吳雙娥，冉貴龍，王錦榮，程子源，楊雨欣，趙雁偉，李 元，康 懿

（呂梁學(xué)院物理系，山西呂梁 033001）

0 引 言

在第七次人口普查[1]中，60 歲及以上老年人口總占比為18.7%。2021 年工信部、民政部、國(guó)家衛(wèi)健委共同印發(fā)《智慧健康養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2021—2025 年）》[2]，提出重點(diǎn)發(fā)展養(yǎng)老監(jiān)護(hù)類(lèi)[3]、數(shù)字化智能產(chǎn)品及家庭服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品[4]。在對(duì)老年慢性病病人口服藥智能化管理研究的調(diào)研中[5]，我國(guó)超1.8 億老年人至少患有一種慢性病，人均服藥9.1 種且長(zhǎng)期服用多種藥物者占60.2%，其中有66.08%的人有時(shí)忘記服藥，60.8%的人經(jīng)常會(huì)忘記服藥，57.22%的人有時(shí)忘記，11.39%的人經(jīng)常忘記在服藥期間及時(shí)購(gòu)買(mǎi)后續(xù)藥物。老年慢性病病人由于記憶力和認(rèn)知力下降，其用藥依從性低下，忘記服藥[6]。為了提高用藥依從性，減少并發(fā)癥，提高病人的生命質(zhì)量，解決老年人因年齡帶來(lái)的記憶力衰退問(wèn)題，本項(xiàng)目通過(guò)調(diào)研分析[7]發(fā)現(xiàn)，目前的藥箱無(wú)法為老年人提供健康管理與醫(yī)療幫助等相關(guān)服務(wù)[8-11]。總結(jié)當(dāng)前市面上的藥箱有以下問(wèn)題：老人取藥時(shí)的識(shí)別方式[12-14]、出藥仍然不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[15-17]、老人服藥后不能將服藥信息進(jìn)行反饋[17-19]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出以下解決方法并成功實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）通過(guò)人臉識(shí)別來(lái)確認(rèn)老人身份；

2）識(shí)別成功后，控制舵機(jī)出藥；

3）設(shè)置有紅外檢測(cè)，出藥后老人一定時(shí)間內(nèi)未取藥將發(fā)出警報(bào)；

4）附帶WiFi 模塊，服藥后按下按鍵，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將信息發(fā)送到關(guān)聯(lián)手機(jī)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案

本裝置（人臉識(shí)別服藥模擬裝置）結(jié)合單片機(jī)控制和攝像頭識(shí)別來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能。裝置分為兩個(gè)工作部分，有人臉識(shí)別部分OpenMV 攝像頭和單片機(jī)部分。其中人臉識(shí)別使用LBP 特征算法將當(dāng)前識(shí)別到的人臉與庫(kù)中的LBP 值進(jìn)行對(duì)比，輸出特征值最小的人臉序號(hào)，收到最小序號(hào)后控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)出藥，藥物落到指定區(qū)域時(shí)，紅外檢測(cè)藥物是否取走。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸服藥信息，再加上鬧鐘、加熱水溫等功能來(lái)解決老人隨取隨服的需求。技術(shù)路線圖如圖1 所示。

圖1 技術(shù)路線圖

2 硬件架構(gòu)

在系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中與單片機(jī)連接的有時(shí)鐘模塊、溫度檢測(cè)模塊、報(bào)警模塊、WiFi 模塊、顯示模塊。其中：時(shí)鐘模塊DS1302提供系統(tǒng)時(shí)間參數(shù)，確定鬧鐘時(shí)間及其紅外報(bào)警時(shí)間；溫度檢測(cè)模塊DS18B20 用來(lái)檢測(cè)加熱水溫，并顯示在LCD1602屏幕上；ESP8266 WiFi模塊將取藥信息通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)教囟ňW(wǎng)址上；LCD1602 液晶顯示屏可實(shí)時(shí)顯示時(shí)間、溫度等參數(shù)。系統(tǒng)硬件圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 人臉?lè)直骐娐?/h3>

人臉檢測(cè)電路主要使用OV7725 芯片，在人臉?lè)直媲?，通過(guò)拍照的方式將人臉的不同樣貌錄入到OpenMV內(nèi)置SD 卡內(nèi)。人臉?lè)直媸峭ㄟ^(guò)計(jì)算當(dāng)前人臉的LBP 值與之前錄入的值相比較。

2.2 藥物分配電路

藥物分配電路使用多個(gè)舵機(jī)控制轉(zhuǎn)盤(pán)，最多使用16 個(gè)舵機(jī)同時(shí)旋轉(zhuǎn)控制，每個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)可以放置一種藥物，根據(jù)不同人臉序列號(hào)來(lái)控制多個(gè)舵機(jī)出藥。舵機(jī)采用SG90，其可以360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，人臉識(shí)別成功后舵機(jī)控制轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置上完成藥品分配。藥物分配電路圖如圖3 所示。

圖3 藥物分配電路

2.3 WiFi傳輸電路

WiFi 信息傳輸電路用ESP8266 模塊，其可以設(shè)置多種模式，通過(guò)PC 端配置芯片工作模式。使用串口和單片機(jī)相連接，將手機(jī)和WiFi 模塊連接到同一WiFi 下，手機(jī)端就能登錄到特定網(wǎng)址查看老人服藥信息。

3 軟件構(gòu)成

該裝置的軟件結(jié)構(gòu)分為人臉識(shí)別和單片機(jī)控制兩部分。首先軟件對(duì)OpenMV 攝像頭及舵機(jī)進(jìn)行初始化，之后檢測(cè)并識(shí)別是否插入SD 卡。當(dāng)檢測(cè)到SD 卡信息時(shí)對(duì)卡內(nèi)信息進(jìn)行讀取，并識(shí)別出之前錄入的人臉特征信息，使用表1 函數(shù)find_lbp 對(duì)錄入人臉信息進(jìn)行提取，計(jì)算出每張圖片中的LBP 值大小。再求出每個(gè)人每張圖片的LBP 值，并求出平均值大小定義為d1，人臉識(shí)別流程圖如圖4 所示。

表1 人臉部分函數(shù)使用表

圖4 人臉識(shí)別流程圖

當(dāng)人臉識(shí)別輸出對(duì)應(yīng)序號(hào)后，就會(huì)跳轉(zhuǎn)到舵機(jī)控制部分。初始化舵機(jī)，識(shí)別出對(duì)應(yīng)人臉序號(hào)，對(duì)不同人臉序號(hào)進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)識(shí)別的人臉序號(hào)控制舵機(jī)PWM 信號(hào)輸出來(lái)選擇要旋轉(zhuǎn)的角度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出藥。

單片機(jī)部分流程圖如圖5 所示。當(dāng)藥物通過(guò)舵機(jī)掉落在出藥平臺(tái)時(shí)，紅外感應(yīng)會(huì)檢測(cè)到藥物掉落，如果在2 min 內(nèi)未取走藥物，蜂鳴器會(huì)發(fā)出警報(bào)。水溫利用陶瓷加熱片進(jìn)行控制，并通過(guò)DS18B20 檢測(cè)水溫，在藥箱正前面安裝有LCD1602顯示屏，顯示當(dāng)前時(shí)間、水溫和鬧鐘時(shí)間。利用DS1302時(shí)鐘模塊定時(shí)提醒老人服藥，若老人已服藥，并按下按鍵，則通過(guò)ESP8266 模塊發(fā)送“l(fā)ao ren yi fu yao”信息到對(duì)應(yīng)網(wǎng)址上，完成信息實(shí)時(shí)傳輸。

圖5 單片機(jī)流程圖

4 功能測(cè)試

1）人臉?shù)浫耄和ㄟ^(guò)OpenMV 內(nèi)置芯片定時(shí)拍攝圖片，將不同人臉的圖片保存到不同文件夾內(nèi)，通過(guò)程序設(shè)置拍攝中斷時(shí)長(zhǎng)和拍攝圖片張數(shù)，再將這些圖片文件夾全部保存到OpenMV 的SD 卡內(nèi)。

2）人臉識(shí)別：計(jì)算當(dāng)前拍攝的人臉LBP 值，與人臉?shù)浫胛募A內(nèi)的序號(hào)依次比較，輸出LBP 值差異度最小的人臉序號(hào)。

3）測(cè)試方法：打開(kāi)OpenMV IDE 軟件，識(shí)別已錄入人臉，在軟件下方的串行終端將會(huì)輸出LBP 差異度最小的人臉序號(hào)和對(duì)比各文件夾內(nèi)人臉LBP 差異度值。目前人臉識(shí)別庫(kù)中錄入了4 份人臉，在不同時(shí)間、不同地點(diǎn)進(jìn)行人臉準(zhǔn)確度測(cè)試，只要人臉正對(duì)攝像頭，人臉識(shí)別的準(zhǔn)確度均在90%以上?？蓪?shí)時(shí)修改人臉?shù)浫氲膱D片和人臉庫(kù)里需要識(shí)別的人臉數(shù)量。人臉識(shí)別準(zhǔn)確度如表2 所示。

表2 不同環(huán)境下人臉識(shí)別準(zhǔn)確度%

4）舵機(jī)控制：當(dāng)人臉識(shí)別后，依據(jù)人臉序號(hào)控制不同舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，最多可控制16 個(gè)舵機(jī)。本設(shè)計(jì)目前只加入4 個(gè)舵機(jī)，后續(xù)可根據(jù)需求添加相應(yīng)數(shù)量的舵機(jī)。實(shí)測(cè)4 個(gè)舵機(jī)與相應(yīng)人臉序號(hào)旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3 所示。人臉識(shí)別服藥模擬裝置圖如圖6 所示。

表3 舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度表

圖6 人臉識(shí)別服藥模擬裝置圖

5）單片機(jī)功能測(cè)試：系統(tǒng)初始化后，加熱模塊自動(dòng)加熱，溫度模塊將檢測(cè)到的溫度、時(shí)間模塊將檢測(cè)到的時(shí)間實(shí)時(shí)傳輸?shù)絃CD 顯示屏上，且該裝置具有鬧鐘功能。當(dāng)舵機(jī)出藥后，藥物未在2 min 內(nèi)取走，紅外檢測(cè)模塊未檢測(cè)到藥物取走，會(huì)通過(guò)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。WiFi模塊將服藥狀態(tài)傳輸?shù)绞謾C(jī)上。

5 結(jié) 論

目前市面上尚無(wú)人臉識(shí)別自動(dòng)出藥的服藥裝置。本裝置通過(guò)人臉識(shí)別智能出藥，借助紅外檢測(cè)模塊檢測(cè)服藥狀態(tài)，利用WiFi 互聯(lián)供家人實(shí)時(shí)查詢(xún)老人服藥信息，以此來(lái)解決市面上老人藥盒不易操作、指紋識(shí)別準(zhǔn)確率不高等方面的問(wèn)題。

本裝置設(shè)計(jì)考慮老人生活實(shí)際比較人性化，能服務(wù)于多位老人，根據(jù)服務(wù)場(chǎng)合實(shí)時(shí)增減舵機(jī)數(shù)量，滿足多位老人的需求；易操作，只要老人正對(duì)攝像頭，即可自動(dòng)出藥；裝置小巧、成本低；查詢(xún)服藥狀態(tài)無(wú)需下載軟件。但該裝置也存在一些缺點(diǎn)，如還需要人為地添加藥物、提醒方式不夠智能、人臉識(shí)別準(zhǔn)確率還有待提高等。今后還需完善擴(kuò)展各部分功能，以給予老人更加貼心的服務(wù)。

注：本文通訊作者為王錦榮。