住院环境下智能药盒设计与制作

王斯卉，姜圣镐，稂子萱，张建龙，罗 权

（1.西北工业大学工程实践训练中心，西安 710129；2.西北工业大学，西安 710129）

现如今，各大医院药房中药物的自动选取已逐渐成为一种趋势，药房中的工作人员通过医嘱选取对应的药物后，系统形成对应所需药物的“订单”。药柜通过读取“订单”、药品条形码或存储药盒的三维信息取出相应的药物，此模式节省人力的同时减少了人工识别药物出错的状况，极大地提高了医务人员的工作效率，减少了病人取药的等待时间，从一定方面提高病人对医院的满意度。但对于住院环境下，药物在院内配送至住院区护士站、药物从护士站发放给病人的过程中仍以医护人员人工取药、核对医嘱并发放药品为主流模式[1-2]，基于目前疫情反复的影响下，该种模式存在以下方面的不足。

（1）药物需在病人的用药时间定时配送，这导致院内药物配送存在高峰期，其间配送量大，突发状况多，极易造成药物的延迟配送或药物的损耗，同时会占用大量的医疗资源、人力资源，导致安全隐患大大提升。而在非高峰期，药物可能会出现单次配送，药量少而配送频率高，也会导致人力成本的提高，降低了医院的工作效率。

（2）目前在住院场景下药物配送需要配送人员反复出入封闭的病房区域、与病人之间会出现实际的接触，频繁的接触意味着给配送人员带来更高的感染风险，配送人员甚至还会成为在不同病房间传播的病原媒介，对免疫力较差及部分需要注意防护的病人带来更高的风险。

（3）药物在人工配送的过程中可能会出现污损等意外情况。

因此，顺应科技时代发展，建设现代化社会，应尽快实现医疗设备的自动化与信息化，以实现在住院环境下药物院内配送与发放的准确性、时效性和高效性，完善药物的分配信息管理，保护医务人员与患者的生命安全。本文将设计一款基于住院场景的智能药盒，可实现住院区病房内药物的定时自动发放，提醒患者取药等功能。

1 设计意义

目前药物在院内配送环节存在上述诸多问题，所以此药盒设计目的在于以下几方面。

1.1 实现药物的自动定时分配

药物的定时发放可以避免人员接触，减少病原传播途径，落实医务人员与患者的生命安全保障。根除住院期间服药高峰期延迟配送的问题，合理分配医疗资源、人力资源，提高医院工作效率，增加患者的满意度。

1.2 实现药物的定量储存

针对不同病情的病人实现药物按日用药量储存，药盒自动对药物按量进行分配，定时开关，患者按时进行取药的操作，尽可能少地在患者住院期间医务人员频繁地对病房内药物进行补充，减少病房人员的流动性，减少对病人不必要的打扰，维持安静的住院环境，并进一步降低病原的传播风险。

1.3 实现药物的安全取换与存储

为药物储存装置设置安全锁，防止非固定时间内药物被取出或药物被错误服用的状况产生，同时设置NFC识别判断医务人员身份，只有能够识别的人员才能对药盒进行解锁，除设定负责的医务人员外他人无法打开药盒，避免患者或陪护家属随意取用药物的可能，实现药物的安全、准确和及时补充，并实现对药盒药物补充或替换人员的开关操作记录。

由此可见，药物在院内配送，尤其是在住院区发放环节的完善，可以提高人员生命安全保障，减少人力资源、医疗资源的浪费，提高医院的工作效率，设备的信息化、智能化可以促进现代医疗设备的发展建设，促进我国医疗水平的提升。

2 总体设计

本药盒设计以Arduino BLE-UNO板为控制主板[3]，该主板集成度高，操作易上手，可接入传感模块多，便于开发。其中本设计在UNO主板上接入了蓝牙模块、红绿灯模块和蜂鸣器模块。同时在设计中还采用了蓝牙通信模块、NFC卡片读取和3d打印等技术进行硬件设计。通过微信小程序、node.js服务器开发、以及mysql数据库管理开发出使用平台，方便用户使用硬件产品。该药盒在规定的取药时间内通过声音、LED闪烁等方式提醒患者或陪护人自行完成取药[4]；同时医护人员可以通过微信小程序检查对应病人药盒的情况，在患者状况发生变化时及时修改对应的信息。药盒可通过终端控制药物发放的时间，设置取药提醒，拟实现解决错峰无接触药物发放及定时管理提醒服药等问题，将匆忙的高峰时段药物发放管理，分配到全天的任意时间段，不仅减轻了医护人员压力，也减少了发放中因人为造成失误的概率。

药盒设计图如图1所示。

3 智能药盒各模块设计

3.1 外观设计

本药盒设计的外观是一个290 mm×115 mm×160 mm的长方盒（部分外观如图2所示），内部药物放置格采用上下型结构，通过隔板分离不同种类、不同时段的药物；外部药盒开关门采用活页门的形式，通过门锁舵机控制药盒开关门的开启与关闭。药盒整体外观设计简单大方，在满足药品分类装载的同时，通过安全锁的控制，可以让药盒的安全性能得到进一步提升[5-6]。

3.2 安全锁设计

药盒要满足为药物储存装置设置安全锁，以避免患者误取误用，同时需要保证药物稳定的存储环境不被破坏。基于此提出的问题在于安全锁的开启方式是什么，如何来判别开启人的身份，故而安全锁的解锁场景是一个需要着重分析的方面。在设计中考虑到医院工作人员具有个人编号及身份卡，故初步选取采用NFC进行解锁，同时可以记录下补充药物的人员信息。通过UNO板和读卡器实现NFC卡片控制舵机旋转指定角度并停滞一定时间后（即药盒门处在开启的状态）再次恢复原来角度（即药盒门处于关闭状态）。防止因人为在非固定时间药物被取出或药物被错误服用的状况产生。

3.3 药品取用设计

针对不同病情的病人实现药物的按日定量储存，综合考虑市面上常见药物外形及尺寸、不同类型病人住院期间的日服药量。在设计中，药盒内设计可装入每日3次的药物，药物种类多达6种。药盒内设有3层隔板，每层隔板后装有舵机，在非用药时间，隔板通过磁力被吸附住，以此分隔不同时间段的药物。当到达每日设定的服药时间，舵机转动，撤去磁力，隔板通过弹簧弹力弹出，药物随之落在药盒下层抽屉中，患者可自行从下方的抽屉中取出药品进行服用。设有的3层隔板间隔出对应一日三次的用药，每次1层隔板弹出即掉落1次用药[7]。

3.4 提醒模块设计

该模块功能选择通过多种方式提醒病人服用药物，由于该种药物发放方式缺少医务人员的人工提醒，故需要设置明显且有效的提醒方式。

设计中视觉效果设置警示灯闪烁提醒，警示灯采用UNO板中配套的红绿灯模型来实现。红绿灯模型是由红黄绿3种颜色LED组成的模块，LED即发光二极管，因其单向导电性、功耗低和价格低廉等特点被广泛应用在生活当中。该模块接口有-、V、G、Y、R这5个管脚，其中-为负极接地GND，V为正极接高电平VCC或5 V，G表示绿色灯Green，Y表示黄色灯Yellow，R表示红色灯Red。警示灯闪烁可采用单独一个颜色的LED灯，也可采用几种颜色依次闪烁提醒，闪烁次序、闪烁时长等显示形式可依据工作人员需求进行设置，该模型实物如图3所示。

声音效果通过内置蜂鸣器进行提醒，该蜂鸣器采用无源蜂鸣器即内部无震荡源的蜂鸣器，其优点是成本低，声音频率范围宽，使用者可通过改变频率驱动蜂鸣器发出不同的声音。在通电时，内部振荡器需要2～5 kHz的方波驱动，不同频率的波形会驱动蜂鸣器发出对应频率的声音。考虑到患者的心情因素，提醒声音建议编辑设置成一首简单的乐曲，以此缓解患者的焦虑感，更有助于身体的恢复。无源蜂鸣器模块可接主板的5.5 V或3.3 V接口；S为信号接口，可接UNO主板的0—13号数字引脚。蜂鸣器模型实物如图4所示。

若以上提示均无效，则需要在小程序终端提醒医护人员对病人情况进行确认，防止意外情况的发生。

3.5 程序设计

程序控制端不仅要实现药物的自动定时分配，还需要根据不同的患者服用药物不同，服用药物的频率与时间不相同，经过终端对药盒的药量分配进行设置，同时设置病房内药盒药物的分配时间，也要满足如果患者的用药量在住院期间发生变动，在终端可对药盒发放药量进行修改的操作。

基于以上设计思路：

（1）首先完成微信小程序UI框架的设计，根据框架的各个组件确定好渲染界面所需要的元素部件，利用微信小程序中wx：for等控制语句进行高效渲染。通过基本UI框架确定各个组件部分的具体样式之后，利用WXSS（全称WeiXin Style Sheets）语句更改具体样式对小程序页面进行细致调节；其次，利用JS（全称JavaScript）编写每个组件部分相应的事件，并利用事件与系统进行绑定，实现事件与事件之间、组件与组件之间的相互关系；最后通过事件和组件之间的对应关系完成各个页面之间的携带参数跳转，实现了所需的几个页面间切换的功能。

（2）搭建项目专属的数据库，用于储存患者姓名、年龄、所患疾病和用药信息等信息，利用express模块搭建了简单的服务器，挂载了新增信息、修改信息、读取信息和清空列表等路由，允许客户端采用GET，POST等请求方式进行数据调用，在服务器中，设计自己的全局和局部中间件，可以对出现的各种error进行反应和处理，通过利用内置中间件解决了跨域、字符解析等问题[8]。

（3）设计一个微信小程序控制界面，利用原生蓝牙模块API，调用药盒上UNO板连接的蓝牙模块，链接到控制药盒开关的舵机，医务人员通过微信小程序，可以完成对药盒开关的控制。通过调用读取手机时间，实现开锁倒计时功能，按照不同的剩余时间显示不同的警示颜色，当到达设置时间时自动打开药盒门，或者解除药盒门锁的舵机控制使医护人员可手动打开药盒，进行药物的补充或换取药物。在模拟操作过程中，考虑到蓝牙传输的距离长短因素、信息的完整性因素，信号强弱因素，在之后的改进过程中建议考虑采用WIFI连接药盒与手机，以提高信息传递的及时性。

4 结束语

基于住院场景的病房药物配给的需求，减少疫情期间不必要的人员接触感染风险，本文设计了一款在病房中可自动发放药物的智能药盒。药盒的设计优化了患者取用药的环节，精简了医护人员取送药品的环节，增加了患者用药的安全性、及时性，提高了医护人员的工作效率，也避免了因发放药物而造成人员流动带来交叉感染的情况，更好地为患者提供服务，提升患者的满意度。