一種輕量級(jí)智能藥盒

王粵龍，項(xiàng) 陽(yáng)，沙 玲，馬驥馳

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201600）

0 引 言

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，到2018年末，全國(guó)總?cè)丝跒?39 538萬(wàn)人，是建國(guó)初期54 167萬(wàn)人的2.58倍。其中，我國(guó)老年人口的比重快速上升，2018年全國(guó)65歲以上人口達(dá)16 658萬(wàn)人，占全國(guó)總?cè)丝诘谋戎貫?1.94%。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：“當(dāng)一個(gè)國(guó)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(gè)國(guó)家或地區(qū)的人口處于老齡化社會(huì)”。由此可見(jiàn)，我國(guó)目前已進(jìn)入老齡化社會(huì)。同時(shí)，由于農(nóng)村勞動(dòng)力大量轉(zhuǎn)移，農(nóng)村的老齡化程度尤為突出。統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)表明，2018年，我國(guó)人口出生率是建國(guó)以來(lái)的最低水平，出生人口減少和老齡化日趨嚴(yán)重的問(wèn)題再次受到廣泛關(guān)注。老年人缺乏對(duì)藥物的認(rèn)知，無(wú)規(guī)律的服藥往往適得其反，對(duì)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(wèn)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(dá)到5種以上。該藥盒操作簡(jiǎn)單，通過(guò)該藥盒的拿藥、取藥操作，可定時(shí)提醒老年人吃藥并及時(shí)向監(jiān)護(hù)人反饋信息[1-3]。

1 智能藥盒設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

便攜式小藥盒造型簡(jiǎn)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(shè)計(jì)新穎的人性化智能藥盒具有易操作、可定時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，為更多人帶來(lái)了便利。此舉也拓展了電子藥盒的消費(fèi)對(duì)象，擴(kuò)大了消費(fèi)群體，提升了電子藥盒的使用價(jià)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(jí)便攜式智能藥盒成為新的需要。

設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)取藥、裝藥，更加人性化，操作便捷，對(duì)老年人等更加友好；

（2）定時(shí)設(shè)置取藥時(shí)間，到點(diǎn)自動(dòng)彈出藥物，并發(fā)出警報(bào)提醒老人服藥；

（3）創(chuàng)新性加入物聯(lián)網(wǎng)功能，通過(guò)在網(wǎng)頁(yè)端對(duì)該藥盒甚至多個(gè)藥盒實(shí)現(xiàn)共同管理。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能小藥盒在外觀設(shè)計(jì)上首先應(yīng)考慮到藥物的用量、用藥種類和人們?nèi)粘Ｉ盍?xí)慣等，將藥盒設(shè)計(jì)為圓筒狀，圓筒內(nèi)分為6個(gè)藥倉(cāng)層，由盒內(nèi)設(shè)置的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)相互配合，將指定藥倉(cāng)推送出來(lái)。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(shí)，保證儲(chǔ)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(cāng)平臺(tái)就需要一個(gè)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，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(fèi)資源。我們創(chuàng)新性設(shè)計(jì)了一種方案，僅需3個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，便可控制取出所有藥層的藥倉(cāng)，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(tái)的功能是搭載旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。底部承臺(tái)蓋在底部承臺(tái)上，搭載中心軸，將外殼分為上下外殼，方便對(duì)藥盒裝配調(diào)試時(shí)易拆卸。

圖1 藥盒外觀

圖2為藥盒內(nèi)部機(jī)械圖。升降結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)上裝有與絲桿相互嚙合的2個(gè)錐齒輪，同時(shí)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，對(duì)應(yīng)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(dòng)電機(jī)、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(shí)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(dòng)電機(jī)、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(tái)，相互嚙合，所有構(gòu)架相互配合實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)藥倉(cāng)平臺(tái)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(cāng)平臺(tái)周邊是全齒輪，會(huì)導(dǎo)致托盤上升時(shí)被藥倉(cāng)平臺(tái)遮擋，無(wú)法正常工作。筆者將藥倉(cāng)平臺(tái)周邊中心對(duì)稱的8個(gè)齒牙剪缺留出空隙，使得托盤能夠透過(guò)缺口上升，同時(shí)為彌補(bǔ)此缺口導(dǎo)致原有齒輪不能嚙合帶來(lái)的問(wèn)題，將旋轉(zhuǎn)軸上旋轉(zhuǎn)齒輪的一個(gè)齒牙突出加大，變成凸齒輪，使其能夠配合藥倉(cāng)平臺(tái)。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)、調(diào)試，嚙合情況良好。

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

1.3 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

智能藥盒包括升降驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)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(shí)便會(huì)發(fā)生傾斜等狀況，導(dǎo)致機(jī)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(shì)，3D打印機(jī)等高精度機(jī)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(dòng)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)托盤上下移動(dòng)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(cāng)平臺(tái)與旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸上有突齒輪，底部電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其上的凸齒輪嚙合藥倉(cāng)平臺(tái)周邊齒輪從而帶動(dòng)藥倉(cāng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，控制指定藥倉(cāng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(gè)電機(jī)取出上層所有藥倉(cāng)，需要采用如下運(yùn)轉(zhuǎn)順序：

當(dāng)藥盒運(yùn)行時(shí)，若想獲得層中某個(gè)藥倉(cāng)中的藥品，首先絲桿電機(jī)會(huì)帶動(dòng)托盤上升至該藥倉(cāng)平臺(tái)的下方一層，接著旋轉(zhuǎn)控制電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其上的凸齒輪嚙合帶動(dòng)藥倉(cāng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，將指定藥倉(cāng)轉(zhuǎn)動(dòng)至托盤正上方，升降結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿帶動(dòng)托盤接住藥倉(cāng)后向上運(yùn)動(dòng)一層的距離，即在該取藥層的上一層藥倉(cāng)平臺(tái)中的通藥口位置停止，接著藥倉(cāng)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)奇數(shù)藥倉(cāng)平臺(tái)的通藥口與偶數(shù)藥倉(cāng)平臺(tái)的通藥口對(duì)齊時(shí)，即位于托盤正上方便停止轉(zhuǎn)動(dòng)，升降結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行帶動(dòng)托盤和托盤上的藥倉(cāng)一同升上出口，取藥完成[8]。

升降結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)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(jī)運(yùn)行，將該藥倉(cāng)的對(duì)應(yīng)位置轉(zhuǎn)至托盤正下方，絲桿電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)將托盤向下帶動(dòng)直至該奇數(shù)層的下一層停止，接著旋轉(zhuǎn)控制電機(jī)運(yùn)行，使通藥口位于托盤正上方（即歸位，此時(shí)所有藥倉(cāng)平臺(tái)的通藥口對(duì)齊，且位于托盤正上方），絲桿電機(jī)再次運(yùn)行帶動(dòng)托盤下降至底部，回倉(cāng)操作完成[9]。

遵循如此順序，可以將上層所有藥倉(cāng)平臺(tái)任意位置的藥倉(cāng)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(gè)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(dú)立尋址的普通物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。它具有普通對(duì)象設(shè)備化、自治終端互聯(lián)化和普適服務(wù)智能化3個(gè)重要特征。當(dāng)前，全世界大約有20億人使用互聯(lián)網(wǎng)瀏覽網(wǎng)頁(yè)、收發(fā)信息，使用社交網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序和/或從事其他活動(dòng)。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(jì)技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)之一。藥盒運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 藥盒運(yùn)行流程

本文設(shè)計(jì)的智能藥盒系統(tǒng)以 ESP32單片機(jī)作為主要控制模塊，是一個(gè)集多種操作于一體的智能藥盒控制系統(tǒng)。ESP32是一款性價(jià)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(xiàng)目。ESP32的優(yōu)點(diǎn)是超低功耗、高度集成、性能穩(wěn)定等。

通過(guò)ArduinoIDE軟件設(shè)計(jì)的整體頁(yè)面交互程序分為物聯(lián)網(wǎng)配置部分、藥倉(cāng)管理部分與信息取閱與修改部分。交互部分程序通過(guò)C語(yǔ)言與HTML混編，由ESP32單片機(jī)作為HTTP服務(wù)器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接與任意客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)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(yè)面中輸入已知無(wú)線路由器名稱與密碼，并通過(guò)網(wǎng)頁(yè)端提交給ESP32，隨后ESP32嘗試連接并通過(guò)指示燈展示連接狀態(tài)。指示燈快速閃爍時(shí)藥盒已連接至互聯(lián)網(wǎng)，此時(shí)網(wǎng)頁(yè)端會(huì)提供一個(gè)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(wú)法連接互聯(lián)網(wǎng)或不具備相關(guān)條件，可選擇暫時(shí)跳過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接，直接進(jìn)入管理頁(yè)面進(jìn)行相關(guān)配置[10]。網(wǎng)頁(yè)端流程如圖6所示。

圖6 網(wǎng)頁(yè)端流程

藥倉(cāng)管理部分的主要功能為取放藥與各個(gè)藥倉(cāng)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(shí)間等的設(shè)置。信息取閱與修改部分包括日志讀取、時(shí)間修改等。給每個(gè)藥倉(cāng)命名數(shù)字1，2，3，…，便于對(duì)藥倉(cāng)進(jìn)行定位管理。

藥盒管理頁(yè)面如圖7所示。

圖7 藥盒管理頁(yè)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(shí)吃藥、不規(guī)律吃藥、不識(shí)字吃錯(cuò)藥等問(wèn)題，而該藥盒解決了上述老年人存在的用藥問(wèn)題。就目前調(diào)研的情況而言，世界衛(wèi)生組織有報(bào)告指出，全球范圍內(nèi)藥物治療的平均依從率僅為50%。實(shí)際生活中，老年人記憶力減退忘事，藥物漏服現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。很多老年人朋友上了年紀(jì)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(huì)喪失其原有的藥效而無(wú)法使病患快速治愈。為了減少此類問(wèn)題的發(fā)生，推動(dòng)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(xué)高效的辦法解決一系列問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)的智能藥盒主要具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）與傳統(tǒng)的智能藥盒相比，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的智能藥盒的圓筒盒身輕盈小巧，方便攜帶，實(shí)用性強(qiáng)。該智能藥盒所采用的材料為PLA（聚乳酸），PLA是強(qiáng)度高無(wú)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(shí)也擁有良好的光澤性。PLA的相容性、可降解性、機(jī)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(yīng)用廣泛。

（2）很多老年人面對(duì)大量藥品時(shí)盲目服用，或不按時(shí)、按量服藥，從而導(dǎo)致病情惡化。而該藥盒嚴(yán)格根據(jù)規(guī)定時(shí)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(shí)、不按量服藥的問(wèn)題。

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

（4）本智能藥盒對(duì)網(wǎng)頁(yè)端控制進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了智能藥盒通過(guò)網(wǎng)頁(yè)端進(jìn)行控制、互聯(lián)的目標(biāo)。老年人的子女也可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)端設(shè)置提醒藥物取出，操作簡(jiǎn)便。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智能小藥盒可以定時(shí)提醒老年人取藥，同時(shí)每次的取藥、放藥操作都會(huì)有日志記載，在使用時(shí)有跡可循，給用戶帶來(lái)了極大方便，在提高生活質(zhì)量的同時(shí)也加強(qiáng)了用戶體驗(yàn)。隨著老年人逐漸增多，該產(chǎn)品的應(yīng)用范圍將越來(lái)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。