基于单片机控制的智能提醒药箱设计研究

2022-10-02孙克瑾白耀文全文豪王悦忠赵佳鑫张景川

科技创新与应用 2022年27期

孙克瑾，白耀文，全文豪，王悦忠，赵佳鑫，张景川

（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔 843300）

近年来，随着社会老龄化程度的加快，以及当代年轻人生活压力的不断加大，老年人口逐渐增多而独自在家的老人数量也是日益倍增。老年人独自在家的安全隐患也随之增加，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。老年人视力变差、记忆力减弱，使得他们在自主服用药品的时候有很大的困难，而一旦存在忘服或误食药品的情况，会产生极为严重的后果。基于此，本项目组设计一种药箱，可以实现到时语音提醒，自动按时间和药量出药，发声提醒，冷藏药物及含有多个附加功能的智能药箱。

1 研究背景和意义

1.1 国内外研究现状

目前国内空巢老人这一问题非常严重，子女忙于工作无法长时间照顾老人，对于老人而言，身体状况不再良好，难免会吃一些药来避免病痛，因此，在吃药方面就会存在安全隐患，比如多吃错吃药物，这样无疑对老人有危害，甚至会威胁生命。对于这些问题，有些家庭也采取了一些措施，请私人医生或者将老人送往养老院，但这是其中一小部分，因为此种方法会使一些老人感到心寒且代价比较高，大多数家庭还是难以承受的。

如图1（a）所示的药箱属于云服务药箱，其功能为SOS一键呼叫、在线问诊等。此药箱只提供了咨询服务，却没有储药功能。

如图1（b）所示的APP实时监控药箱功能为在线问诊、智能提醒、药物管理等，自动生成服药健康管理档案的智能药箱。产品集智能、简易和实用于一体，调控用药时间与频率，帮助中老年人养成良好的服药习惯。

图1 国内外常见的智能药箱

但是，这些样式的药箱在储药备药方面却存在很大的不足，尽管有些药箱会提示老人应该去吃什么药，吃多少药，可是大部分老人还是会分不清药的种类。故本作品在设计时考虑老年人每天用药的次数和用药的数量，解决老年人吃药难、误吃药的问题，保质保量地督促老年人按时吃药。

1.2 研究意义

根据大数据预测显示，到21世纪中叶，我国老年人的人口将增加到占全国总人口的30%以上，因此，老年人群体是我们不可以忽视的。老年人随着年龄的增长，出现行动力的下降、视觉的老化、语言表达能力的下降和听觉的老化等问题。同时老年人也是慢性病高发人群，服药次数多、种类多，但因其记忆力不好，生活自理能力差，因此会有漏服、多服及错服药的情况发生，这些情况都是非常危险的。怎样确保老年人按时且准确服药是亟待解决的问题。最近几年，针对这一问题，许多学者和企业十分重视开发与设计适合老年人方便使用的发明。

基于老年人独自在家的安全隐患也随之大大增加，本项目组申请立项“老年人多功能智能药箱”课题，拟设计一种药箱，可以实现到时语音提醒，自动按时间和药量出药，发声提醒，冷藏药物并含有多个附加功能的智能药箱。老年人可以按时地、准确地吃药，该设计具有十分重要的现实意义。

2 老人定时吃药智能提醒药箱总体设计方案

2.1 老人定时吃药智能提醒药箱设计思路

本届机械创新设计大赛的主题为“智慧家居，幸福家庭”，内容为“助老年人独自活动起居的机械装置（简称助老机械）；现代智能家居的机械装置（简称智能家居机械）”。本作品针对人口老龄化的健康养老问题，设计一种提醒吃药、物品整理和方便存取的机械装置。在设计时着重考虑原则：使用简单、自动出药和智能提醒，这也是我国必须面对和解决的社会问题。其他设计原则，首先，根据市面常见药物的外形设计出相应的装药漏药装置，如常见的圆形药片、胶囊药形和椭圆药形等。其次，编辑相关程序，通过出药口的光电门对出药数量统计的反馈，设计单片机控制舵机的转动圈数控制出药量。最后，将不同种类的药物集中于出药口下的取药装置中；为方便储存备用药物，在取药装置的两侧分别设计有一个抽屉；在取药装置下一层设计有冷藏层，主要储存有低温要求的药物，如胰岛素等。

本装置主要实现对药物的智能分拣、定时提醒、语音播报和药物冷藏的功能。

2.2 老人定时吃药智能提醒药箱设计方案的确定

参赛队员开始讨论时，起初的思路是在传统药盒样式的基础上细分每一次要吃的所有种类的药物，如早中晚，并且可以放下一周的药物；另外新增语音播报功能，定时早中晚按时提醒吃药（方案一）。

但是，参赛成员在进一步讨论和设计药盒样式的过程中，发现本方案存在以下问题。

（1）这种药盒并没有更加突出的创新点。

（2）药物储备量相对较少，并且空间利用率较低。

（3）对于老年人来说，不能够保证老人完全将药物拿正确，存在误服药物的问题。

基于上述问题，参赛成员将其结构进行优化，产生了方案二。

将装药装置设计为圆盘机构，圆盘1/6的扇形是掏空的，圆盘之上是6小块隔板，隔板每转180°就会有一块扇形之中的药物自动掉下去。在圆盘上方有自动分拣装置，空的隔板到达装药地方时，药物漏下，后方的圆盘上面是旋转储药装置，隔板每转动180°，空块的上方将会自动补药，补药装置是一个螺旋装置，每一节放一片药，螺旋装置每转动一下，将会漏下一片药，设计好相应药的个数并写好程序即可实现药箱分拣机构示意图如图2所示，外壳结构如图3所示。

图2 药物分拣装置

图3 药箱整体

方案二相对于方案一，有以下优点：①新增自动补药装置，药物储备量增加，单次使用周期变长，更加方便；②创新点为自动漏药，将各类药物及数量最终整合在一起，无需老人找药，大大降低了误服药物的可能；③空间利用率提高。

但是，参赛成员在进一步的讨论中发现此方案的螺旋装置比较难以实现，程序设计也具有一定困难，于是产生了方案三。

将药箱总体设计大致分为装药漏斗、拨药盘和保护外壳3部分。根据常用药的形状设计3种拨药盘，每种拨药盘有2个，拨药盘及外壳都是可拆卸的，共6个药物分拣装置，实现装置对药物的分拣功能。工作原理为将药物放在小漏斗里，每次有1片药进入拨药盘，通过舵机控制拨药盘转动1圈，当到达180°时药物掉落，出药口有光电开关进行计数，然后将信号反馈于STM32F103RCT6单片机，进而控制舵机的转动圈数；出药机构主要是对药物分拣机构的固定和出药汇总的作用，由固定层和出药漏斗2部分组成，药物从分拣机构露出，通过漏斗汇总从下方圆形出口滑入药杯中；冷藏层主要靠半导体制冷模块及小分扇来对内部温度进行控制，通过程序来控制调节温度的高低以适应药物所需要的温度要求。

此方案有效补足了上述2种方案的不足，具有很多闪光点及创新点，如无需人为数药；增加了药物储备量，使用周期延长；冷藏柜有效保证药物的质量等。

3 定时吃药智能提醒药箱机械部分设计

3.1 总体结构的设计

定时吃药智能提醒药箱主要由装药漏药部分、控制部分、储药部分及冷藏部分组成，如图4所示。

图4 药箱整体构造

装药漏药部分主要包括对现吃药物的储存装置，其形状大致为漏斗形，一般可存1个月左右的药物；其下方为装药盘，每次可陈放1粒药，舵机每转动1圈，漏1粒药。

控制部分主要包括光电门开关、STM32F103RCT6单片机、舵机和连杆等。出药口有光电开关进行计数，然后将信号反馈于STM32F103RCT6单片机，进而控制舵机的转动圈数。储药部分主要为储药抽屉。冷藏部分为储药柜，其中嵌有半导体制冷模块及小风扇。

3.2 药物分拣的设计

该装置由装药漏斗、拨药盘、保护外壳3部分组成。根据常用药的形状设计了3种拨药盘，每种拨药盘有3个，共6个药物分拣装置，实现装置对药物的分拣功能。工作原理为将药物放在小漏斗里，每次有1片药进入拨药盘，通过舵机控制拨药盘转动1圈，当到达180°时药物掉落，出药口有光电开关进行计数，然后将信号反馈于STM32F103RC单片机，进而控制舵机的转动圈数。

3.3 出药的设计

出药机构主要是对药物分拣机构的固定和出药的汇总，由固定层和出药漏斗2部分组成，药物从分拣机构漏出，通过漏斗汇总从下方圆形出口滑入药杯中。

3.4 冷藏层的设计

冷藏层主要靠半导体制冷模块及小风扇来对内部温度进行控制，通过程序来控制调节温度的高低以适应药物所需要的温度要求。

3.5 装置外观的设计

药箱共有4层，第1层为显示器、按钮及语音模块的安装，第2层总出药装置，其可以把药物分拣装置和出药装置连接在一起，第3层两边小抽屉用于存储药品，中间为盛药杯，第4层为冷藏柜，主要放一些对温度有要求的药品。

3.6 关键部分模块的选型

3.6.1 舵机的选型

为了节约空间和降低成本，降低噪音及提高空间利用率，且转动周期符合完整出药，经过参赛队员讨论及比较，参赛队员最终选择的舵机型号为MG90S，其规格实物如图5所示，参数见表1。

图5 MG90S舵机

表1 舵机参数

3.6.2 单片机最小开发系统

单片机使用低功耗的STM32F103RCT6单片机，选择开发系统如图6所示。开发板上将单片机68个引脚全部引出并标记，板上具有板载阻容复位电路。晶振电路的晶振频率为8 MHz，P0口带10 K上拉电阻，外接直流电源插座，外接电源为直流5 V。带自恢复保险丝，防止因意外短路或者接错线而烧坏单片机。

图6 单片机最小开发系统

3.6.3 制冷模块的选型

为了起到对部分有冷藏要求的药物进行低温保存，同时保证药物不会因温度太低而失去药效，我们选用TEC1-12706半导体制冷片作为制冷模块，其体积小，价格实惠，同时又能起到较好的制冷效果。TEC1-12706制冷片实物如图7所示，各参数见表2。

表2 TEC1-12706制冷片参数

图7 制冷模块

3.6.4 继电器

继电器选择型号为2路继电器模块，带光耦隔离，支持高低电平触发，12 V，2路。模块采用继电器，常开接口最大负载：交流250 V/10 A，直流30 V/10 A；采用贴片光耦隔离，驱动能力强，性能稳定；触发电流5 mA，模块工作电压：5 V/12 V/24 V，模块可以通过跳线设置高电平或低电平触发；容错设计，即使控制线断，继电器也不会动作；电源指示灯（LED1），继电器状态指示灯（LED2）；接口设计人性化，接口均可通过接线端子直接连线引出，比较方便。模块尺寸为50 mm×41 mm×18.5 mm（长×宽×高）。实物图如图8所示。