溫情助老藥箱的設計與制作

鄔宗鵬，陳西忍，武衛華，劉正揚，李健

（安徽工業大學 創新教育學院，安徽 馬鞍山243002）

0 引言

近年來，隨著社會老齡化的加深，獨居老人現象逐漸增多。據聯合國統計，每年由于誤食藥物引起的醫療事故超過百萬起，并且老年人較差的視力也使得他們自主尋找藥品存在很大的困難，忘服或者誤服藥物都會危害到老年人的身體健康。同時有些老人腿腳不方便，不便行動，因此老人們迫切需求一種可移動、可分類的盛放藥物智能裝置。

1 總體方案

1.1 方案調查

隨著我國人口老齡化及現代人們生活方式的變化，近年來患各種慢性疾病的人逐年增加，其中老年人居多。通過對醫院及社區衛生機構就診的老年慢性病患者進行問卷調查后發現，多數老年患者中，需要服用的藥品種類繁多，平均用藥品種少則兩三種，多則達到七八種，他們日常生活中經常會出現漏服、多服甚至錯服藥品等現象，并且大多老年人家庭沒有準備智能藥箱，只是簡單將藥物用塑料袋、紙盒及抽屜盛放，服藥的時候經常找不到該服的藥物及數量，同時老人的子女們由于工作繁忙無法抽出大量時間照顧他們，因而老人服藥問題存在極大隱患，急需設計制作一種智能輔助藥箱，按時按量完成服藥[10-14]。

1.2 方案設想

1.2.1 智能藥箱的基本系統結構

助老智能藥箱采用的是16位單片機作為主控制單元，它由輸入模塊、顯示模塊、定時模塊、語音模塊、通信模塊等6部分組成，如圖1所示。

圖1 藥箱系統組成框圖

助老藥箱主要用于提醒老年人服藥，尤其在子女不在身邊時首先子女可以通過手機APP設置的服藥時間和開箱門號，到達設定時間點時相應藥門將自動打開，并且進行語音播報提醒和彩屏顯示。此時，老人可以使用遙控器操作車體移動到自己身邊。若是長時間沒有取藥或無應答，GSM和WiFi雙重功能模塊將發送消息提醒子女，為老人安全規律服藥帶來保證。同時通過安放在箱體里的溫濕度傳感器檢測藥物儲存環境，保證藥品的安全衛生。藥箱還具有自主設置、分類藥物管理、定時用藥提醒、檢測是否服藥等功能，方便老人使用[15]。

智能藥箱的設計主要由手環部分、控制模塊、讀寫模塊及機械部分等4個部分組成：1）手環部分。主要由可讀寫電子標簽、單片機、蜂鳴器等組成，老人可以隨身攜帶，定時提醒，還可存儲對應藥品的盒子信息。2）控制模塊。主要是通過IAP15F2K61S2單片機來驅動繼電器來控制機械部分的電控開關。當讀入信息時，繼電器斷電，電控開關打開。3）讀寫模塊。通過矩陣鍵盤來輸入時間和對應的藥室，寫入手環上的電子標簽，盒子上能對應的讀出相應的數據，送給單片機。4）機械部分。主要是藥箱開關門機械傳動機構，通過步進電機控制藥室門的開合。

1.2.2 主要功能

1）分類定時功能。根據不同藥物的服用時間分類設置定時，當到達預定時間會自動打開相應藥箱門。2）語音互動播報功能。老人記憶下降、視力不好，智能藥箱中設置的語音模塊可以進行語音提醒，溫馨提示，語音互動，使老人準時按照時間點服藥。3）短信發送功能。若服藥時間已到而老人未取藥，此時系統將把老人未服藥的情況短信發送給子女。4）無線通訊功能。若子女未及時關注收到的短信，此時智能藥箱系統還可把老人未服藥的情況傳送給子女手機APP；若取藥成功，系統將老人用藥時間通過WiFi發送給子女手機APP。5）遙控送藥功能。一些老人由于身體不便，且無家人陪伴，智能助老藥箱可由遙控器控制其運動，當服藥時間到，藥箱門自動打開，此時老人可以使用遙控器，使藥箱通過車輪將藥品送至身旁，從而及時服藥。6）溫濕度監測測功能。在智能藥箱內裝有溫濕度傳感器，實時監測藥物儲存的周邊環境，防止老人服用霉變的藥物。7）緊急求救功能。緊急情況下，老人可以按下求救功能按鍵，通過GPRS立即向子女發送求救信息。8）回家提醒功能。子女可以通過手機APP按下“回家”按鈕，將子女回家信息傳送給老人。

1.2.3 工作流程

智能助老藥箱的主程序包括定時開門程序、語音應答程序、短信發送程序、按鍵檢測執行程序、無線通信程序及顯示程序。首先設置每天服藥的時間，定時打開藥室，方便老人取藥，若一定時間內未取藥物將啟動短信發送程序及無線通訊程序。老人也可遙控藥箱車體來到身邊，通過智能語音應答，完成服藥。

1.3 機械結構設計

智能藥箱機械結構由4個單獨的藥室、頂部的電控箱和顯示屏及磁吸盤式半自動門組成，箱體主體框架采用鋁材和亞克力板制作，箱體頂部安裝有拉伸門，便于用于線路的安裝與調整，頂部顯示屏通過顯示屏底座鉸接于箱體頂部，用于設置和觀察箱體內部的各種參數，箱體的每個藥室門上安裝有磁鐵片，拐角處都裝有磁吸盤，正常情況下處于通電狀態，藥室吸盤與鐵片牢牢吸住，斷電時吸盤吸力消失，藥室門由于自動打開，用完之后手動關上。另外箱體外部最后會裝上醒目標志，還可與麥克納姆輪車結合使用，提高藥箱的實用性能[1-3]。

圖2 工作流程圖

1.4 硬件功能模塊設計

智能藥箱以16位處理器、串口數據處理、環境參數監測、執行器控制、語音識別播報、無線WiFi、GSM 短 信 收發、APP操作為核心技術，圍繞家庭醫療主題，所涉及的硬件模塊有語音模塊、WiFi模塊、GSM短信發送模塊、TFT彩屏、DS1302時鐘模塊、溫濕度傳感器、電控鎖機械機構和繼電開關組。其中溫濕度傳感器、遙控器作為單向輸入，WiFi、GSM、電控鎖作為單向輸出，語音識別與APP可與單片機進行信息交互，體現智能藥箱功能的多樣性，使其智能化。

1）語音模塊。采用LD3320A語音識別模塊。具備USB接口,TF卡讀取U盤功能, 可直接修改劇本；支持最大4G mini低速TF卡；可實現人機對話，播放MP3功能，播放對話；具備串口輸出識別碼功能，支持口令識別方式；支持550條語音命令識別。

2）WIFI模塊。采用ESP8266模塊，集成了透傳功能，支持微信Airkiss 2.0協議，即拿即用，支持串口AT指令集，服務器AT指令集。支持STA/AP/STA+AP工作模式、支持SmartConfig、串口透傳、I/O口控制等功能[5]。

3）GSM短信發送模塊。采用了SIM900A模塊，主串口和調試串口可以幫助用戶輕松地進行調試開發。內嵌的TCP/IP協議及擴展的TCP/IP AT命令使用戶方便使用TCP/IP協議[6-7]。由于串口資源有限，開發團隊采用一塊從單片機進行短信發送控制，同時主從兩塊單片機之間只通過一根杜邦線進行電平信號傳遞，短信采用串口發送指定內容[9]。

4）時鐘模塊。采用了DS1302涓流充電時鐘芯片，提供了秒、分、時、日、周、月、年的信息。DS1302芯片與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信，僅需用3個口線：RST復位；I/O數據線；SCLK串行時鐘。時鐘RAM的讀/寫數據以1個字節或多達31個字節的字符組方式完成通信[4]。

5）電控鎖機械模塊。該作品藥箱門采用該款電控鎖作為機械執行裝置，不僅能實現開門的彈射動作，而且接口2為信號回饋接口，反饋藥箱門的開關狀態。

圖3 機械結構示意圖

6）繼電開關組。電控鎖的輸入電路經過4路5 V繼電器，總電路直接接入適配器電路，具有足夠的驅動功率使電控鎖正常工作。同時繼電器受到單片機電平信號的控制，所以實現了弱信號控制強信號。

1.5 軟件設計

助老藥箱整個系統的正常運行與產品功能的完整展現需要緊密有序的程序架構為主體，各個功能模塊的子程序系統相互關聯、協調配合，以保證系統性能的平穩運行。在設計過程中，團隊選擇了Keil C51程序開發平臺，方便程序的編寫、編譯和仿真；利用APP軟件開發平臺，便于各個子模塊系統的配合與管理；借助串口調試助手，可以監控串口調試過程中代碼收發情況；使用網絡調試助手來調試網絡，查看收發數據及STC-ISP下載器以方便程序的燒錄和下載。這些軟件平臺為整個程序系統的建立提供了有力的支持[8]。軟件設計流程如圖4所示。

圖4 軟件設計流程圖

1.6 零件模型的設計

團隊選擇使用的是SolidWorks三維軟件，設計完成智能藥箱的各個零件的三維模型，然后進行裝配，最終藥箱主體建模結果如圖5所示。

在建模的過程中，團隊成員通過模擬旋轉和轉動解決了一系列干涉問題，并且擬定了鋁合金線材和角碼、藥箱門和合頁之間及合頁與鋁合金線材之間的連接方式。藥箱門是半自動的，每個門上配有磁吸盤，通過門的自重來開門。在整個開啟與關閉的過程中，不存在任何干涉問題，并且在藥箱門關閉后，所有的藥箱門與磁吸盤之間均保持平行狀態。同時通過SolidWorks軟件的仿真分析功能解決藥箱的整體受力問題。

圖5 智能藥箱三維模型裝配圖

2 系統調試

2.1 藥箱功能測試

智能藥箱整個系統主要包括藥箱主體和底部車體兩大核心部分。在按照零件圖樣完成藥箱實物的加工和各類配件材料的裝配后，需要對它們分別進行功能調試，使其能夠正常工作。

1）定時開門吃藥測試。首先為藥箱設置配置局域網，待網絡穩定連接后進入正常模式，打開手機APP進入操作界面，設置藥箱系統時間、吃藥時間及開箱門號。如果吃藥時間到，自動打開藥箱門并進行語音播報，老人使用遙控器及時服藥，若老人未服藥，則短信和無線通知子女。

2）溫濕度檢測報警測試。在正常模式下，打開手機APP設置溫濕度閾值。若超出閾值，顯示紅色長條方塊進行預警，如圖6與圖7所示。

2.2 車體功能調試

1）打開車輪地盤電源；2）使用遙控器與接收機對頻，遙控車體，車體通過麥克納姆輪可以方便四向運行，如圖8所示。

3 結語

該溫情助老藥箱可實現功能多樣的助老用藥服務，包括智能管理用藥時間、智能語音提醒、智能信息顯示等，可在以下場所推廣應用：獨居老人家庭，當老人生病時，沒有人照顧，這時老人需要這樣一款智能藥箱輔助用藥；醫療養老中心，養老院中老人居多，且缺乏細致的照顧，尤為需要；康復護理場所，可以減輕護理人員的工作量，為需要護理的人提供更為舒心的服務，與昂貴的智能藥盒及智能藥箱機器人相比，具有很大的價格優勢，其應用前景十分廣闊，該智能藥箱在未來的升級優化中能夠高效、準確地提醒老人服藥。

圖6 手機APP界面

圖7 藥箱顯示器

圖8 遙控藥箱車體實物圖