基于單片機控制的智能提醒藥箱設(shè)計研究

孫克瑾，白耀文，全文豪，王悅忠，趙佳鑫，張景川

（塔里木大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

近年來，隨著社會老齡化程度的加快，以及當代年輕人生活壓力的不斷加大，老年人口逐漸增多而獨自在家的老人數(shù)量也是日益倍增。老年人獨自在家的安全隱患也隨之增加，據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，每年由于誤食藥物引起的醫(yī)療事故超過百萬起。老年人視力變差、記憶力減弱，使得他們在自主服用藥品的時候有很大的困難，而一旦存在忘服或誤食藥品的情況，會產(chǎn)生極為嚴重的后果?；诖?，本項目組設(shè)計一種藥箱，可以實現(xiàn)到時語音提醒，自動按時間和藥量出藥，發(fā)聲提醒，冷藏藥物及含有多個附加功能的智能藥箱。

1 研究背景和意義

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)空巢老人這一問題非常嚴重，子女忙于工作無法長時間照顧老人，對于老人而言，身體狀況不再良好，難免會吃一些藥來避免病痛，因此，在吃藥方面就會存在安全隱患，比如多吃錯吃藥物，這樣無疑對老人有危害，甚至會威脅生命。對于這些問題，有些家庭也采取了一些措施，請私人醫(yī)生或者將老人送往養(yǎng)老院，但這是其中一小部分，因為此種方法會使一些老人感到心寒且代價比較高，大多數(shù)家庭還是難以承受的。

如圖1（a）所示的藥箱屬于云服務(wù)藥箱，其功能為SOS一鍵呼叫、在線問診等。此藥箱只提供了咨詢服務(wù)，卻沒有儲藥功能。

如圖1（b）所示的APP實時監(jiān)控藥箱功能為在線問診、智能提醒、藥物管理等，自動生成服藥健康管理檔案的智能藥箱。產(chǎn)品集智能、簡易和實用于一體，調(diào)控用藥時間與頻率，幫助中老年人養(yǎng)成良好的服藥習慣。

圖1 國內(nèi)外常見的智能藥箱

但是，這些樣式的藥箱在儲藥備藥方面卻存在很大的不足，盡管有些藥箱會提示老人應(yīng)該去吃什么藥，吃多少藥，可是大部分老人還是會分不清藥的種類。故本作品在設(shè)計時考慮老年人每天用藥的次數(shù)和用藥的數(shù)量，解決老年人吃藥難、誤吃藥的問題，保質(zhì)保量地督促老年人按時吃藥。

1.2 研究意義

根據(jù)大數(shù)據(jù)預(yù)測顯示，到21世紀中葉，我國老年人的人口將增加到占全國總?cè)丝诘?0%以上，因此，老年人群體是我們不可以忽視的。老年人隨著年齡的增長，出現(xiàn)行動力的下降、視覺的老化、語言表達能力的下降和聽覺的老化等問題。同時老年人也是慢性病高發(fā)人群，服藥次數(shù)多、種類多，但因其記憶力不好，生活自理能力差，因此會有漏服、多服及錯服藥的情況發(fā)生，這些情況都是非常危險的。怎樣確保老年人按時且準確服藥是亟待解決的問題。最近幾年，針對這一問題，許多學者和企業(yè)十分重視開發(fā)與設(shè)計適合老年人方便使用的發(fā)明。

基于老年人獨自在家的安全隱患也隨之大大增加，本項目組申請立項“老年人多功能智能藥箱”課題，擬設(shè)計一種藥箱，可以實現(xiàn)到時語音提醒，自動按時間和藥量出藥，發(fā)聲提醒，冷藏藥物并含有多個附加功能的智能藥箱。老年人可以按時地、準確地吃藥，該設(shè)計具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2 老人定時吃藥智能提醒藥箱總體設(shè)計方案

2.1 老人定時吃藥智能提醒藥箱設(shè)計思路

本屆機械創(chuàng)新設(shè)計大賽的主題為“智慧家居，幸福家庭”，內(nèi)容為“助老年人獨自活動起居的機械裝置（簡稱助老機械）；現(xiàn)代智能家居的機械裝置（簡稱智能家居機械）”。本作品針對人口老齡化的健康養(yǎng)老問題，設(shè)計一種提醒吃藥、物品整理和方便存取的機械裝置。在設(shè)計時著重考慮原則：使用簡單、自動出藥和智能提醒，這也是我國必須面對和解決的社會問題。其他設(shè)計原則，首先，根據(jù)市面常見藥物的外形設(shè)計出相應(yīng)的裝藥漏藥裝置，如常見的圓形藥片、膠囊藥形和橢圓藥形等。其次，編輯相關(guān)程序，通過出藥口的光電門對出藥數(shù)量統(tǒng)計的反饋，設(shè)計單片機控制舵機的轉(zhuǎn)動圈數(shù)控制出藥量。最后，將不同種類的藥物集中于出藥口下的取藥裝置中；為方便儲存?zhèn)溆盟幬?，在取藥裝置的兩側(cè)分別設(shè)計有一個抽屜；在取藥裝置下一層設(shè)計有冷藏層，主要儲存有低溫要求的藥物，如胰島素等。

本裝置主要實現(xiàn)對藥物的智能分揀、定時提醒、語音播報和藥物冷藏的功能。

2.2 老人定時吃藥智能提醒藥箱設(shè)計方案的確定

參賽隊員開始討論時，起初的思路是在傳統(tǒng)藥盒樣式的基礎(chǔ)上細分每一次要吃的所有種類的藥物，如早中晚，并且可以放下一周的藥物；另外新增語音播報功能，定時早中晚按時提醒吃藥（方案一）。

但是，參賽成員在進一步討論和設(shè)計藥盒樣式的過程中，發(fā)現(xiàn)本方案存在以下問題。

（1）這種藥盒并沒有更加突出的創(chuàng)新點。

（2）藥物儲備量相對較少，并且空間利用率較低。

（3）對于老年人來說，不能夠保證老人完全將藥物拿正確，存在誤服藥物的問題。

基于上述問題，參賽成員將其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，產(chǎn)生了方案二。

將裝藥裝置設(shè)計為圓盤機構(gòu)，圓盤1/6的扇形是掏空的，圓盤之上是6小塊隔板，隔板每轉(zhuǎn)180°就會有一塊扇形之中的藥物自動掉下去。在圓盤上方有自動分揀裝置，空的隔板到達裝藥地方時，藥物漏下，后方的圓盤上面是旋轉(zhuǎn)儲藥裝置，隔板每轉(zhuǎn)動180°，空塊的上方將會自動補藥，補藥裝置是一個螺旋裝置，每一節(jié)放一片藥，螺旋裝置每轉(zhuǎn)動一下，將會漏下一片藥，設(shè)計好相應(yīng)藥的個數(shù)并寫好程序即可實現(xiàn)藥箱分揀機構(gòu)示意圖如圖2所示，外殼結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 藥物分揀裝置

圖3 藥箱整體

方案二相對于方案一，有以下優(yōu)點：①新增自動補藥裝置，藥物儲備量增加，單次使用周期變長，更加方便；②創(chuàng)新點為自動漏藥，將各類藥物及數(shù)量最終整合在一起，無需老人找藥，大大降低了誤服藥物的可能；③空間利用率提高。

但是，參賽成員在進一步的討論中發(fā)現(xiàn)此方案的螺旋裝置比較難以實現(xiàn)，程序設(shè)計也具有一定困難，于是產(chǎn)生了方案三。

將藥箱總體設(shè)計大致分為裝藥漏斗、撥藥盤和保護外殼3部分。根據(jù)常用藥的形狀設(shè)計3種撥藥盤，每種撥藥盤有2個，撥藥盤及外殼都是可拆卸的，共6個藥物分揀裝置，實現(xiàn)裝置對藥物的分揀功能。工作原理為將藥物放在小漏斗里，每次有1片藥進入撥藥盤，通過舵機控制撥藥盤轉(zhuǎn)動1圈，當?shù)竭_180°時藥物掉落，出藥口有光電開關(guān)進行計數(shù)，然后將信號反饋于STM32F103RCT6單片機，進而控制舵機的轉(zhuǎn)動圈數(shù)；出藥機構(gòu)主要是對藥物分揀機構(gòu)的固定和出藥匯總的作用，由固定層和出藥漏斗2部分組成，藥物從分揀機構(gòu)露出，通過漏斗匯總從下方圓形出口滑入藥杯中；冷藏層主要靠半導體制冷模塊及小分扇來對內(nèi)部溫度進行控制，通過程序來控制調(diào)節(jié)溫度的高低以適應(yīng)藥物所需要的溫度要求。

此方案有效補足了上述2種方案的不足，具有很多閃光點及創(chuàng)新點，如無需人為數(shù)藥；增加了藥物儲備量，使用周期延長；冷藏柜有效保證藥物的質(zhì)量等。

3 定時吃藥智能提醒藥箱機械部分設(shè)計

3.1 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

定時吃藥智能提醒藥箱主要由裝藥漏藥部分、控制部分、儲藥部分及冷藏部分組成，如圖4所示。

圖4 藥箱整體構(gòu)造

裝藥漏藥部分主要包括對現(xiàn)吃藥物的儲存裝置，其形狀大致為漏斗形，一般可存1個月左右的藥物；其下方為裝藥盤，每次可陳放1粒藥，舵機每轉(zhuǎn)動1圈，漏1粒藥。

控制部分主要包括光電門開關(guān)、STM32F103RCT6單片機、舵機和連桿等。出藥口有光電開關(guān)進行計數(shù)，然后將信號反饋于STM32F103RCT6單片機，進而控制舵機的轉(zhuǎn)動圈數(shù)。儲藥部分主要為儲藥抽屜。冷藏部分為儲藥柜，其中嵌有半導體制冷模塊及小風扇。

3.2 藥物分揀的設(shè)計

該裝置由裝藥漏斗、撥藥盤、保護外殼3部分組成。根據(jù)常用藥的形狀設(shè)計了3種撥藥盤，每種撥藥盤有3個，共6個藥物分揀裝置，實現(xiàn)裝置對藥物的分揀功能。工作原理為將藥物放在小漏斗里，每次有1片藥進入撥藥盤，通過舵機控制撥藥盤轉(zhuǎn)動1圈，當?shù)竭_180°時藥物掉落，出藥口有光電開關(guān)進行計數(shù)，然后將信號反饋于STM32F103RC單片機，進而控制舵機的轉(zhuǎn)動圈數(shù)。

3.3 出藥的設(shè)計

出藥機構(gòu)主要是對藥物分揀機構(gòu)的固定和出藥的匯總，由固定層和出藥漏斗2部分組成，藥物從分揀機構(gòu)漏出，通過漏斗匯總從下方圓形出口滑入藥杯中。

3.4 冷藏層的設(shè)計

冷藏層主要靠半導體制冷模塊及小風扇來對內(nèi)部溫度進行控制，通過程序來控制調(diào)節(jié)溫度的高低以適應(yīng)藥物所需要的溫度要求。

3.5 裝置外觀的設(shè)計

藥箱共有4層，第1層為顯示器、按鈕及語音模塊的安裝，第2層總出藥裝置，其可以把藥物分揀裝置和出藥裝置連接在一起，第3層兩邊小抽屜用于存儲藥品，中間為盛藥杯，第4層為冷藏柜，主要放一些對溫度有要求的藥品。

3.6 關(guān)鍵部分模塊的選型

3.6.1 舵機的選型

為了節(jié)約空間和降低成本，降低噪音及提高空間利用率，且轉(zhuǎn)動周期符合完整出藥，經(jīng)過參賽隊員討論及比較，參賽隊員最終選擇的舵機型號為MG90S，其規(guī)格實物如圖5所示，參數(shù)見表1。

圖5 MG90S舵機

表1 舵機參數(shù)

3.6.2 單片機最小開發(fā)系統(tǒng)

單片機使用低功耗的STM32F103RCT6單片機，選擇開發(fā)系統(tǒng)如圖6所示。開發(fā)板上將單片機68個引腳全部引出并標記，板上具有板載阻容復位電路。晶振電路的晶振頻率為8 MHz，P0口帶10 K上拉電阻，外接直流電源插座，外接電源為直流5 V。帶自恢復保險絲，防止因意外短路或者接錯線而燒壞單片機。

圖6 單片機最小開發(fā)系統(tǒng)

3.6.3 制冷模塊的選型

為了起到對部分有冷藏要求的藥物進行低溫保存，同時保證藥物不會因溫度太低而失去藥效，我們選用TEC1-12706半導體制冷片作為制冷模塊，其體積小，價格實惠，同時又能起到較好的制冷效果。TEC1-12706制冷片實物如圖7所示，各參數(shù)見表2。

表2 TEC1-12706制冷片參數(shù)

圖7 制冷模塊

3.6.4 繼電器

繼電器選擇型號為2路繼電器模塊，帶光耦隔離，支持高低電平觸發(fā)，12 V，2路。模塊采用繼電器，常開接口最大負載：交流250 V/10 A，直流30 V/10 A；采用貼片光耦隔離，驅(qū)動能力強，性能穩(wěn)定；觸發(fā)電流5 mA，模塊工作電壓：5 V/12 V/24 V，模塊可以通過跳線設(shè)置高電平或低電平觸發(fā)；容錯設(shè)計，即使控制線斷，繼電器也不會動作；電源指示燈（LED1），繼電器狀態(tài)指示燈（LED2）；接口設(shè)計人性化，接口均可通過接線端子直接連線引出，比較方便。模塊尺寸為50 mm×41 mm×18.5 mm（長×寬×高）。實物圖如圖8所示。

圖8 2路繼電器模塊

3.7 光電開關(guān)

光電開關(guān)用于對漏出的藥物進行計數(shù)，并將數(shù)據(jù)信息反饋于單片機，單片機控制舵機轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)藥物的分揀。由于分揀裝置本身較小，且具有多個，因此小組成員首先考慮選用體積較小的HD-DS型號紅外對管，對射式光電開關(guān)，最遠對射距離30 cm，其工作電壓為3.0～5.5 V。

4 老人定時吃藥智能提醒藥箱的裝配與調(diào)試

通過校內(nèi)工廠加工，采用激光切割、3D打印技術(shù)加工，最終將各部分零部件加工出來，并組裝到一起。箱體外殼及抽屜等均用亞克力板制作，亞克力板通過校工廠的激光切割機床1∶1切割加工，亞克力板之間通過卡槽及熱熔膠進行固定及組裝。另外，裝藥裝置及漏藥裝置通過3D打印機完成。

4.1 裝配及調(diào)試

4.1.1 使用方法介紹

控制面板如圖9所示。

圖9 陣列鍵盤

控制舵機設(shè)置需先按A鍵再按數(shù)字鍵最后按B鍵（A鍵對舵機設(shè)置：數(shù)字鍵代表舵機標號；B鍵控制

舵機轉(zhuǎn)幾圈）；操作流程A—數(shù)字—B—#。

時間設(shè)置需先按B鍵再按C鍵最后按#鍵（B鍵代表進入時間設(shè)置；C鍵表示當前時間（包括年、月、日、時、分、秒，例如2020.09.19，19：40：00）；#鍵表示確定時間設(shè)定完成）；操作流程為B—C—#。

鬧鐘設(shè)置需先按C鍵再按D鍵然后按數(shù)字鍵最后再按#鍵（C鍵是進入時間設(shè)置，D鍵是鬧鐘序號；數(shù)字鍵是鬧鐘時間設(shè)置（只設(shè)置時分，例如08：30）；#鍵是確定鬧鐘設(shè)定完成），操作流程C—D—數(shù)字—#。

4.1.2 程序調(diào)試

TFT液晶顯示屏幕調(diào)試如下。

時間顯示：利用單片機RTC實時時鐘功能，對時間進行調(diào)整并顯示在液晶屏幕上。

溫濕度顯示：利用DHT11溫濕度傳感器對箱體內(nèi)的溫度進行實時監(jiān)測，將溫濕度信號轉(zhuǎn)入單片機內(nèi)部，通過單片機處理將溫濕度值顯示在液晶屏幕。

鬧鐘顯示：通過單片機程序設(shè)計實現(xiàn)鬧鐘事件，并對鬧鐘時間進行顯示。

鬧鐘事件調(diào)試：當鬧鐘時間與實際時間相同時，進行鬧鐘事件，鬧鐘事件包括語音播報、藥物分揀。

光電開關(guān)調(diào)試：當藥物分揀時，舵機旋轉(zhuǎn)次數(shù)與光電開關(guān)計數(shù)數(shù)進行比對，若不相同，舵機將繼續(xù)工作。

語音模塊調(diào)試：采用JQ8400一線串口通信語音模塊，將提前錄制好的音頻載入模塊當中，經(jīng)過程序編寫，到鬧鐘時間時，播放其中載入的音頻。

舵機調(diào)試：采用MG90S 180°舵機，通過程序編寫當?shù)竭_鬧鐘時間時，設(shè)置好的舵機將會進行工作。具體原理圖如圖10、圖11所示。

圖10 電路原理圖（一）

圖11 電路原理圖（二）

線路連接I/O口。

（1）屏幕：CS-PB11，RST-PB12，RS-PB10，SDAPBIS，CLK-PBB，VCC，GND。

（2）陣列鍵盤：PA0～PA7。

（3）光電開關(guān)：PC0，PC4，PC5，PC6，PC7，PC8，VCC，GND。

（4）舵機：PB6，PB7，PB8，PB9，PA8，PA11，VCC，GND。

（5）語音模塊：ONELINE-PC2，SPK+、SPK——揚聲器，DC-5V-VCC，GND。

（6）溫濕度傳感器：PC1，VCC，GND。

4.2 關(guān)鍵零部件的說明

單片機：其中有控制舵機、提醒鬧鐘、溫濕度傳感器、時間和日期等，各個程序分工不同，這也是整個裝置的“大腦”，使各個零部件有序進行。

舵機：內(nèi)部是齒輪傳動，當單片機發(fā)出指令時，舵機的齒輪轉(zhuǎn)動，將裝藥槽中的藥物送入盛藥裝置中，發(fā)現(xiàn)舵機轉(zhuǎn)動的角度為180°最為合理，轉(zhuǎn)動完180°后，又按原方向的反方向轉(zhuǎn)回原位，進行下一次取藥。

藥物分揀裝置：當裝藥裝置中的藥物進入藥槽中，會自動在舵機轉(zhuǎn)動過程中將藥物準確的帶入盛藥盒中。

5 老人定時吃藥智能提醒藥箱存在問題及改進措施

由于每家每戶地處環(huán)境不同，溫度、濕度等因素不同，會影響藥物的理化性質(zhì)，這樣不僅會讓藥物粘在器壁上或者是卡住機器不能順利出藥，而且會發(fā)生醫(yī)療事故。

針對上述現(xiàn)狀，我團隊的改進措施有如下幾點。

（1）在智能藥箱上安裝空氣濕度檢測器，隨時監(jiān)測藥箱中是否有潮濕現(xiàn)象。

（2）在藥箱上安裝檢測藥是否卡主住現(xiàn)象的裝置。

（3）如有發(fā)生以上2條中的現(xiàn)象，會有警報裝置提醒，隨時檢查藥箱。