張娜 張浩琨（通訊作者） 劉明凱

1. 山東理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 山東 淄博 255000；2. 山東理工大學(xué) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化學(xué)院 山東 淄博 255000

引言

在如今的醫(yī)療設(shè)備日益完善的生活中，家用藥箱的普及率比較高，然而人們對家庭藥箱的管理，依然是存在諸多的問題。在現(xiàn)有的市場中，藥箱產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了一代代地更新升級(jí)，但是并不能從根本上解決安全用藥的問題。若能將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能制造、醫(yī)療安全以及深度學(xué)習(xí)四者結(jié)合起來，必將形成全新的商業(yè)模式?；谠票O(jiān)控的智能藥箱系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能有：a.在規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)提醒吃藥b.顯示食用藥片的用量和剩余量c.對藥片的添加d.各種藥品的說明書e.對藥箱內(nèi)的溫濕度進(jìn)行檢測等等。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)簡介

系統(tǒng)是基于NB-IoT的智能醫(yī)藥管家，用GMS模塊及ESP8266串口Wi-Fi模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供了網(wǎng)絡(luò)，保證系統(tǒng)通信正常，完成云服務(wù)器與下位機(jī)之間的信息互通。app為用戶的直接使用提供便利，首先打開app中的用藥設(shè)置，進(jìn)行對用藥時(shí)間、藥品名稱、用藥量等的設(shè)置，設(shè)置完畢后，可以發(fā)現(xiàn)時(shí)間到了以后，系統(tǒng)顯示屏上會(huì)發(fā)送用藥提醒，對應(yīng)的用藥倉會(huì)閃燈以引導(dǎo)用藥者服藥，服藥后，可以看到app中的藥量減少，提示消失。若一分鐘內(nèi)無服藥信息，系統(tǒng)會(huì)把用藥提醒通過GSM模塊發(fā)送到用藥者的手機(jī)中并解除報(bào)警。同時(shí)為了方便藥物儲(chǔ)存，在藥箱中添加了降溫和通風(fēng)功能，可以根據(jù)藥箱內(nèi)的溫濕度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。另外藥箱中還有溫度、心跳檢測功能，同時(shí)在顯示屏上顯示[1]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

系統(tǒng)微控制芯片選用STM32芯片，原因如下：STM32內(nèi)含各種集成嵌入式存儲(chǔ)器，具備嵌套式中斷控制以及外部中斷功能，其最高時(shí)鐘頻率可達(dá)72MHz。該芯片還具備電源管理功能，當(dāng) 低于特定下限時(shí)，無須外部復(fù)位裝置設(shè)備即可保持在復(fù)位狀態(tài)。STM32有四種工作模式，其中運(yùn)行模式用主調(diào)節(jié)方式，停止、待機(jī)、睡眠模式是當(dāng)內(nèi)核不再運(yùn)行時(shí)STM32進(jìn)入了低功耗模式，可以有效解決在日常狀況下的功率損耗問題。而且，STM32有可以支持PTP協(xié)議的以太網(wǎng)接口，能提高實(shí)時(shí)應(yīng)用能力和互聯(lián)網(wǎng)通信的響應(yīng)速度。

2.2 通信電路的設(shè)計(jì)

本作品通過ESP-8266模塊實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)之間的實(shí)時(shí)連接，通過利用ONENET開發(fā)平臺(tái)的自制App智能醫(yī)藥管家App，用戶可以觀察到用藥者的復(fù)用情況。同時(shí)采用GSM模塊，可以在無網(wǎng)絡(luò)的情況下發(fā)送信息與用藥者通信。當(dāng)產(chǎn)生用藥也提醒一段時(shí)間后，若用藥者還未服用相應(yīng)的藥物，則會(huì)發(fā)送用藥提醒短信，這一功能方便了不懂App操作的用戶使用。另外作品加入了串口通信，使得下位機(jī)之間可以與STM32F103ZET6通信，這樣就可以把重要信息儲(chǔ)存在FLASH之中并可以通過4.3寸顯示屏查看，極大地方便了用戶的使用[2]。

2.3 光敏電阻模塊設(shè)計(jì)

為了檢測醫(yī)藥箱內(nèi)用藥情況，需設(shè)計(jì)一個(gè)電路來模擬藥箱開閉的高低電位變化。因此我們選擇光敏傳感器模塊，通過光照強(qiáng)度變化來模擬藥箱的開關(guān)情況，每一次開關(guān)時(shí)模塊都會(huì)有高低電位的變化。兼顧到夜晚的使用情況，在開箱時(shí)會(huì)讓藥箱口的LED小燈點(diǎn)亮來模擬太陽光，模塊也同樣會(huì)做出電位變化。同時(shí)這一狀態(tài)能夠傳到上位機(jī)中去，在APP運(yùn)用相應(yīng)算法以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)服務(wù)器采用的是中移物聯(lián)網(wǎng)提供的云服務(wù)器，下位機(jī)通過傳感器采集數(shù)據(jù)，主控制器通過wifi上傳到ONENET云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，同時(shí)可以利用平臺(tái)的命令下發(fā)對下位機(jī)完成參數(shù)設(shè)置。

App可實(shí)現(xiàn)的功能有：增刪藥品：當(dāng)用藥者不需要某種藥物或改變了一些用藥后，可以增加或者刪除某種藥品；添加藥量：當(dāng)藥量不足時(shí)，用戶可以增加藥箱中原有藥品的藥量，同時(shí)在app上同步更新；用藥設(shè)置：用戶在App中進(jìn)行用藥時(shí)間、藥品名稱、用藥量等一系列信息的設(shè)置，設(shè)置的信息會(huì)及時(shí)更新到下位機(jī)，用藥時(shí)間到達(dá)后，下位機(jī)首先會(huì)利用機(jī)身硬件如LED、蜂鳴器、顯示屏等提醒用藥者服藥直至用藥者服藥。若用藥者長時(shí)間未服藥，系統(tǒng)會(huì)把用藥提醒通過GSM模塊發(fā)送到用藥者的手機(jī)中以提醒用戶服藥。記憶功能：每一次有服藥信號(hào)時(shí)，用藥量及藥物種類都會(huì)在App上更新，系統(tǒng)運(yùn)用云服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫可以實(shí)現(xiàn)用戶用藥信息的儲(chǔ)存，儲(chǔ)存時(shí)間為一個(gè)月，家庭其他成員可以在App中觀察服藥者的服藥情況；藥品余量：在用藥者服藥后，App內(nèi)藥品余量會(huì)根據(jù)服藥量減少，并同步藥箱內(nèi)藥品的剩余量；環(huán)境指數(shù)：特殊藥品的儲(chǔ)存往往需要一些特定的環(huán)境，用戶可以觀察藥箱內(nèi)的環(huán)境指數(shù)來通過app實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)藥箱溫濕度等；用藥說明：用戶可以在App中相應(yīng)連接中查看藥物使用說明等[3]。藥品剩余量界面如圖1所示。

圖1 藥品剩余量界面

4 系統(tǒng)功能與指標(biāo)

4.1 一鍵呼救功能

發(fā)生意外情況時(shí)，求救者可以按下藥箱上的緊急呼救紅色按鈕來撥通120求救電話，通話結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將患者所有信息發(fā)送給120救助端，并通過App發(fā)送位置信息。

4.2 監(jiān)控功能作品

以Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)或蜂窩網(wǎng)絡(luò)做透傳，通過下位機(jī)監(jiān)控用藥者的用藥狀態(tài)，原理是當(dāng)有用藥信息 （由光敏傳感器精準(zhǔn)監(jiān)測每一個(gè)藥倉，當(dāng)藥倉光照強(qiáng)度變化時(shí)，光敏電阻阻值變化引起信號(hào)跳變）產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)把用藥信息通過MQTT協(xié)議分別發(fā)送到醫(yī)管家APP和下位機(jī)顯示屏中，滿足了用藥者監(jiān)護(hù)人遠(yuǎn)距離監(jiān)控用藥者的服藥情況。同時(shí)下位機(jī)根據(jù)flash中傳輸信息快速計(jì)算出藥品剩余量、用藥時(shí)間、本天用藥次數(shù)、用藥周期，并在App中顯示。

4.3 用藥設(shè)置功能

在“醫(yī)管家”App中可設(shè)置服藥信息，如用藥時(shí)間、用藥量、用藥種類、用藥周期等，到達(dá)時(shí)間后，下位機(jī)會(huì)通過“聲（蜂鳴器、語音播報(bào)模塊）、光（led燈）、觸（振動(dòng)模塊）”等及時(shí)提醒用藥者服藥，同時(shí)監(jiān)控功能開啟，若久久無服藥信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)把用藥提醒通過GSM模塊發(fā)送到手機(jī)App中以提醒用戶服藥。

4.4 溫度調(diào)節(jié)功能

藥箱有自身溫度和室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)功能，用App可以隨時(shí)隨地控制。

4.5 輔助用藥功能

藥箱底層配有電子稱重計(jì)，液體藥量監(jiān)測計(jì)、電子溫度計(jì)等多種儀器，并通過藥箱4.3寸顯示屏把這些信息顯示[4]。

5 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

5.1 精確的用藥監(jiān)控

市面上正在應(yīng)用的智能藥箱只能實(shí)現(xiàn)前App提醒或者鬧鐘提醒，而其并不能真正實(shí)現(xiàn)對用藥的監(jiān)控，只是把命令下發(fā)給用藥者卻不能真正的監(jiān)控用藥者的復(fù)用情況，如果用藥者錯(cuò)過了提醒那么用藥提醒就會(huì)失效。而我們利用每個(gè)藥倉內(nèi)的光敏電阻模塊可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的用藥提醒及監(jiān)控，利用光敏電阻通過算法可以精確的了解每個(gè)藥倉內(nèi)的情況并同步發(fā)送給App，這樣就實(shí)現(xiàn)了對用藥的監(jiān)控而不只是提醒，每一次有用藥信號(hào)時(shí)App中的藥物余量就會(huì)相應(yīng)的減少。

5.2 App智能管理

市面上應(yīng)用的傳統(tǒng)藥箱并未實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、也未增設(shè)通信技術(shù)，僅停留在原始的工業(yè)制造階段。而我們的作品可將設(shè)備數(shù)據(jù)和用藥監(jiān)控信息上傳到云端，云端處理好后會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送給我們的App。我們的App將這些數(shù)據(jù)展示出來，作品的硬件代碼可以自動(dòng)處理一些App上信息，App也可通過云服務(wù)器向藥箱及硬件設(shè)備發(fā)送功能指令，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)控制，這樣就實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互。

5.3 藥物可存放性高

市場上傳統(tǒng)的藥品歸納箱的溫度和濕度都是不可改變的，存放特殊藥品比如胰島素時(shí)往往需要一個(gè)獨(dú)立的冷凍箱，而我們的作品采用石墨烯降溫通風(fēng)技術(shù)，可以對要想進(jìn)行降溫和通風(fēng)。這種操作既可以設(shè)置成自動(dòng)調(diào)節(jié)到相應(yīng)的溫度，也可手動(dòng)設(shè)置降溫時(shí)間，大幅提高了用藥的儲(chǔ)存種類。

6 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)基于家庭藥品種類在10~20種的條件下，利用光敏電阻模塊以及ESP8266模塊實(shí)現(xiàn)對用藥者的遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)系統(tǒng)兼?zhèn)涠绦盘嵝?，下位機(jī)提醒，上位機(jī)設(shè)置用藥等多種功能，功能相對完善。另外在無提醒事件時(shí)，芯片自動(dòng)休眠，僅保留云通信及藥物監(jiān)控功能，功耗相對較低。在物聯(lián)網(wǎng)高度發(fā)達(dá)的今天，藥箱在醫(yī)藥行業(yè)有著很大優(yōu)勢，發(fā)展前景十分廣闊。