一種智能藥膏涂抹器的設(shè)計

肖莉 劉麗麗 楊延寧 余知樸 杜永星

摘 要：為了解決皮膚病患者在使用手或棉簽等涂藥時存在的問題，設(shè)計了一種智能藥膏涂抹器。該涂抹器采用MSP430f5529單片機控制，機械部分由伸縮手柄、攝像頭、滾珠、藥膏存放盒等部分組成，通過電機帶動滾輪擠壓出藥膏。樣機測試表明，該涂抹器能準(zhǔn)確地控制出藥量，可以有效避免藥膏的浪費，并且可通過按摩促進(jìn)藥物的吸收，同時患者能夠在涂藥過程中實時觀察患處，從而將藥膏精準(zhǔn)均勻地涂抹于患病部位。同時，該涂抹器具有操作簡單、方便實用、成本低廉等特點。

關(guān)鍵詞：智能;藥膏;涂抹器

中圖分類號：TN609 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）5-0016-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.05.003

Design of an Intelligent Ointment Applicator

XIAO Li1 ? ?LIU Lili1，2 ? ?YANG Yanning1，2 ? ?YU Zhipu1，2 ? ? DU Yongxing1

（1.School of Physics and Electronic Information， Yan 'an University， Yan'an 716000，China;2. Key Laboratories Jointly Built by Shaanxi Provinces and Cities of Intelligent Processing of Big Energy Data， Yan'an 716000，China）

Abstract：In order to solve the problems of skin patients using hands or cotton swabs，an intelligent ointment applicator is designed.The applicator is controlled by MSP430f5529 single chip microcomputer.The mechanical part is composed of a retractable handle，camera，ball，ointment storage box and other parts，which is extruded by a roller driven by a motor.Prototype test shows that the applicator can accurately control the dosage，effectively avoid the waste of ointment，and promote drug absorption through massage.Meanwhile，patients can observe the affected area in real time during the application process，so that the ointment can be accurately and evenly applied to the affected area.At the same time，the applicator has the characteristics of simple operation，convenient and low cost.

Keywords：intelligent;ointment;applicators

0 引言

皮膚是人體最大的器官。在我國，皮膚病是一類常見且多發(fā)的疾病。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，我國皮膚病的總患病率約為1.23%，即全國大約有0.168億人患有不同程度的皮膚疾病。現(xiàn)代社會人們的生活節(jié)奏越來越快，受不良飲食、生活習(xí)慣以及環(huán)境惡化等因素的影響，皮膚疾病的患病率呈上升趨勢。同時，皮膚病也被認(rèn)為是一種發(fā)病率高、致殘率高、傳染性強的疾病，輕則局部瘙癢、疼痛，重則瘢痕遍及全身，如白癜風(fēng)、紫癜、痤瘡等。如今應(yīng)用藥膏涂抹治療是治療皮膚病的主要方法之一。

目前，皮膚病患者通常用手指或棉簽進(jìn)行涂藥，但這些傳統(tǒng)的涂藥方式存在諸多弊端。首先，手是人體接觸外部環(huán)境最多的部分，大多數(shù)患者在涂抹藥膏前沒有對手部進(jìn)行清潔，這就導(dǎo)致了大量的細(xì)菌在患病部位滋生[1-2]，從而增加了感染的風(fēng)險;其次，棉簽上包裹的消毒棉花易沾染藥膏，造成藥膏浪費嚴(yán)重或激素類藥膏使用過量;另外，如果患處在患者難以觸及或看不見的部位時，患者利用傳統(tǒng)的涂藥方式將難以自行完成涂藥工作，如果患病部位的面積較大，用棉簽蘸取藥膏涂藥將十分費時費力[3-4]。因此，針對傳統(tǒng)涂藥方式存在的涂藥不方便、涂抹不均勻、容易浪費藥膏等問題，基于患者的需求和涂藥工具的研究現(xiàn)狀，結(jié)合臨床實際，研制出一款適合皮膚病患者使用、價格適中、功能齊全的智能藥膏涂抹器。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

智能藥膏涂抹器結(jié)構(gòu)主要由四部分組成，如圖1所示。

出藥裝置：利用ESP32-CAM開發(fā)板及編寫好的相關(guān)代碼驅(qū)動步進(jìn)電機，推動齒輪的傳動，從而將藥膏擠出。這樣能夠使儀器精準(zhǔn)地把控上藥量，有效防止藥膏的浪費。

可視化裝置：利用ESP32-CAM開發(fā)板對患者的患病部位進(jìn)行實時攝像，并通過無線網(wǎng)絡(luò)，將攝像畫面實時傳輸?shù)绞謾C，使患者在涂藥過程中能夠?qū)崟r觀察患病部位的情況，以便將藥膏準(zhǔn)確地涂抹在患處，避免將藥膏涂于其他部位。

涂抹裝置：由涂抹頭和連接用的特制卡扣組成。涂抹頭由特制的滾珠制成，保證能夠均勻地涂抹藥膏，并對涂藥部位進(jìn)行適當(dāng)按摩，以促進(jìn)患病部位對藥膏的滲透和吸收。特制卡扣用來固定涂抹頭，解決藥膏的出藥口徑不同的問題。

另外，可伸縮的手柄方便皮膚病患者的使用，能夠更快捷地夠到雙手夠不著的位置。使用結(jié)束后可直接拆卸涂抹頭，在進(jìn)行簡單清洗后，即可換其他藥膏進(jìn)行使用。

儀器內(nèi)部構(gòu)造結(jié)構(gòu)如圖6所示，將開蓋的整支藥膏放入儀器，并按下相應(yīng)的擋位，內(nèi)部的ESP32-CAM開發(fā)板及編寫好的相關(guān)代碼會驅(qū)動步進(jìn)電機，從而推動齒輪的傳動，擠壓藥膏。在保證藥膏出藥量的前提下，涂抹頭將藥膏均勻地涂抹在患處，并對患處進(jìn)行適當(dāng)?shù)匕茨?。滾珠卡扣涂抹頭旁邊是具有可視功能的ESP32-CAM攝像頭。

2 電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)控制原理

本系統(tǒng)以MSP430單片機為主要控制電路，通過控制電路對該系統(tǒng)的各個部件進(jìn)行控制，如圖2所示?？刂齐娐放cESP32-CAM開發(fā)板、攝像頭相連，然后通過攝像頭進(jìn)行圖像采集，通過無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的畫面信息實時傳遞到移動終端[5]。通過電機驅(qū)動控制涂抹頭，可適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)其擠壓藥膏的速度。顯示屏則顯示當(dāng)前剩余的藥量及電量。

電機的驅(qū)動電路集成在開發(fā)板上，通過單片機發(fā)出的指令來控制電機的轉(zhuǎn)速，滾輪在電機的帶動下，以一定的速度沿著軌道擠壓藥膏出藥，以此達(dá)到準(zhǔn)確控制用藥量，減少不必要的浪費[6-7]。

2.2 圖像采集與無線通信

ESP32-CAM是深圳市安信可科技有限公司最新發(fā)布的小尺寸攝像頭模組。該模塊可以作為最小的系統(tǒng)獨立工作（如圖3所示），尺寸僅為27 mm×40.5 mm×4.5 mm，深度睡眠的電流最低為6 mA。ESP32-CAM廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，適用于家庭智能設(shè)備、工業(yè)無線控制、無線監(jiān)控、QR無線識別、無線定位系統(tǒng)信號以及其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的理想解決方案。ESP32-CAM采用DIP封裝，直接插上底板即可使用，可實現(xiàn)產(chǎn)品的快速生產(chǎn)，為客戶提供高可靠性的連接方式，方便應(yīng)用于各種物聯(lián)網(wǎng)硬件終端場合[8]。

MSP430F5529是最新一代的、具有集成USB的超低功耗單片機，可應(yīng)用于能量收集、無線傳感及自動抄表等場合，是最低工作功耗的單片機之一。MSP430F5529開發(fā)板是MSP430F5529單片機的開發(fā)平臺，由電源選擇開關(guān)、RF射頻接口、microSD Card插槽、MSP430F5529芯片及引出引腳、USB接口、JTAG仿真接口、齒輪電位計、電容觸摸按鍵、LED、按鈕、EZ-FET內(nèi)置仿真器、102×64點陣LCD和三坐標(biāo)軸加速度計組成。該開發(fā)板將I/O引腳接出來，方便用戶進(jìn)行試驗操作。

通過ESP32-CAM開發(fā)板所提供的IP地址，無線通信模塊使用網(wǎng)頁登錄局域網(wǎng)IP，進(jìn)入相機設(shè)置頁面，點擊start stream，開始顯示攝像頭圖像。將采集到的圖像信息發(fā)送到終端設(shè)備，通過終端設(shè)備再次發(fā)出指令，由單片機MSP430接收并控制硬件電路完成指令操作（見圖4）。

在配置環(huán)境時，打開Arduino IDE后要先安裝ESP32開發(fā)板。生成代碼后可手動修改SSID和password為自己的WiFi名和密碼。將IO0和GND短接后，開始燒錄程序。在一定的距離內(nèi)且在同一個局域網(wǎng)下，單片機向WiFi模塊發(fā)送指令，通過WiFi模塊中的RS232協(xié)議進(jìn)行串口通信。

ESP32-CAM開發(fā)板及攝像頭的使用需要合適的配置環(huán)境，選擇合適的開發(fā)板，然后對程序進(jìn)行燒錄。ESP32-CAM既可在Windows環(huán)境下進(jìn)行配置，也可在Linux環(huán)境下進(jìn)行配置。本研究主要介紹的是在Windows環(huán)境下ESP32-CAM的運行模式，程序燒錄完成后，ESP32-CAM開發(fā)板直接與主控單片機相連，完成供電，然后可通過無線網(wǎng)絡(luò)與終端設(shè)備相連，顯示當(dāng)前的拍攝環(huán)境。

3 機械設(shè)計

本智能藥膏涂抹器的機械部分由藥膏存放盒、攝像頭、滾珠卡扣涂抹頭、伸縮手柄、開關(guān)和擋位控制按鍵、可視移動終端、多種規(guī)格涂抹頭等組成[7]。智能藥膏涂抹器外部結(jié)構(gòu)示意圖見圖5，內(nèi)部示意圖見圖6，不同規(guī)格的涂抹頭見圖7。藥膏存放在盒側(cè)壁上遠(yuǎn)離電機的一端，與滾珠卡扣涂抹頭相連接，通過滾珠卡扣涂抹頭將存放盒里的藥膏涂抹在患處;攝像頭固定在滾珠卡扣涂抹頭上方，通過導(dǎo)線與ESP32-CAM開發(fā)板連接，通過無線網(wǎng)絡(luò)與可視移動終端連接;伸縮手柄連接在藥膏存放盒下端;可視移動終端為手機或平板電腦，并通過無線網(wǎng)絡(luò)與攝像頭相連;通過MSP430f5529單片機與驅(qū)動板來控制電機的轉(zhuǎn)速;通過距離傳感器測量涂藥時滾輪距藥膏前端的距離，從而確定藥膏的剩余量;顯示屏則顯示電量和內(nèi)部存放藥膏的剩余量。

4 使用方法

將需要涂抹的藥膏開蓋后放入藥膏存放盒內(nèi)，選擇規(guī)格合適的涂抹頭，調(diào)節(jié)伸縮手柄至合適長度。接著按下開關(guān)按鍵，通過無線網(wǎng)絡(luò)使手機或平板電腦與攝像頭連接，觀察患病部位，將涂抹頭置于需要涂抹的位置，并按下?lián)跷绘I，開始涂藥。在按下?lián)跷绘I后，智能藥膏涂抹器內(nèi)部電路開始運行，單片機與驅(qū)動板控制電機的轉(zhuǎn)速，從而使?jié)L輪按照擋位的大小沿著軌道擠壓出藥膏，利用滾珠卡扣涂抹頭將藥膏均勻地涂抹在患處。在使用結(jié)束后，可以通過顯示屏來確認(rèn)電量及藥膏的剩余量，以確定是否需要充電與更換藥膏，直接拆卸滾珠卡扣涂抹頭進(jìn)行清洗，就能夠更換使用不同的藥膏。

5 結(jié)語

本研究設(shè)計的智能藥膏涂抹器能夠通過單片機實現(xiàn)對電機的控制，從而準(zhǔn)確地控制用藥量，能夠有效避免藥膏的浪費。還能通過無線網(wǎng)絡(luò)將所拍攝到的畫面實時傳輸?shù)绞謾C，使患者在涂藥過程中能夠觀察患病處，實現(xiàn)準(zhǔn)確涂抹。智能藥膏涂抹器特制的滾珠藥膏涂抹頭能夠保證將藥膏涂抹均勻，并對患處進(jìn)行按摩，從而促進(jìn)皮膚對藥膏的滲透和吸收。此外，本研究設(shè)計的這款智能藥膏涂抹器能夠滿足各類患者不同患病處的藥膏涂抹需求，可廣泛應(yīng)用于市場。

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