户仍未进行服药，则将发送短信通知家属，辅助用户进行服药[8]。智慧药箱主流程如图10 所示。
图10 系统主流程图
通过多次对触摸屏显示模块、语音提醒模块、GSM 通信模块、电机驱动模块等进行测试，可以得到如下各图所示的测试结果。
如图11 所示为触摸屏显示模块测试结果，屏幕中显示实时时间、温度、湿度、药品余量及药箱设置按键，可供用户进行操作。
图11 显示模块测试图
如图12 所示为语音提醒模块测试结果，当达到服药时间，屏幕中显示具体需要服用的药品信息并进行语音提示，以督促用户及时服药。
图12 服药提醒模块测试图
如图13 所示为GSM 通信模块测试结果，可在触摸显示屏中设定监护人联系电话以及发送短信的次数信息。
图13 GSM 通信模块测试图
如图14 为电机驱动模块测试结果，看到点击开箱服药按键后药箱的打开/关闭状态。
图14 电机驱动模块测试图
多功能智能药箱采取软硬件结合的模块化设计，配合3D 打印外壳，在产品设计上已近完备，可正常实现药品状态监测、用户服药语音提醒、智能管理用药时间、监护人提示报警、自动开关药箱等多种功能。智能药箱操作简单，信息显示直观，能有效减少老年人误服药、漏服药的安全隐患，符合未来医疗和健康管理的发展趋势。因其价格低廉、可扩展性强等特点，适合在家庭、养老院等医疗护理场所逐渐普及，市场应用前景广阔。
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