基于單片機控制的智能提醒藥箱設計研究

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。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，會產生極為嚴重的后果。基于此，本項目組設計一種藥箱，可以實現到時語音提醒，自動按時間和藥量出藥，發聲提醒，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 國內外研究現狀

目前國內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，請私人醫生或者將老人送往養老院，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，大多數家庭還是難以承受的。

如圖1（a）所示的藥箱屬于云服務藥箱，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，卻沒有儲藥功能。

如圖1（b）所示的APP實時監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。產品集智能、簡易和實用于一體，調控用藥時間與頻率，幫助中老年人養成良好的服藥習慣。

圖1 國內外常見的智能藥箱

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。故本作品在設計時考慮老年人每天用藥的次數和用藥的數量，解決老年人吃藥難、誤吃藥的問題，保質保量地督促老年人按時吃藥。

1.2 研究意義

根據大數據預測顯示，到21世紀中葉，我國老年人的人口將增加到占全國總人口的30%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人群，服藥次數多、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，許多學者和企業十分重視開發與設計適合老年人方便使用的發明。

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，擬設計一種藥箱，可以實現到時語音提醒，自動按時間和藥量出藥，發聲提醒，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，該設計具有十分重要的現實意義。

2 老人定時吃藥智能提醒藥箱總體設計方案

2.1 老人定時吃藥智能提醒藥箱設計思路

本屆機械創新設計大賽的主題為“智慧家居，幸福家庭”，內容為“助老年人獨自活動起居的機械裝置（簡稱助老機械）；現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老問題，設計一種提醒吃藥、物品整理和方便存取的機械裝置。在設計時著重考慮原則：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。其他設計原則，首先，根據市面常見藥物的外形設計出相應的裝藥漏藥裝置，如常見的圓形藥片、膠囊藥形和橢圓藥形等。其次，編輯相關程序，通過出藥口的光電門對出藥數量統計的反饋，設計單片機控制舵機的轉動圈數控制出藥量。最后，將不同種類的藥物集中于出藥口下的取藥裝置中；為方便儲存備用藥物，在取藥裝置的兩側分別設計有一個抽屜；在取藥裝置下一層設計有冷藏層，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計方案的確定

參賽隊員開始討論時，起初的思路是在傳統藥盒樣式的基礎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計藥盒樣式的過程中，發現本方案存在以下問題。

（1）這種藥盒并沒有更加突出的創新點。

（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，參賽成員將其結構進行優化，產生了方案二。

將裝藥裝置設計為圓盤機構，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儲藥裝置，隔板每轉動180°，空塊的上方將會自動補藥，補藥裝置是一個螺旋裝置，每一節放一片藥，螺旋裝置每轉動一下，將會漏下一片藥，設計好相應藥的個數并寫好程序即可實現藥箱分揀機構示意圖如圖2所示，外殼結構如圖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創新點為自動漏藥，將各類藥物及數量最終整合在一起，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現此方案的螺旋裝置比較難以實現，程序設計也具有一定困難，于是產生了方案三。

將藥箱總體設計大致分為裝藥漏斗、撥藥盤和保護外殼3部分。根據常用藥的形狀設計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動1圈，當到達180°時藥物掉落，出藥口有光電開關進行計數，然后將信號反饋于STM32F103RCT6單片機，進而控制舵機的轉動圈數；出藥機構主要是對藥物分揀機構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部溫度進行控制，通過程序來控制調節溫度的高低以適應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新點，如無需人為數藥；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量等。

3 定時吃藥智能提醒藥箱機械部分設計

3.1 總體結構的設計

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 藥箱整體構造

裝藥漏藥部分主要包括對現吃藥物的儲存裝置，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，舵機每轉動1圈，漏1粒藥。

控制部分主要包括光電門開關、STM32F103RCT6單片機、舵機和連桿等。出藥口有光電開關進行計數，然后將信號反饋于STM32F103RCT6單片機，進而控制舵機的轉動圈數。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 藥物分揀的設計

該裝置由裝藥漏斗、撥藥盤、保護外殼3部分組成。根據常用藥的形狀設計了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動1圈，當到達180°時藥物掉落，出藥口有光電開關進行計數，然后將信號反饋于STM32F103RC單片機，進而控制舵機的轉動圈數。

3.3 出藥的設計

出藥機構主要是對藥物分揀機構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 冷藏層的設計

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

3.5 裝置外觀的設計

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 關鍵部分模塊的選型

3.6.1 舵機的選型

為了節約空間和降低成本，降低噪音及提高空間利用率，且轉動周期符合完整出藥，經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，其規格實物如圖5所示，參數見表1。

圖5 MG90S舵機

表1 舵機參數

3.6.2 單片機最小開發系統

單片機使用低功耗的STM32F103RCT6單片機，選擇開發系統如圖6所示。開發板上將單片機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 單片機最小開發系統

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，各參數見表2。

表2 TEC1-12706制冷片參數

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，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，驅動能力強，性能穩定；觸發電流5 mA，模塊工作電壓：5 V/12 V/24 V，模塊可以通過跳線設置高電平或低電平觸發；容錯設計，即使控制線斷，繼電器也不會動作；電源指示燈（LED1），繼電器狀態指示燈（LED2）；接口設計人性化，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

光電開關用于對漏出的藥物進行計數，并將數據信息反饋于單片機，單片機控制舵機轉動從而實現藥物的分揀。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，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試

通過校內工廠加工，采用激光切割、3D打印技術加工，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

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

舵機轉幾圈）；操作流程A—數字—B—#。

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

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

4.1.2 程序調試

TFT液晶顯示屏幕調試如下。

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的溫度進行實時監測，將溫濕度信號轉入單片機內部，通過單片機處理將溫濕度值顯示在液晶屏幕。

鬧鐘顯示：通過單片機程序設計實現鬧鐘事件，并對鬧鐘時間進行顯示。

鬧鐘事件調試：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。

光電開關調試：當藥物分揀時，舵機旋轉次數與光電開關計數數進行比對，若不相同，舵機將繼續工作。

語音模塊調試：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，經過程序編寫，到鬧鐘時間時，播放其中載入的音頻。

舵機調試：采用MG90S 180°舵機，通過程序編寫當到達鬧鐘時間時，設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：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：內部是齒輪傳動，當單片機發出指令時，舵機的齒輪轉動，將裝藥槽中的藥物送入盛藥裝置中，發現舵機轉動的角度為180°最為合理，轉動完180°后，又按原方向的反方向轉回原位，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境不同，溫度、濕度等因素不同，會影響藥物的理化性質，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，而且會發生醫療事故。

針對上述現狀，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，隨時監測藥箱中是否有潮濕現象。

（2）在藥箱上安裝檢測藥是否卡主住現象的裝置。

（3）如有發生以上2條中的現象，會有警報裝置提醒，隨時檢查藥箱。