温情助老药箱的设计与制作

邬宗鹏，陈西忍，武卫华，刘正扬，李健

（安徽工业大学 创新教育学院，安徽 马鞍山243002）

0 引言

近年来，随着社会老龄化的加深，独居老人现象逐渐增多。据联合国统计，每年由于误食药物引起的医疗事故超过百万起，并且老年人较差的视力也使得他们自主寻找药品存在很大的困难，忘服或者误服药物都会危害到老年人的身体健康。同时有些老人腿脚不方便，不便行动，因此老人们迫切需求一种可移动、可分类的盛放药物智能装置。

1 总体方案

1.1 方案调查

随着我国人口老龄化及现代人们生活方式的变化，近年来患各种慢性疾病的人逐年增加，其中老年人居多。通过对医院及社区卫生机构就诊的老年慢性病患者进行问卷调查后发现，多数老年患者中，需要服用的药品种类繁多，平均用药品种少则两三种，多则达到七八种，他们日常生活中经常会出现漏服、多服甚至错服药品等现象，并且大多老年人家庭没有准备智能药箱，只是简单将药物用塑料袋、纸盒及抽屉盛放，服药的时候经常找不到该服的药物及数量，同时老人的子女们由于工作繁忙无法抽出大量时间照顾他们，因而老人服药问题存在极大隐患，急需设计制作一种智能辅助药箱，按时按量完成服药[10-14]。

1.2 方案设想

1.2.1 智能药箱的基本系统结构

助老智能药箱采用的是16位单片机作为主控制单元，它由输入模块、显示模块、定时模块、语音模块、通信模块等6部分组成，如图1所示。

图1 药箱系统组成框图

助老药箱主要用于提醒老年人服药，尤其在子女不在身边时首先子女可以通过手机APP设置的服药时间和开箱门号，到达设定时间点时相应药门将自动打开，并且进行语音播报提醒和彩屏显示。此时，老人可以使用遥控器操作车体移动到自己身边。若是长时间没有取药或无应答，GSM和WiFi双重功能模块将发送消息提醒子女，为老人安全规律服药带来保证。同时通过安放在箱体里的温湿度传感器检测药物储存环境，保证药品的安全卫生。药箱还具有自主设置、分类药物管理、定时用药提醒、检测是否服药等功能，方便老人使用[15]。

智能药箱的设计主要由手环部分、控制模块、读写模块及机械部分等4个部分组成：1）手环部分。主要由可读写电子标签、单片机、蜂鸣器等组成，老人可以随身携带，定时提醒，还可存储对应药品的盒子信息。2）控制模块。主要是通过IAP15F2K61S2单片机来驱动继电器来控制机械部分的电控开关。当读入信息时，继电器断电，电控开关打开。3）读写模块。通过矩阵键盘来输入时间和对应的药室，写入手环上的电子标签，盒子上能对应的读出相应的数据，送给单片机。4）机械部分。主要是药箱开关门机械传动机构，通过步进电机控制药室门的开合。

1.2.2 主要功能

1）分类定时功能。根据不同药物的服用时间分类设置定时，当到达预定时间会自动打开相应药箱门。2）语音互动播报功能。老人记忆下降、视力不好，智能药箱中设置的语音模块可以进行语音提醒，温馨提示，语音互动，使老人准时按照时间点服药。3）短信发送功能。若服药时间已到而老人未取药，此时系统将把老人未服药的情况短信发送给子女。4）无线通讯功能。若子女未及时关注收到的短信，此时智能药箱系统还可把老人未服药的情况传送给子女手机APP；若取药成功，系统将老人用药时间通过WiFi发送给子女手机APP。5）遥控送药功能。一些老人由于身体不便，且无家人陪伴，智能助老药箱可由遥控器控制其运动，当服药时间到，药箱门自动打开，此时老人可以使用遥控器，使药箱通过车轮将药品送至身旁，从而及时服药。6）温湿度监测测功能。在智能药箱内装有温湿度传感器，实时监测药物储存的周边环境，防止老人服用霉变的药物。7）紧急求救功能。紧急情况下，老人可以按下求救功能按键，通过GPRS立即向子女发送求救信息。8）回家提醒功能。子女可以通过手机APP按下“回家”按钮，将子女回家信息传送给老人。

1.2.3 工作流程

智能助老药箱的主程序包括定时开门程序、语音应答程序、短信发送程序、按键检测执行程序、无线通信程序及显示程序。首先设置每天服药的时间，定时打开药室，方便老人取药，若一定时间内未取药物将启动短信发送程序及无线通讯程序。老人也可遥控药箱车体来到身边，通过智能语音应答，完成服药。

1.3 机械结构设计

智能药箱机械结构由4个单独的药室、顶部的电控箱和显示屏及磁吸盘式半自动门组成，箱体主体框架采用铝材和亚克力板制作，箱体顶部安装有拉伸门，便于用于线路的安装与调整，顶部显示屏通过显示屏底座铰接于箱体顶部，用于设置和观察箱体内部的各种参数，箱体的每个药室门上安装有磁铁片，拐角处都装有磁吸盘，正常情况下处于通电状态，药室吸盘与铁片牢牢吸住，断电时吸盘吸力消失，药室门由于自动打开，用完之后手动关上。另外箱体外部最后会装上醒目标志，还可与麦克纳姆轮车结合使用，提高药箱的实用性能[1-3]。

图2 工作流程图

1.4 硬件功能模块设计

智能药箱以16位处理器、串口数据处理、环境参数监测、执行器控制、语音识别播报、无线WiFi、GSM 短 信 收发、APP操作为核心技术，围绕家庭医疗主题，所涉及的硬件模块有语音模块、WiFi模块、GSM短信发送模块、TFT彩屏、DS1302时钟模块、温湿度传感器、电控锁机械机构和继电开关组。其中温湿度传感器、遥控器作为单向输入，WiFi、GSM、电控锁作为单向输出，语音识别与APP可与单片机进行信息交互，体现智能药箱功能的多样性，使其智能化。

1）语音模块。采用LD3320A语音识别模块。具备USB接口,TF卡读取U盘功能, 可直接修改剧本；支持最大4G mini低速TF卡；可实现人机对话，播放MP3功能，播放对话；具备串口输出识别码功能，支持口令识别方式；支持550条语音命令识别。

2）WIFI模块。采用ESP8266模块，集成了透传功能，支持微信Airkiss 2.0协议，即拿即用，支持串口AT指令集，服务器AT指令集。支持STA/AP/STA+AP工作模式、支持SmartConfig、串口透传、I/O口控制等功能[5]。

3）GSM短信发送模块。采用了SIM900A模块，主串口和调试串口可以帮助用户轻松地进行调试开发。内嵌的TCP/IP协议及扩展的TCP/IP AT命令使用户方便使用TCP/IP协议[6-7]。由于串口资源有限，开发团队采用一块从单片机进行短信发送控制，同时主从两块单片机之间只通过一根杜邦线进行电平信号传递，短信采用串口发送指定内容[9]。

4）时钟模块。采用了DS1302涓流充电时钟芯片，提供了秒、分、时、日、周、月、年的信息。DS1302芯片与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用3个口线：RST复位；I/O数据线；SCLK串行时钟。时钟RAM的读/写数据以1个字节或多达31个字节的字符组方式完成通信[4]。

5）电控锁机械模块。该作品药箱门采用该款电控锁作为机械执行装置，不仅能实现开门的弹射动作，而且接口2为信号回馈接口，反馈药箱门的开关状态。

图3 机械结构示意图

6）继电开关组。电控锁的输入电路经过4路5 V继电器，总电路直接接入适配器电路，具有足够的驱动功率使电控锁正常工作。同时继电器受到单片机电平信号的控制，所以实现了弱信号控制强信号。

1.5 软件设计

助老药箱整个系统的正常运行与产品功能的完整展现需要紧密有序的程序架构为主体，各个功能模块的子程序系统相互关联、协调配合，以保证系统性能的平稳运行。在设计过程中，团队选择了Keil C51程序开发平台，方便程序的编写、编译和仿真；利用APP软件开发平台，便于各个子模块系统的配合与管理；借助串口调试助手，可以监控串口调试过程中代码收发情况；使用网络调试助手来调试网络，查看收发数据及STC-ISP下载器以方便程序的烧录和下载。这些软件平台为整个程序系统的建立提供了有力的支持[8]。软件设计流程如图4所示。

图4 软件设计流程图

1.6 零件模型的设计

团队选择使用的是SolidWorks三维软件，设计完成智能药箱的各个零件的三维模型，然后进行装配，最终药箱主体建模结果如图5所示。

在建模的过程中，团队成员通过模拟旋转和转动解决了一系列干涉问题，并且拟定了铝合金线材和角码、药箱门和合页之间及合页与铝合金线材之间的连接方式。药箱门是半自动的，每个门上配有磁吸盘，通过门的自重来开门。在整个开启与关闭的过程中，不存在任何干涉问题，并且在药箱门关闭后，所有的药箱门与磁吸盘之间均保持平行状态。同时通过SolidWorks软件的仿真分析功能解决药箱的整体受力问题。

图5 智能药箱三维模型装配图

2 系统调试

2.1 药箱功能测试

智能药箱整个系统主要包括药箱主体和底部车体两大核心部分。在按照零件图样完成药箱实物的加工和各类配件材料的装配后，需要对它们分别进行功能调试，使其能够正常工作。

1）定时开门吃药测试。首先为药箱设置配置局域网，待网络稳定连接后进入正常模式，打开手机APP进入操作界面，设置药箱系统时间、吃药时间及开箱门号。如果吃药时间到，自动打开药箱门并进行语音播报，老人使用遥控器及时服药，若老人未服药，则短信和无线通知子女。

2）温湿度检测报警测试。在正常模式下，打开手机APP设置温湿度阈值。若超出阈值，显示红色长条方块进行预警，如图6与图7所示。

2.2 车体功能调试

1）打开车轮地盘电源；2）使用遥控器与接收机对频，遥控车体，车体通过麦克纳姆轮可以方便四向运行，如图8所示。

3 结语

该温情助老药箱可实现功能多样的助老用药服务，包括智能管理用药时间、智能语音提醒、智能信息显示等，可在以下场所推广应用：独居老人家庭，当老人生病时，没有人照顾，这时老人需要这样一款智能药箱辅助用药；医疗养老中心，养老院中老人居多，且缺乏细致的照顾，尤为需要；康复护理场所，可以减轻护理人员的工作量，为需要护理的人提供更为舒心的服务，与昂贵的智能药盒及智能药箱机器人相比，具有很大的价格优势，其应用前景十分广阔，该智能药箱在未来的升级优化中能够高效、准确地提醒老人服药。

图6 手机APP界面

图7 药箱显示器

图8 遥控药箱车体实物图