基于人脸识别的服药模拟装置

吴双娥，冉贵龙，王锦荣，程子源，杨雨欣，赵雁伟，李 元，康 懿

（吕梁学院物理系，山西吕梁 033001）

0 引 言

在第七次人口普查[1]中，60 岁及以上老年人口总占比为18.7%。2021 年工信部、民政部、国家卫健委共同印发《智慧健康养老产业发展行动计划（2021—2025 年）》[2]，提出重点发展养老监护类[3]、数字化智能产品及家庭服务机器人产品[4]。在对老年慢性病病人口服药智能化管理研究的调研中[5]，我国超1.8 亿老年人至少患有一种慢性病，人均服药9.1 种且长期服用多种药物者占60.2%，其中有66.08%的人有时忘记服药，60.8%的人经常会忘记服药，57.22%的人有时忘记，11.39%的人经常忘记在服药期间及时购买后续药物。老年慢性病病人由于记忆力和认知力下降，其用药依从性低下，忘记服药[6]。为了提高用药依从性，减少并发症，提高病人的生命质量，解决老年人因年龄带来的记忆力衰退问题，本项目通过调研分析[7]发现，目前的药箱无法为老年人提供健康管理与医疗帮助等相关服务[8-11]。总结当前市面上的药箱有以下问题：老人取药时的识别方式[12-14]、出药仍然不能实现自动化[15-17]、老人服药后不能将服药信息进行反馈[17-19]。针对上述问题，本文提出以下解决方法并成功实现以下功能：

1）通过人脸识别来确认老人身份；

2）识别成功后，控制舵机出药；

3）设置有红外检测，出药后老人一定时间内未取药将发出警报；

4）附带WiFi 模块，服药后按下按键，通过物联网将信息发送到关联手机。

1 系统设计总方案

本装置（人脸识别服药模拟装置）结合单片机控制和摄像头识别来实现上述功能。装置分为两个工作部分，有人脸识别部分OpenMV 摄像头和单片机部分。其中人脸识别使用LBP 特征算法将当前识别到的人脸与库中的LBP 值进行对比，输出特征值最小的人脸序号，收到最小序号后控制舵机旋转出药，药物落到指定区域时，红外检测药物是否取走。运用物联网技术传输服药信息，再加上闹钟、加热水温等功能来解决老人随取随服的需求。技术路线图如图1 所示。

图1 技术路线图

2 硬件架构

在系统硬件结构中与单片机连接的有时钟模块、温度检测模块、报警模块、WiFi 模块、显示模块。其中：时钟模块DS1302提供系统时间参数，确定闹钟时间及其红外报警时间；温度检测模块DS18B20 用来检测加热水温，并显示在LCD1602屏幕上；ESP8266 WiFi模块将取药信息通过物联网传输到特定网址上；LCD1602 液晶显示屏可实时显示时间、温度等参数。系统硬件图如图2所示。

图2 系统硬件结构图

2.1 人脸分辨电路

人脸检测电路主要使用OV7725 芯片，在人脸分辨前，通过拍照的方式将人脸的不同样貌录入到OpenMV内置SD 卡内。人脸分辨是通过计算当前人脸的LBP 值与之前录入的值相比较。

2.2 药物分配电路

药物分配电路使用多个舵机控制转盘，最多使用16 个舵机同时旋转控制，每个舵机转盘内可以放置一种药物，根据不同人脸序列号来控制多个舵机出药。舵机采用SG90，其可以360°连续旋转，人脸识别成功后舵机控制转盘转到相应的位置上完成药品分配。药物分配电路图如图3 所示。

图3 药物分配电路

2.3 WiFi传输电路

WiFi 信息传输电路用ESP8266 模块，其可以设置多种模式，通过PC 端配置芯片工作模式。使用串口和单片机相连接，将手机和WiFi 模块连接到同一WiFi 下，手机端就能登录到特定网址查看老人服药信息。

3 软件构成

该装置的软件结构分为人脸识别和单片机控制两部分。首先软件对OpenMV 摄像头及舵机进行初始化，之后检测并识别是否插入SD 卡。当检测到SD 卡信息时对卡内信息进行读取，并识别出之前录入的人脸特征信息，使用表1 函数find_lbp 对录入人脸信息进行提取，计算出每张图片中的LBP 值大小。再求出每个人每张图片的LBP 值，并求出平均值大小定义为d1，人脸识别流程图如图4 所示。

表1 人脸部分函数使用表

图4 人脸识别流程图

当人脸识别输出对应序号后，就会跳转到舵机控制部分。初始化舵机，识别出对应人脸序号，对不同人脸序号进行识别，根据识别的人脸序号控制舵机PWM 信号输出来选择要旋转的角度，实现自动出药。

单片机部分流程图如图5 所示。当药物通过舵机掉落在出药平台时，红外感应会检测到药物掉落，如果在2 min 内未取走药物，蜂鸣器会发出警报。水温利用陶瓷加热片进行控制，并通过DS18B20 检测水温，在药箱正前面安装有LCD1602显示屏，显示当前时间、水温和闹钟时间。利用DS1302时钟模块定时提醒老人服药，若老人已服药，并按下按键，则通过ESP8266 模块发送“lao ren yi fu yao”信息到对应网址上，完成信息实时传输。

图5 单片机流程图

4 功能测试

1）人脸录入：通过OpenMV 内置芯片定时拍摄图片，将不同人脸的图片保存到不同文件夹内，通过程序设置拍摄中断时长和拍摄图片张数，再将这些图片文件夹全部保存到OpenMV 的SD 卡内。

2）人脸识别：计算当前拍摄的人脸LBP 值，与人脸录入文件夹内的序号依次比较，输出LBP 值差异度最小的人脸序号。

3）测试方法：打开OpenMV IDE 软件，识别已录入人脸，在软件下方的串行终端将会输出LBP 差异度最小的人脸序号和对比各文件夹内人脸LBP 差异度值。目前人脸识别库中录入了4 份人脸，在不同时间、不同地点进行人脸准确度测试，只要人脸正对摄像头，人脸识别的准确度均在90%以上。可实时修改人脸录入的图片和人脸库里需要识别的人脸数量。人脸识别准确度如表2 所示。

表2 不同环境下人脸识别准确度%

4）舵机控制：当人脸识别后，依据人脸序号控制不同舵机旋转，最多可控制16 个舵机。本设计目前只加入4 个舵机，后续可根据需求添加相应数量的舵机。实测4 个舵机与相应人脸序号旋转角度对应关系如表3 所示。人脸识别服药模拟装置图如图6 所示。

表3 舵机旋转角度表

图6 人脸识别服药模拟装置图

5）单片机功能测试：系统初始化后，加热模块自动加热，温度模块将检测到的温度、时间模块将检测到的时间实时传输到LCD 显示屏上，且该装置具有闹钟功能。当舵机出药后，药物未在2 min 内取走，红外检测模块未检测到药物取走，会通过蜂鸣器发出警报。WiFi模块将服药状态传输到手机上。

5 结 论

目前市面上尚无人脸识别自动出药的服药装置。本装置通过人脸识别智能出药，借助红外检测模块检测服药状态，利用WiFi 互联供家人实时查询老人服药信息，以此来解决市面上老人药盒不易操作、指纹识别准确率不高等方面的问题。

本装置设计考虑老人生活实际比较人性化，能服务于多位老人，根据服务场合实时增减舵机数量，满足多位老人的需求；易操作，只要老人正对摄像头，即可自动出药；装置小巧、成本低；查询服药状态无需下载软件。但该装置也存在一些缺点，如还需要人为地添加药物、提醒方式不够智能、人脸识别准确率还有待提高等。今后还需完善扩展各部分功能，以给予老人更加贴心的服务。

注：本文通讯作者为王锦荣。