一種輕量級智能藥盒

王粵龍，項 陽，沙 玲，馬驥馳

（上海工程技術(shù)大學，上海 201600）

0 引 言

國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，到2018年末，全國總?cè)丝跒?39 538萬人，是建國初期54 167萬人的2.58倍。其中，我國老年人口的比重快速上升，2018年全國65歲以上人口達16 658萬人，占全國總?cè)丝诘谋戎貫?1.94%。根據(jù)國際標準：“當一個國家或地區(qū)60歲以上老年人口占人口總數(shù)的10%，或65歲以上老年人口占人口總數(shù)的7%，即意味著這個國家或地區(qū)的人口處于老齡化社會”。由此可見，我國目前已進入老齡化社會。同時，由于農(nóng)村勞動力大量轉(zhuǎn)移，農(nóng)村的老齡化程度尤為突出。統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)表明，2018年，我國人口出生率是建國以來的最低水平，出生人口減少和老齡化日趨嚴重的問題再次受到廣泛關(guān)注。老年人缺乏對藥物的認知，無規(guī)律的服藥往往適得其反，對老年人的身體造成了更大危害。老年人往往并不只患一種慢性病，隨著身體抵抗力的下降，冠心病、高血壓等問題接踵而至，而大部分慢性病用藥繁多，大多數(shù)患者用藥達到5種以上。該藥盒操作簡單，通過該藥盒的拿藥、取藥操作，可定時提醒老年人吃藥并及時向監(jiān)護人反饋信息[1-3]。

1 智能藥盒設計

1.1 功能設計

便攜式小藥盒造型簡單，容量小，不能滿足人們的需求，于是，隨即又發(fā)展出了大容量且功能齊全的藥盒。藥盒功能逐漸更新完善，造型多樣、設計新穎的人性化智能藥盒具有易操作、可定時等優(yōu)點，為更多人帶來了便利。此舉也拓展了電子藥盒的消費對象，擴大了消費群體，提升了電子藥盒的使用價值。之前，大多數(shù)電子藥盒的電路通常由分立的數(shù)字電器件組成，功能單一，重量和體積都比較大，尤其功耗大，提高了使用成本，具有很大的局限性，所以輕量級便攜式智能藥盒成為新的需要。

設計這款智能輕型藥盒，重要的是縮小藥盒體積，降低藥盒重量以方便攜帶，同時保證藥物的容納。功能如下：

（1）具備傳統(tǒng)智能藥盒的基本功能，即自動取藥、裝藥，更加人性化，操作便捷，對老年人等更加友好；

（2）定時設置取藥時間，到點自動彈出藥物，并發(fā)出警報提醒老人服藥；

（3）創(chuàng)新性加入物聯(lián)網(wǎng)功能，通過在網(wǎng)頁端對該藥盒甚至多個藥盒實現(xiàn)共同管理。

1.2 結(jié)構(gòu)設計

智能小藥盒在外觀設計上首先應考慮到藥物的用量、用藥種類和人們?nèi)粘Ｉ盍晳T等，將藥盒設計為圓筒狀，圓筒內(nèi)分為6個藥倉層，由盒內(nèi)設置的驅(qū)動結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)相互配合，將指定藥倉推送出來。市面上的智能藥盒體積一般比較大，不方便攜帶，本藥盒盡最大可能利用盒內(nèi)空間，將藥盒體積縮小的同時，保證儲存藥物盡可能多。圓筒狀結(jié)構(gòu)可使得藥盒輕松放在旅行背包側(cè)袋，方便外出攜帶[4]。

傳統(tǒng)藥盒一層藥倉平臺就需要一個電機來驅(qū)動，這不僅大大增加了藥盒的重量和體積，不方便攜帶，更使得藥盒的功耗增加，浪費資源。我們創(chuàng)新性設計了一種方案，僅需3個驅(qū)動電機，便可控制取出所有藥層的藥倉，縮小了藥盒的體積，減輕了藥盒的重量[5]。

藥盒外觀如圖1所示。藥盒底部承臺的功能是搭載旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、升降機構(gòu)的驅(qū)動電機。底部承臺蓋在底部承臺上，搭載中心軸，將外殼分為上下外殼，方便對藥盒裝配調(diào)試時易拆卸。

圖1 藥盒外觀

圖2為藥盒內(nèi)部機械圖。升降結(jié)構(gòu)驅(qū)動電機上裝有與絲桿相互嚙合的2個錐齒輪，同時旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)驅(qū)動電機，對應錐齒輪結(jié)構(gòu)配合旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。升降結(jié)構(gòu)包括升降結(jié)構(gòu)驅(qū)動電機、絲桿、固定軸、托盤，托盤上裝有螺母與絲桿，所有零件相互配合實現(xiàn)升降功能。旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)驅(qū)動電機、錐齒輪和旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸有兩根，分為奇偶旋轉(zhuǎn)軸，上面套有旋轉(zhuǎn)齒輪和旋轉(zhuǎn)平臺，相互嚙合，所有構(gòu)架相互配合實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)藥倉平臺的功能[6]。

圖2 藥盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于采用的是絲桿結(jié)構(gòu)上升裝置，如果藥倉平臺周邊是全齒輪，會導致托盤上升時被藥倉平臺遮擋，無法正常工作。筆者將藥倉平臺周邊中心對稱的8個齒牙剪缺留出空隙，使得托盤能夠透過缺口上升，同時為彌補此缺口導致原有齒輪不能嚙合帶來的問題，將旋轉(zhuǎn)軸上旋轉(zhuǎn)齒輪的一個齒牙突出加大，變成凸齒輪，使其能夠配合藥倉平臺。經(jīng)過反復實驗、調(diào)試，嚙合情況良好。

底部升降結(jié)構(gòu)驅(qū)動電機和絲桿，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)驅(qū)動電機與奇偶旋轉(zhuǎn)軸之間的配合我們選擇錐齒輪傳動配合。錐齒輪優(yōu)勢明顯，擁有運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、低噪聲、大扭力等優(yōu)點，并且它運轉(zhuǎn)時具有穩(wěn)定性能好，90°配合旋轉(zhuǎn)等特點，極大地利用了盒內(nèi)空間。電機和絲桿90°配合，電機與旋轉(zhuǎn)軸90°配合，使得3個電機位于同一層，高效利用了盒內(nèi)空間，對于縮小藥盒體積有很大的幫助[7]。

1.3 驅(qū)動模塊設計及功能實現(xiàn)

智能藥盒包括升降驅(qū)動結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的智能藥盒采用X型升降梯式升降結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，升至一定高度時便會發(fā)生傾斜等狀況，導致機械內(nèi)部受損。我們選擇絲桿式升降結(jié)構(gòu)，其包括固定軸、托盤、絲桿，具有穩(wěn)定、精確度高等優(yōu)勢，3D打印機等高精度機器均采用絲桿式結(jié)構(gòu)。托盤上裝有螺母與絲桿，旁邊兩根光軸放置在絲桿兩側(cè)，限制托盤的左右移動，實現(xiàn)驅(qū)動托盤上下移動的目的。升降結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 升降結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)包括藥倉平臺與旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸上有突齒輪，底部電機旋轉(zhuǎn)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，其上的凸齒輪嚙合藥倉平臺周邊齒輪從而帶動藥倉平臺轉(zhuǎn)動，控制指定藥倉轉(zhuǎn)向通藥口，再與升降結(jié)構(gòu)相互配合，將指定藥物推向出藥口，實現(xiàn)自動化。旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

若只借助3個電機取出上層所有藥倉，需要采用如下運轉(zhuǎn)順序：

當藥盒運行時，若想獲得層中某個藥倉中的藥品，首先絲桿電機會帶動托盤上升至該藥倉平臺的下方一層，接著旋轉(zhuǎn)控制電機帶動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，其上的凸齒輪嚙合帶動藥倉平臺轉(zhuǎn)動，將指定藥倉轉(zhuǎn)動至托盤正上方，升降結(jié)構(gòu)驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動絲桿帶動托盤接住藥倉后向上運動一層的距離，即在該取藥層的上一層藥倉平臺中的通藥口位置停止，接著藥倉平臺旋轉(zhuǎn)，當奇數(shù)藥倉平臺的通藥口與偶數(shù)藥倉平臺的通藥口對齊時，即位于托盤正上方便停止轉(zhuǎn)動，升降結(jié)構(gòu)驅(qū)動電機運行帶動托盤和托盤上的藥倉一同升上出口，取藥完成[8]。

升降結(jié)構(gòu)驅(qū)動電機運行將托盤下降至取藥層的上一層等候，接著旋轉(zhuǎn)控制電機運行，將該藥倉的對應位置轉(zhuǎn)至托盤正下方，絲桿電機轉(zhuǎn)動將托盤向下帶動直至該奇數(shù)層的下一層停止，接著旋轉(zhuǎn)控制電機運行，使通藥口位于托盤正上方（即歸位，此時所有藥倉平臺的通藥口對齊，且位于托盤正上方），絲桿電機再次運行帶動托盤下降至底部，回倉操作完成[9]。

遵循如此順序，可以將上層所有藥倉平臺任意位置的藥倉取出，這種優(yōu)選方法使得藥盒的容藥體積大幅增加。

1.4 物聯(lián)網(wǎng)控制模塊

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things, IoT）是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等的信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通。它具有普通對象設備化、自治終端互聯(lián)化和普適服務智能化3個重要特征。當前，全世界大約有20億人使用互聯(lián)網(wǎng)瀏覽網(wǎng)頁、收發(fā)信息，使用社交網(wǎng)絡應用程序和/或從事其他活動。隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為新一輪經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略制高點之一。藥盒運行流程如圖5所示。

圖5 藥盒運行流程

本文設計的智能藥盒系統(tǒng)以 ESP32單片機作為主要控制模塊，是一個集多種操作于一體的智能藥盒控制系統(tǒng)。ESP32是一款性價比非常高的WiFi模塊，擁有雙核32位處理器，主要適用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域的DIY項目。ESP32的優(yōu)點是超低功耗、高度集成、性能穩(wěn)定等。

通過ArduinoIDE軟件設計的整體頁面交互程序分為物聯(lián)網(wǎng)配置部分、藥倉管理部分與信息取閱與修改部分。交互部分程序通過C語言與HTML混編，由ESP32單片機作為HTTP服務器通過無線網(wǎng)絡連接與任意客戶端進行實時交互。

物聯(lián)網(wǎng)配置部分的最重要功能是互聯(lián)網(wǎng)的連接功能。用戶在類中繼路由器配置頁面中輸入已知無線路由器名稱與密碼，并通過網(wǎng)頁端提交給ESP32，隨后ESP32嘗試連接并通過指示燈展示連接狀態(tài)。指示燈快速閃爍時藥盒已連接至互聯(lián)網(wǎng)，此時網(wǎng)頁端會提供一個新的連接地址用于外部互聯(lián)網(wǎng)連接。在某些特殊情況下，若用戶無法連接互聯(lián)網(wǎng)或不具備相關(guān)條件，可選擇暫時跳過互聯(lián)網(wǎng)連接，直接進入管理頁面進行相關(guān)配置[10]。網(wǎng)頁端流程如圖6所示。

圖6 網(wǎng)頁端流程

藥倉管理部分的主要功能為取放藥與各個藥倉狀態(tài)展示，其中放藥部分額外提供了藥品名稱、備注與提醒時間等的設置。信息取閱與修改部分包括日志讀取、時間修改等。給每個藥倉命名數(shù)字1，2，3，…，便于對藥倉進行定位管理。

藥盒管理頁面如圖7所示。

圖7 藥盒管理頁面

2 智能藥盒發(fā)展的意義

老年人存在由于記性差不按時吃藥、不規(guī)律吃藥、不識字吃錯藥等問題，而該藥盒解決了上述老年人存在的用藥問題。就目前調(diào)研的情況而言，世界衛(wèi)生組織有報告指出，全球范圍內(nèi)藥物治療的平均依從率僅為50%。實際生活中，老年人記憶力減退忘事，藥物漏服現(xiàn)象時有發(fā)生。很多老年人朋友上了年紀后記憶力不斷下降，經(jīng)常容易出現(xiàn)忘記吃藥的情況，一旦藥物不能夠連續(xù)服用，就會喪失其原有的藥效而無法使病患快速治愈。為了減少此類問題的發(fā)生，推動智能藥盒發(fā)展是關(guān)鍵，將現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，用科學高效的辦法解決一系列問題。

本文設計的智能藥盒主要具有如下優(yōu)勢：

（1）與傳統(tǒng)的智能藥盒相比，本文設計并實現(xiàn)的智能藥盒的圓筒盒身輕盈小巧，方便攜帶，實用性強。該智能藥盒所采用的材料為PLA（聚乳酸），PLA是強度高無卷曲，收縮率極低（0.3%）的環(huán)保材料，堆肥可100%降解，成型性能優(yōu)秀，熱成型尺度穩(wěn)定，層與層之間的粘合性好，同時也擁有良好的光澤性。PLA的相容性、可降解性、機械性能和物理性能良好，適用于吹塑、熱塑等加工方法，加工方便，應用廣泛。

（2）很多老年人面對大量藥品時盲目服用，或不按時、按量服藥，從而導致病情惡化。而該藥盒嚴格根據(jù)規(guī)定時間取出藥物，讓患者能夠安心服藥、規(guī)律服藥，有效避免了老年人不按時、不按量服藥的問題。

（3）本藥盒內(nèi)部層次分明，具有多層藥倉，可高效利用盒內(nèi)的空間，儲存大量藥品，出門旅行時方便攜帶，實用性強。

（4）本智能藥盒對網(wǎng)頁端控制進行了開發(fā)，實現(xiàn)了智能藥盒通過網(wǎng)頁端進行控制、互聯(lián)的目標。老年人的子女也可通過網(wǎng)頁端設置提醒藥物取出，操作簡便。

3 結(jié) 語

本文設計的智能小藥盒可以定時提醒老年人取藥，同時每次的取藥、放藥操作都會有日志記載，在使用時有跡可循，給用戶帶來了極大方便，在提高生活質(zhì)量的同時也加強了用戶體驗。隨著老年人逐漸增多，該產(chǎn)品的應用范圍將越來越廣。本產(chǎn)品具備重量輕、方便操作、方便攜帶等特性，具有廣闊的推廣空間。