基于STM32多功能智能药箱的设计与实现.pdf

第 卷湖北师范大学学报(自然科学版)第 期 ()基于 多功能智能药箱的设计与实现邱萌萌刘 瑞张凯旋李 炜(安徽机电职业技术学院 电气工程学院安徽 芜湖 池州学院 机电工程学院安徽 池州 安徽工程大学 安徽省电气传动与控制重点实验室安徽 芜湖)摘要:针对老年人以及特殊人群在生活中在服药的时间段经常出现漏服、错服或多服的现象为避免用药不当造成伤害减轻监护人的负担设计一款多功能的智能药箱 智能药箱基于 嵌入式单片机平台实现信息实时采集、时间同步、温湿度监测、短信 信息推送、语音提示等功能方便阅读不便的老年人使用经验证该多功能智能药箱使用方便适用于养老机构、尤其是特殊人群(老弱病残)和家庭使用具有很好的推广应用价值关键词:智能药箱 中图分类号:、文献标志码:文章编号:():./.引言根据最新人口统计全国人口有 以上的老人存在“三高症”必须每天服药才能维持健康但是多数子女忙于工作提醒父母服药容易疏忽会导致老人误服、漏服等现象情况严重的可能会涉及生命安危目前市场上的药箱基本只具有容器作用并且功能简单、现代化程度低不能有效引导老人服药 因此研究并设计多功能智能药箱解决上述问题已经成为迫在眉睫的问题本文设计了一种多功能智能药箱系统该系统以 系列的单片机作为主控芯片移植的 实时操作系统实现信息实时采集、时间同步、温湿度监测、短信 推送信息、语音提示等功能很显然语音提示对于阅读不便的老年人显得尤为重要另外本系统不仅具备提醒按时服药、药品过期与否的功能还增加了针对不同用户信息的采集和药品管理的新功能 经实验表明本系统能够协助完成儿童、老人等患者按时吃药的功能无疑对于国家建立健全社区养老制度及家庭健康都颇具现实价值在很大程度上也减少对专业护理工作者的依赖改善忘记服药而导致的严重后果让家人能够更加安心、放心 系统的总体架构本智能药箱系统由硬件和软件组成硬件负责实现功能手机 软件用于制定计划、设置参数等结合短信与消息提示方式进行提醒 采用 模块连接到 通过 联网并设置服药提醒同时传送数据至监护人手机若未服药或服药不合理会报警提示起到远距离监控效果 同时收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()安徽省教育厅自然科学研究项目()安徽省质量工程()产业协同创新专项基金项目()作者简介:邱萌萌()女安徽宿州人讲师硕士研究方向为智能控制研究.还可以实现对心率、血氧、微循环等心血管健康参数的实时监测如有异常指示灯闪烁发送消息给紧急联系人以便于及时就医 如有药量过低时则会同步提供到 上提醒家属更新药物 到吃药时间时会有语音提示、应服药物抽屉自动弹开方便简洁并具有预防卡药的机制本系统的总体架构如图 所示 简易的实物如图 所示 图 智能药箱系统框架图 图 简易智能药箱整体实物图 药箱整体硬件设计硬件部分对数据进行采集、处理、人机交互等功能硬件部分包含主控模块、药量检测模块、语音模块、入网模块、短信发送模块等.药箱的设计)药品抽屉的两种存放模式模式一:每个抽屉只存放一种药吃多种药时分别弹出多个抽屉使用者对药进行自取并且取完自主关闭药仓模式二:单个抽屉放多种药例如对于视力不好阅读不便的老人无法完成药的分类以及数量区分的情况下可利用他人一次性将药品分类并定量将药分装完成后再放入药仓药箱可最多放 次的服用量或者将多个药包放在一个药仓抽屉内取药时通过设置个性化语音提示进行取药以防止多拿的现象)药箱设计根据实际情况吃药可能同时服用多种药的情况将药箱的箱体编号为 的抽屉分别可以存放药品 药箱的整体使用塑料外壳每个抽屉设有电磁锁扣将抽屉门进行卡锁电磁铁通入电流锁销收缩抽屉经尾部弹簧使其向外弹出部分距离以提示并方便进行取药抽屉末端设有行程开关检测抽屉关闭和打开以此检测抽屉是否关闭到位、有没有取药并记录相关信息以便对吃药进行监督其结构如图 所示()单个抽屉的结构示意图 ()药箱的外观设计图 药箱的设计.主控模块主控使用 内核的 模块该主控拥有 的内部 的 空间运行频率 这款高性能处理器再配合 实时操作系统其特点高速度、低耦合、高效率、稳定性强完全满足控制需求.语音模块语音模块使用国产器件 通过串口通信将需要反馈给用户的文字信息转为声音信号通过扬声器进行播报该模块包含 位微控制单元对音频进行硬解码确保了音质与稳定.药量/温湿度检测模块药量检测模块实现原理不同于常见传感器读取的方式此检测方式通过存放药品的抽屉底部的电极板通过电容感应的方式识别药量的变化进行药量的粗略计量通过 公司的 芯片同时配合温湿度检测传感器 检测环境温湿度值通过主控内算法对电容极板因环境湿度引起的较大偏差进行纠正并且当湿度达到一定阈值时通过屏幕显示相应信息以此通知用户将药箱进行晾干药量检测模块主要功能用来检测药量剩余情况如提醒吃药后按下取药按钮并弹出抽屉后本应取药但实际并没有取药而是强行关闭抽屉此时由于抽屉内药量没有变化从而相应的电容值也没有发生变化则系统将记录此情况并做预警等后续处理药量检测模块若检测到药量为空则提醒用户补充药品或者在相应设置中改变服药设置.入网模块 连接使用 模块通过此模块进行互联网的接入模块使用第三方云平台提供服务器通信并通过手机 实现远程通信通过 进行远程操控远程提醒、药品信息、药量、播报内容进行设定等功能 如图 所示图 模块.短信发送模块短信发送采用 其尺寸较小具备 与 功能贴片式封装性能强能够嵌入用户程序 在追踪系统、车辆监管、机、电力监控等方向有较多运用 在本智能药箱设计 提供短信发送服务当药箱进行吃药提醒后长时间无人应答时会通过短信方式向紧急联系人发送短信通知.脉搏/血氧测量模块此功能模块使用 传感器能够实时测量出人体的血氧浓度、心率脉搏配合单片机内软件的滤波算法进行数据处理将数据显示在屏幕上并进行语音播报 脉搏/血氧测量模块如图 所示 图 传感器 图 主界面 可以进行心率和血氧的检测操作简单内部集成度高在可穿戴的设备上广泛应用模块里面的电路被设计为抑制环境光的低噪声电路这样可以提升测量的准确度 里面有绿光作为光源使用单独的 电源为其供电还有光电探测器和相关的光学器件 传感器采集反射回的光后转化为电信号再转化为数字信号 单片机通过硬件 或者模拟 读取模块里面的处理过后的数字信号 此外模块在未使用时电流极低这样就可以保持长时间的供电状态.显示模块本文采用 作为液晶显示其可完成基本图形显示并具有工作电压低、微功耗、体积小、可视面积大、无电磁辐射、寿命长等特点与外设可通过串口或并口实现如图 所示智能药箱系统的主界面 药箱软件设计.智能药箱软件设计系统整体流程如图 所示先进行软硬件上电初始化通过无线网络模块连接手机 实时更新时间与接收信息(包括 短信、温湿度监测范围等)通过更新的监测范围超限启动报警同时指示灯闪烁另外可实现定时服药语音提示监测药品分发状态及时将状态信息发送给用户手机如有病人在心率检测异常或突发不适可以按下报警按钮发出求救信号此时系统自动通过 告知家人 图 药箱 软件流程图 图 网络配置流程图各子程序在 线程调度管理下有序完成相应功能使用 操作系统在保证实时性的前提下简化了子程序调度逻辑.网络配置药箱的硬件系统需要通过软件进行控制才能达到最终要实现的功能首先系统上电开机启动系统进入初始化阶段初始化屏幕及各模块初始化过程中 模块将自动搜索环境无线网络并按照已经设置好的配置进行 连接初次使用时需要配置无线网络其流程如图 所示关于网络的设置在操控面板中的助手有“一键配置”网络按钮长按按钮 秒自动进入网络连接模式并配合 内填入所要连接的 名称和密码当连接成功屏幕会显示网络连接成功的图标以表示网络连接正常 网络连接如图 所示图 网络连接.参数配置药箱 号抽屉可以自定义存放需要存放的药品药品名称、吃药数量在 中进行设定其 首页如图 所示:图 首页 图 设置界面待提醒吃药时按下取药按钮抽屉自动弹出同时语音播报抽屉号以及药品名及药品用量比如语音播报:“号感冒药吃 粒”也可在 设置的文字内容进行自定义播报个性化的语音提示能够有效的提醒用户防止错服、漏服、多服的情况发生其 配置页面如图 所示 取药完成后服药并将抽屉关闭结束整个吃药过程.手机 程序设计如图 所示提供手机端 的部分程序其中代码()是获取与云平台通信的数据回调并将获取的数据在界面的弹窗中显示代码()是将用户界面设定的定时提醒信息通过网络向服务器发送函数里是获取用户设定要提醒吃药的时间信息并通过 函数发送 请求到服务器图 的部分代码.取药流程图设计当系统开启后若语音播报提醒服药时先进行取药若长时间无人应答待控制器内的计时器超时后面板的取药按钮仍未被按下则说明用户没有吃药此时会通过短信模块发送短信通知紧急联系人也可以手机 查看药箱状态信息同时药箱以 分钟的时间间隔持续进行语音提示提醒三次后停止提示如果在进行取药过程中出现误操作的情况可通过按下面板的重新取药按钮系统将重复上一次取药的流程进行重新取药操作 整体流程设计如图 所示图 整体流程设计.单片机部分主程序以接收串口数据程序为例如程序段()和()分别是 模块通信和语音模块通信是两个串口数据监控函数串口 接收和上传控制指令和数据的串口通信 模块使用 模块通过第三方云平台(机智云)建立服务器连接 内的操作通过网络传输到 模块通过 模块的串口与单片机通信并使用单片机定时器监控串口数据帧收到数据帧后解析数据执行对应指令或操作 单片机串口 与语音模块进行串口通信传输指定字符串将其转换为语音后进行语音播报代码 函数监控串口数据并把数据转发给语音模块进行播报 函数是设置对应药仓的数据 函数进行串口扫描监控串口数据图 单片机部分主程序 实验结果分析经测试表明如出现药物少服、漏服等情况智能药箱系统会语音提示、界面显示如图 所示并推送消息给亲人以防出现意外另外当放药物至药箱时药量没有达到或超过预先设置值(一般按半个月的药量)也会语音提醒并及时调整药量 测试显示界面如图 所示()少服药片提醒 ()药量不足提醒图 测试显示界面 结语多功能智能药箱通过药箱的巧妙设计并结合软件实现对药物仓储、实时监控 相较于市面的药箱本系统能够实现用药时间管理、用药智能提示、自动打开药箱并监测是否已完成药物量的放置和取药、实时监测药箱环境是否适宜、如有紧急情况(系统报警)发消息给亲人等多种功能便于家人远程监控用药、心率等情况 大大降低了老人、儿童等病人误服、漏服等安全隐患由于其价格低廉更易于家庭、养老院和医疗护理场的普及能够有效减轻医护人员的负担具有一定的推广应用前景参考文献:杭州市萧山区科协.提醒!老人用药安全须知.澎湃新闻 .张强等.基于 的新型智能药箱的设计与实现.中国照明电器():.王百川.基于 基站双模定位车载终端的设计.甘肃科技.():.孟立凡.基于 和 的双轮自平衡机器人的设计与实现.山西:中山大学.郭 霖.第一行代码.版北京:人民邮电出版社.俞晓峰李 炜等.程序设计基础教程.上海:上海交通大学出版社.彭 刚秦志强等.基于 的 系列嵌入式微控制器应用实践.北京:电子工业出版社.操作系统/.:/./.刘帅.基于 单片机的 显示设计及贪吃蛇游戏算法研究.科技通报():.谭浩强.程序设计(第五版).北京:清华大学出版社.():.().: