基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的老年人吃藥提醒智能藥盒系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)

楊 雪，吳 戀，陳宗旺，涂翠蓉

（貴州師范學(xué)院，貴州 貴陽 550018）

0 引 言

當(dāng)今社會，人口生育率下降等眾多因素導(dǎo)致了人口老齡化趨勢迅速擴大，如何提高老年人生活質(zhì)量成了社會關(guān)注的焦點，將智能輔助技術(shù)應(yīng)用到老年人醫(yī)療保健領(lǐng)域正成為一種趨勢。使用智能藥盒，不僅可以實時監(jiān)測到老年人用藥情況，還可以減輕監(jiān)護人的負擔(dān)，有效提高老年人生活質(zhì)量。因此，本文設(shè)計一款基于STM32芯片的智能藥盒。實驗表明，該藥盒操作簡單，可實現(xiàn)定時提醒老年人吃藥并及時向監(jiān)護人反饋信息的功能。

1 智能藥盒系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計的智能藥盒系統(tǒng)以STM32最小系統(tǒng)作為主要控制模塊，是一個集多種操作為一體的智能藥盒控制系統(tǒng)。STM32系列處理器具備性能高，消耗低等多種優(yōu)點，方便開發(fā)的同時也避免了不必要的資源浪費。該藥盒系統(tǒng)除了運用主控模塊實現(xiàn)總控制功能以外，還集成了電源模塊，提示模塊，溫度控制模塊和通信模塊。整個系統(tǒng)實現(xiàn)的過程可概括為：首先，系統(tǒng)會根據(jù)用戶提前設(shè)定好的時間來報警，報警方式為蜂鳴器聲音提醒和LED燈閃爍提醒。這樣的雙重提醒設(shè)置是為了更大程度地保證老年人接收到提醒信息，不錯過服藥時間；然后，系統(tǒng)采用熱釋電紅外傳感器來監(jiān)測藥盒里的藥是否被服藥者取走。如果在規(guī)定時間內(nèi)藥物沒有被取走，通信模塊便采取行動，發(fā)送短信到監(jiān)護人手機，告知監(jiān)護人患者沒有服藥，最后讓監(jiān)護人采取進一步措施。

2 封裝設(shè)計

本設(shè)計的外觀模型是兩到三層側(cè)壁結(jié)構(gòu)的方盒，采用封閉式的上下型結(jié)構(gòu)，總長寬高為15.8 cm×10 cm×13 cm，上方是放入藥物的小空間，控制芯片嵌入進藥盒內(nèi)部，屏幕放在方盒最醒目的位置，創(chuàng)建人機交互界面模型。該藥盒整體結(jié)構(gòu)大方得體，不僅能夠滿足設(shè)計需求，而且簡單輕盈。封裝設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖和平面展開圖如圖1，圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)框圖

圖2 平面展開圖

3 智能藥盒系統(tǒng)各模塊的實現(xiàn)

該智能藥盒的硬件系統(tǒng)設(shè)計主要包括：控制模塊（由STM32主控芯片組成）、電源模塊、紅外檢測模塊、溫度控制模塊、SIM通信模塊、蜂鳴器+LED提醒模塊等共同組成。

3.1 控制模塊

本設(shè)計的主控芯片選用 STM32F103 單片機。STM32單片機是基于ARM的32位通用加強型微控制器，支持實時的仿真和追蹤，由Cortex-M3內(nèi)核D-bus、S-bus、DMA1和以網(wǎng)DMA四個驅(qū)動單元等組成，是目前市場上主流的控制芯片。該芯片支持多種仿真模式，具備超前的體系結(jié)構(gòu)，性能極高，而且低電壓，低功耗的優(yōu)勢使得它被廣泛使用。如今熱門的智能家居行業(yè)也大量運用到了STM32單片機，經(jīng)過多次實踐的探索和積累，使得該系列單片機的更多潛在功能被挖掘出來，這對未來更深層次的開發(fā)極為有利。本設(shè)計選用的STM32F103模塊開發(fā)靈活變通、不受限制，具有突出的內(nèi)核以及出色的外部設(shè)計，兼?zhèn)淞撕唵我子谩⒃O(shè)計自由的優(yōu)點。

3.2 溫度控制模塊

目前，PID溫度控制已被應(yīng)用到工程設(shè)計的多個方面。該控制系統(tǒng)能夠根據(jù)溫度變化快速采取調(diào)節(jié)措施以達到控制溫度的目的。PID算法的基本原理是：由于外界環(huán)境的不斷變化，會源源不斷產(chǎn)生不同程度的影響，于是想要控制一個量恒定在一個范圍不劇烈改變，就應(yīng)該持續(xù)執(zhí)行控制命令；如果外部環(huán)境使想要控制恒定的參數(shù)發(fā)生了變化，感應(yīng)元器件就會將發(fā)生的所有變化收集后經(jīng)由變送器發(fā)送給PID 控制器的輸入端，并與預(yù)先設(shè)定好的值進行比較進而得到差值（e值），調(diào)節(jié)器便將設(shè)定好的參數(shù)值與差值結(jié)合，獲取規(guī)律發(fā)出控制指令；然后改變調(diào)節(jié)器的開度，讓調(diào)節(jié)器的開度增大或減小，以實現(xiàn)改變現(xiàn)場控制目標(biāo)值的效果，并接近于給定值。PID算法各個比例系數(shù)的作用見表1所列。

表1 PID算法各個比例系數(shù)的作用

數(shù)字PID控制器的微分方程如下：

3.3 提示模塊

提示模塊的主要功能是提醒用戶用藥。因為老年人聽力和視力都相對較差，只采用單一的提示方式可能會造成接收不到提醒或者單一提醒模塊偶然失效的隱患，所以本設(shè)計中采用蜂鳴器和揚聲器的聲響加LED燈光雙重提醒方式，以提高提示模塊的有效性和可靠性。蜂鳴器采用5 V直流電壓供電，并使用8050 NPN型晶體三極管驅(qū)動。8050三極管最大電流為500 mA，放大倍數(shù)為10～60倍。因此該模塊采用5 V電壓供電，按放大50倍的效果計算，采用100 Ω的電阻最佳。當(dāng)單片機輸出端輸出高電平時，蜂鳴器響起，達到報警目的。蜂鳴器提醒電路如圖3所示。

圖3 蜂鳴器提醒電路

LED 燈是一種半導(dǎo)體材料制成的發(fā)光管，具有亮度高且功耗低的特點。LED燈因其節(jié)能的優(yōu)勢在當(dāng)今市場上被廣泛應(yīng)用。該智能藥盒系統(tǒng)采用LED燈與電阻串聯(lián)的設(shè)計，降低電路電流，并將單片機引腳端作為流入端。當(dāng)引腳端呈現(xiàn)低電壓時LED燈發(fā)光，呈現(xiàn)高電壓時LED燈則熄滅。由于單片機引腳功率有限，其管腳電流最大不能超過25 mA，總電流不能超過150 mA，為防止電流對單片機引腳產(chǎn)生沖擊，要想讓LED燈散發(fā)最佳的亮度，采用1 kΩ電阻是最合適不過的。因此設(shè)計選用1 kΩ電阻作為限流電阻。LED提醒電路如圖4所示。

圖4 LED提醒電路

3.4 SIM通信模塊

基于本設(shè)計的要求，當(dāng)預(yù)設(shè)時間到達時，提醒模塊便開始啟動，提醒老年人用藥。但這并不能保證藥物一定被患者取走服用，故本系統(tǒng)外加了紅外檢測監(jiān)控藥物是否被取走。如果藥物在10 min之內(nèi)未被取走，則系統(tǒng)會發(fā)送消息到監(jiān)護人手機上，讓監(jiān)護人進一步采取措施。本設(shè)計的通信模塊采用SIM800C通信模塊進行通信。SIM800C通信模塊可以實現(xiàn)很多功能，其中就包括語音和數(shù)據(jù)信息的傳送，還可以撥打和接聽電話，可發(fā)送和接收中英文短信等。在設(shè)計中主要使用了其短信功能以及基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸功能，SIM800C接口引腳定義見表2所列。

表2 SIM800C接口引腳定義

4 結(jié) 語

為了定時提醒服藥者按時吃藥，提高他們的生活質(zhì)量，本文設(shè)計了一款基于STM32F103嵌入式技術(shù)的智能藥盒。該智能藥盒通過集合溫度控制模塊、提醒模塊，檢測模塊，通信模塊等模塊實現(xiàn)到點提醒并及時反饋的功能。經(jīng)過后期測試表明：系統(tǒng)各個功能模塊的測試效果滿足功能需求，且操作方便，便于控制；同時，利用STM32F103作為控制芯片，系統(tǒng)處理速度快、實時性好、后期開發(fā)潛力巨大。