新型救助药盒的设计与实现*

段俊玲，张 秀，赵晓文，刘旭东，王 朵，石春花

(长治医学院生物医学工程系，山西 长治 046000)

0 引言

对于突发性患者来说，疾病的突发会导致他们在发病时常常会因为无法及时吃到药物或得到紧急救助而加重病情甚至失去生命[1]。除此之外，一些普通人在处于异常环境时也会因突发急症而导致休克，所以，此现象急需得到解决。我们设计的这款新型救助药盒，在基于STC89C51单片机模块化结构设计的基础上，实现智能化，新增了传送药品、定位通讯、急救报警等功能，操作简单、方便携带，拥有较高的实用性[2]。

1 设计目的

新型救助药盒的设计主要是用来解决患有急症的病人在发病时无法得到紧急救助以及普通人在处于异常环境而感到身体不适时无法得到紧急救助的问题，以减少突发性休克的发生率。

2 设计方法

2.1 系统基本方案

◆单片机：采用C51单片机作为硬件主控电路的核心，其具有8位CPU、8KB程序存储器(ROM)、256B的数据存储器(RAM) 、32条I/O口线和一个全双工(UART)串行通信口，该I/O口可以用来实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信[3]。

◆新型3D打印技术：本设计的机械装置部分，采用新型3D打印技术，这一技术的理念是“分层制造，逐层叠加”。它以数字模型文件为基础，通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，运用一些金属、蜡、塑料等可粘合材料，通过逐层增加材料来生成3D实体[4]。

◆通讯模块：本设计的定位模块采用的是ATGM336H-5N 模块，该模块和本设计的核心装置单片机相连接，可实现通讯的功能。因为具有灵敏度高、功耗低、成本低等特点，同时在短信监测领域具有覆盖面广、设施完善等优点，可以实现联合定位、导航与授时[5]，所以在车载导航、手持定位、可穿戴设备中有着广泛的应用。

2.2 系统总体设计方案

本设计遵循简单系统化原则，设计了三个部分，分别为按键部分、存药和给药部分、定位和发送报警信息部分。新型救助药盒属于一键式操作系统，如图2所示。使用者按下按键的同时触发机械装置，启动传送系统，将先前存放在药盒的药品快速推送到使用者口中，同时负责定位和通讯信息的单片机系统接收到程序指令后会迅速进行定位并实行信息发送指令[6]。此时，蜂鸣器会根据MCU发出的命令立即产生相应的声音信号报警，以求得到身边人的救助。这种设计不仅能够使患者得到及时救治，而且与市场上现存单一功能药盒相比，它具有集多功能于一体的智能化系统体系，操作简单，实用性强。

图1 机械装置实物图

系统总体框图如图 2所示。

图2 系统总体框图

2.3 硬件设计

智能药盒的电路设计制作采用Protel99SE软件，其具有很强的数据交换能力和3D模拟功能，可以完成电路原理图、印制电路板、PCB版等丰富的设计功能[7]，其中最主要的是单片机控制电路，Atmega328p芯片、输出IO接口电路、程序下载电路和电源电路，它们共同构成了单片机控制电路。

1)Atmega328p芯片是一个高性能、低功耗的8位AVR微处理器，支持串行USART通信，通过选用八位并行的接口方式，可实时动态显示系统控制模式[8]。利用ATMEGA328P芯片通过8位RISC CPU与单片机上的系统内自编程闪存相结合的方式，构成了一个功能强大的微控制器，为智能药盒嵌入式控制应用程序提供了一种高度灵活和经济有效的解决方案。

2)输出IO接口电路：将单片机主控电路引脚作为输出接口，分派给GPS定位电路，实现了Atmega328p主控芯片对GPS定位电路的控制以及信息的获取；将单片机主控电路引脚分派给GSM通讯发送模块，实现了Atmega328p主控芯片对GSM通讯发送模块的通讯，从而触发通讯模块向手机端发出报警提醒短信[9]。

3)电源电路：0.1μF的去耦电容连接到该电路上，加强电路的稳定性和抗干扰性。

4)蜂鸣器：蜂鸣器的正极连接三极管上的集电极，蜂鸣器的负极接连接方式GND，通过单片机对三极管的驱动控制，进而实现对蜂鸣器报警功能的驱动。

本新型救助药盒的创新点在于在传统药盒的基础上新增报警、定位和通讯功能，能够帮助解决患者需求，具有较好的应用前景。

2.4 软件设计

2.4.1 程序设计思路

在机械按键按下时，一方面能够触发定位模块，使模块能快速通过GPS数据获取函数、GPS数据解析函数、抛出异常函数等来实现定位信息的准确获取并且对异常进行处理；在完成信息的获取后，通讯传输部分运用初始化函数发送AT指令函数设置GSM模块的工作状态和发送信息函数将目标手机号和发送内容作为参数输入，将发送内容发送到使用者绑定的紧急联系人的手机上[10]。另一方面能够触发蜂鸣器根据单片机发出的指令，迅速执行声音信号的反馈，实现紧急求救效果。

2.4.2 主要流程如图3所示

图3 程序流程图

3 实物评测

3.1 功能测试

将模块各引脚与USB转TTL连接，通过PC机上的串口助手，测试存储在药盒的药品在按下机械按钮时完成送药所需时间以及通讯设备能否成功接收到定位信息，判断各模块功能的完整性和稳定性。测试结果如表1所示。

表1 功能测试结果 s

3.2 性能测试

本设计的实物测试过程运用了从部分到整体、由简要构成到复杂构成的测试方案。在电路完全焊接好之后，利用万用表检查了焊接情况，又进行了分块测试。测试结果如下：

1)ATGM336H-5N定位模块测试：将输出接口电路与GPS定位电路连接，获取定位信息，根据距离误差检测定位准确性。结果如表2所示。

表2 定位模块距离误差 m

2) 通讯模块测试：将输出接口电路与GSM通讯电路连接，在按键按下时触发通讯模块，会使手机端发出报警提醒短信结果，记录手机端接收到信息所用时长。结果如表 3所示。

表3 通讯模块延时 s

3)报警功能测试：对完成按键操作时，蜂鸣器是否会发出声响进行检测，结果如表4所示。

表4 报警功能测试

4 结果

1)经测试在不同环境下，该药盒可以完成给药、定位、通讯、报警功能，为患者得到紧急救助提供更大可能；

2)通讯功能的实时性、定位功能的精确程度都已基本达到了预期的目标，可保证使用者放心使用。

3)经软硬件联合测试，各模块之间交互的正确性和接口的兼容性都良好，产品整体性能和功能都正常。

5 结论

产品兼有存药、送药、GPS定位、发送定位、自动报警等功能，相比较传统的仅有储物功能的药盒，实现了智能化；相较传统的定位器、报警器，我们实现了功能多样化。总体性能优良，体积小，方便携带、实用强、能满足用户需求。

一个简单的药盒，增加的传送药品、定位、通讯和报警功能，不仅能够满足患者需求，解决患者担心的问题，而且随着科学技术的发展，它必将更新换代，越来越多的技术会运用在它身上，使它更加智能化、多元化、服务化。