基于物联网技术的老年人吃药提醒智能药盒系统的设计及实现

杨 雪，吴 恋，陈宗旺，涂翠蓉

（贵州师范学院，贵州 贵阳 550018）

0 引 言

当今社会，人口生育率下降等众多因素导致了人口老龄化趋势迅速扩大，如何提高老年人生活质量成了社会关注的焦点，将智能辅助技术应用到老年人医疗保健领域正成为一种趋势。使用智能药盒，不仅可以实时监测到老年人用药情况，还可以减轻监护人的负担，有效提高老年人生活质量。因此，本文设计一款基于STM32芯片的智能药盒。实验表明，该药盒操作简单，可实现定时提醒老年人吃药并及时向监护人反馈信息的功能。

1 智能药盒系统总体设计

本文设计的智能药盒系统以STM32最小系统作为主要控制模块，是一个集多种操作为一体的智能药盒控制系统。STM32系列处理器具备性能高，消耗低等多种优点，方便开发的同时也避免了不必要的资源浪费。该药盒系统除了运用主控模块实现总控制功能以外，还集成了电源模块，提示模块，温度控制模块和通信模块。整个系统实现的过程可概括为：首先，系统会根据用户提前设定好的时间来报警，报警方式为蜂鸣器声音提醒和LED灯闪烁提醒。这样的双重提醒设置是为了更大程度地保证老年人接收到提醒信息，不错过服药时间；然后，系统采用热释电红外传感器来监测药盒里的药是否被服药者取走。如果在规定时间内药物没有被取走，通信模块便采取行动，发送短信到监护人手机，告知监护人患者没有服药，最后让监护人采取进一步措施。

2 封装设计

本设计的外观模型是两到三层侧壁结构的方盒，采用封闭式的上下型结构，总长宽高为15.8 cm×10 cm×13 cm，上方是放入药物的小空间，控制芯片嵌入进药盒内部，屏幕放在方盒最醒目的位置，创建人机交互界面模型。该药盒整体结构大方得体，不仅能够满足设计需求，而且简单轻盈。封装设计结构框图和平面展开图如图1，图2所示。

图1 结构框图

图2 平面展开图

3 智能药盒系统各模块的实现

该智能药盒的硬件系统设计主要包括：控制模块（由STM32主控芯片组成）、电源模块、红外检测模块、温度控制模块、SIM通信模块、蜂鸣器+LED提醒模块等共同组成。

3.1 控制模块

本设计的主控芯片选用 STM32F103 单片机。STM32单片机是基于ARM的32位通用加强型微控制器，支持实时的仿真和追踪，由Cortex-M3内核D-bus、S-bus、DMA1和以网DMA四个驱动单元等组成，是目前市场上主流的控制芯片。该芯片支持多种仿真模式，具备超前的体系结构，性能极高，而且低电压，低功耗的优势使得它被广泛使用。如今热门的智能家居行业也大量运用到了STM32单片机，经过多次实践的探索和积累，使得该系列单片机的更多潜在功能被挖掘出来，这对未来更深层次的开发极为有利。本设计选用的STM32F103模块开发灵活变通、不受限制，具有突出的内核以及出色的外部设计，兼备了简单易用、设计自由的优点。

3.2 温度控制模块

目前，PID温度控制已被应用到工程设计的多个方面。该控制系统能够根据温度变化快速采取调节措施以达到控制温度的目的。PID算法的基本原理是：由于外界环境的不断变化，会源源不断产生不同程度的影响，于是想要控制一个量恒定在一个范围不剧烈改变，就应该持续执行控制命令；如果外部环境使想要控制恒定的参数发生了变化，感应元器件就会将发生的所有变化收集后经由变送器发送给PID 控制器的输入端，并与预先设定好的值进行比较进而得到差值（e值），调节器便将设定好的参数值与差值结合，获取规律发出控制指令；然后改变调节器的开度，让调节器的开度增大或减小，以实现改变现场控制目标值的效果，并接近于给定值。PID算法各个比例系数的作用见表1所列。

表1 PID算法各个比例系数的作用

数字PID控制器的微分方程如下：

3.3 提示模块

提示模块的主要功能是提醒用户用药。因为老年人听力和视力都相对较差，只采用单一的提示方式可能会造成接收不到提醒或者单一提醒模块偶然失效的隐患，所以本设计中采用蜂鸣器和扬声器的声响加LED灯光双重提醒方式，以提高提示模块的有效性和可靠性。蜂鸣器采用5 V直流电压供电，并使用8050 NPN型晶体三极管驱动。8050三极管最大电流为500 mA，放大倍数为10～60倍。因此该模块采用5 V电压供电，按放大50倍的效果计算，采用100 Ω的电阻最佳。当单片机输出端输出高电平时，蜂鸣器响起，达到报警目的。蜂鸣器提醒电路如图3所示。

图3 蜂鸣器提醒电路

LED 灯是一种半导体材料制成的发光管，具有亮度高且功耗低的特点。LED灯因其节能的优势在当今市场上被广泛应用。该智能药盒系统采用LED灯与电阻串联的设计，降低电路电流，并将单片机引脚端作为流入端。当引脚端呈现低电压时LED灯发光，呈现高电压时LED灯则熄灭。由于单片机引脚功率有限，其管脚电流最大不能超过25 mA，总电流不能超过150 mA，为防止电流对单片机引脚产生冲击，要想让LED灯散发最佳的亮度，采用1 kΩ电阻是最合适不过的。因此设计选用1 kΩ电阻作为限流电阻。LED提醒电路如图4所示。

图4 LED提醒电路

3.4 SIM通信模块

基于本设计的要求，当预设时间到达时，提醒模块便开始启动，提醒老年人用药。但这并不能保证药物一定被患者取走服用，故本系统外加了红外检测监控药物是否被取走。如果药物在10 min之内未被取走，则系统会发送消息到监护人手机上，让监护人进一步采取措施。本设计的通信模块采用SIM800C通信模块进行通信。SIM800C通信模块可以实现很多功能，其中就包括语音和数据信息的传送，还可以拨打和接听电话，可发送和接收中英文短信等。在设计中主要使用了其短信功能以及基于TCP/IP协议的数据传输功能，SIM800C接口引脚定义见表2所列。

表2 SIM800C接口引脚定义

4 结 语

为了定时提醒服药者按时吃药，提高他们的生活质量，本文设计了一款基于STM32F103嵌入式技术的智能药盒。该智能药盒通过集合温度控制模块、提醒模块，检测模块，通信模块等模块实现到点提醒并及时反馈的功能。经过后期测试表明：系统各个功能模块的测试效果满足功能需求，且操作方便，便于控制；同时，利用STM32F103作为控制芯片，系统处理速度快、实时性好、后期开发潜力巨大。