智能药盒方案设计开发

根据全国老龄工作委员会办公室发布的《中国人口老龄化发展趋势预测研究报告》和国家卫生计生委发布的《中国家庭发展报告2015》显示，我国于1999年进入老龄化社会，同时随着老年人口的增长，老年人口中近58.1%的人被确诊患有如高血压、糖尿病、帕金森等慢性疾病。由于慢性病治疗周期长，需长期服用药物治疗，而老年人记忆力、视力却随着年龄的增长不断下降，忘记服药、重复服药、不清楚药量、误服药异常状态子女无法及时获知的情况时常发生，每年因药物服用错失治疗导致病情加剧的案例越来越多。

根据市场及正在研究中的智能药盒相关资料分析，忘记服药和不清楚药量问题可以通过声光电方式提醒解决，忘记是否已服药问题可以通过APP或短信记录方式解决，误服其他药物问题解决得并不好。目前大部分智能药盒的做法是药物拆除包装后以药丸或药片形式存储在药盒内，再自动发药。这种做法容易造成药品污染，药物存储成本增加等问题。少部分产品采取不拆包装的形式存储药物，只是保证在非服药期间锁定整个药盒，当服药时间到，药盒内所有药物对用户开放，防误服药效果不佳。

因此，本系统在选用微型电磁铁以保证顶升机构体积较小的基础上，将电子技术与机械设计有机结合，设计了一款具有定时提醒服药，锁定服药状态，录入提示语音，文字提示服药信息，服药时间到只弹出装有目标药物的药仓，其他药物不能取出，短信及时反馈异常状态等功能的智能药盒。

一、老人智能药盒系统总体设计

系统将采取机械与电子有机结合的形式，实现本智能药盒。在药盒内放置多个药仓，因药物去除包装后对存储卫生、环境等条件要求较高，系统设计保留药物包装，分别为圆形药仓存放圆形药罐，方形药仓存放方形药瓶，扁平形状药仓存放铝箔板包装药品。为了防止老人用户出现误服药的情况，系统在每个药仓底部都安装了顶升与检测装置，当服药时间到仅弹出目标药仓。而后声光电多提醒方式保障老人用户了解服药信息，考虑到本系统用户定位于存在健忘、听力障碍或视觉障碍等问题需长期服药的老年人群，该类人群的子女通常不在身边，系统特意在自带提示音的基础上增加了人工录入提示音功能，让老人每天像在最亲密的人的提醒下服药，增加产品友好度。待老人用户服药后将药仓按回药盒，系统恢复循环等待中。

经过详细的设计与分析，综合系统成本与性能后，智能药盒的总体设计框图如图1所示，定时提醒功能由高精度时钟芯片DS12C887+配合控制器STM32完成，锁定服药状态、防止误服药由药仓控制模块完成，声光电多种方式组合提醒功能分别由音频模块、超亮指示灯、LCD显示屏和GPRS模块完成。

二、老人智能药盒系统硬件设计

2.1药仓顶升与检测模块

该智能药盒内有3个药仓，每个药仓加上底部的顶升单元，就是一套特殊的储药装置。特殊储药装置通过顶升单元实现服药状态锁定，防止老人用户服用药盒的其他药物。顶升单元的结构如图2所示，由基座、微动开关、顶升柱、碰块和电磁铁等零部件组成，所有部件均通过螺丝安装在基座上，顶升柱内部有一弹簧，保证电磁铁芯轴收缩时将顶升柱顶起。工作状态如下：当服药时间到，若微动开关处于闭合状态，电磁铁通电，电磁铁芯轴在磁力的作用下收缩退出限位孔，顶升柱及其上方的药仓被内置弹簧顶起，检测到微动开关断开，电磁铁断电，磁性消失，电磁铁芯轴恢复伸展状态，但此时无法伸进限位孔，待用户服药后将药仓按下，顶升柱下降至最低高度，电磁铁芯轴伸进限位孔，锁定顶升柱，检测到微动开关闭合，服药过程结束。

药仓的顶升驱动电路由微型电磁铁HCNE和BU406、SS8050两个NPN三极管组成。由于微控制器引脚电流较小，而系统中电磁铁驱动电流要求较大，选用大功率三极管BU406作为电磁铁的驱动器件，此时BU406的基极电流超过0.5A，所以微控制器引脚端通过SS8050对BU406三极管进行控制，SS8050是S8050的功率升级版，集电极通过电流可达1.5A，经试验满足系统要求。

药仓到位检测电路由微动开关和微控制器输入GPIO实现。当GPIO检测到电压为高时表示开关松开，药仓弹起；当GPIO检测到电压为低时表示开关被按住，药仓被锁在药盒内。

2.2 DS12C887时钟模块和FLASH存储模块

时钟模块主要由实时时钟芯片DS12C887构成，FLASH存储模块主要由带电可擦可编程只读存储器（EEPROM）AT24C64构成。DS12C887具有完备的日历信息，可通过MOTOROLA和INTEL两种总线读写日历及设置信息，内部自带可充电锂电池和晶振，保障掉电后时间信息不丢失，在家电、仪器、工业控制系统中应用较广。考虑到DS12C887只能产生一个闹钟，系统增加EEPROM AT24C64用于存储各药仓多个闹钟提醒时间、文字信息、提醒音。

三、老人智能药盒系统软件设计

系统先对各功能模块进行初始化，随后启动老人使用前，先将药连包装分别放入各药仓，并对各个药仓进行相应设置，如设置提醒音、设置提醒时间、设置文字提示信息、设置紧急联系人电话。当某药服药时间到，智能药盒播放该药药仓提醒音，超亮指示灯闪烁，药仓自动弹起，屏幕显示该药文字提示，老人可通过按任意键关闭药仓提示音和闪烁灯，也可待服药后将药仓按回原位后所有提醒自动结束，若老人30分钟以上不将药仓按回原位，药盒将此异常服药信息发送给紧急联系人，老人对于自己是否服药看药仓一目了然，在非设置换药情况下，所有药仓无法自行打开，防止老人出现误服药的问题。

四、基于蓝牙4.0和APP控制的智能药盒方案设计

为更好地反馈老人服药情况，随着IT技术的发展，具备智能信息处理能力的药盒应运而生。本文设计了一种具备服药检测和服药提醒功能的便携式智能药盒。本设计具备语音提醒、药物用量显示、一键急救报警功能，并且具有通过蓝牙4.0与智能手机实现信息同步并实现监测药盒携带情况的功能。开发了配套的基于Android系统的APP，使得药盒能与病患者和监护人同时进行信息交互。本系统还集成了体温检测模块，并利用GPRS模块将用户服药信息同步至服务器上。

本文中所设计的智能药盒，具备服药检测和服药提醒功能。通过检测药盒开关来记录用户的服药行为，并记录用户的服药时间。可按照预先设定的时间提醒用户服药。本系统选择以nRF51822芯片作为主控芯片。系统通过蓝牙实现智能药盒和手机APP间的数据同步，并检测药盒是否离开蓝牙覆盖范围从而在手机APP中实现用户携带药盒的检测。系统利用GRPS模块实现药盒的基站定位，并集成了GY-MCU90615传感器模块实现体温检测。在APP中实现用户的注册与管理、药盒检测、服药信息收集并分享至微信上。系统整体架构如图1所示。

五、蓝牙智能药盒硬件设计

智能药盒硬件部分由电源模块、主控模块与蓝牙模块、体温检测模块、用户交互模块、GPRS模块以及相关外围电路构成。其中用户交互模块包括LCD显示屏和6个药盒实体按键，以实现药盒与用户的直接交互。

5.1电源模块

电源模块采用标称3.7V锂电池供电。其中GPRS模块由锂电池直接驱动进行工作，而主系统需要一路3.3V电压进行驱动。在此采用3.3V电压转换电路给主系统进行供电。电压转换芯片采用RICHTEK公司的RT9193LDO电源芯片。该芯片工作电压在2.5～5.5V，待机电流小于0.01μA，具有过流保护和过热保护功能。

另外，由于设计有锂电池充电电路，因此还需要一颗充电IC，保证MicroUSB5V的电源能够给锂电池充电。充电IC选用TI公司的充电ICBQ24040。

5.2主控模块与蓝牙模块

由于智能药盒硬件对主控芯片的计算能力要求有限，而智能药盒作为便携式设备对系统能耗有较高要求，因此本设计选择兼具蓝牙模块功能的nRF51822芯片作为主控芯片，nRF51822采用ARMCoretex-M0内核，并且集成了蓝牙4.0的射频电路，有31个GPIO口、256kB的内部Flash、16kB的RAM，并且有I2C、UART等丰富外设，支持蓝牙4.0协议，满足绝大部分低功耗应用场合。

5.3体温检测模块

体温检测模块选用GY-MCU90615集成模块。该模块实现了传感器到处理器的信号传输，将主控IC外接一对UART信号与模块通信即可实现体温检测的功能。

5.4GPRS模块

GPRS模块采用FIBOCOMG510模块。G510模块支持GSM四频850/900/1800/1900MHz，拥有内置协议栈和双串口。该模块能够被集成进任何需要通过蜂窝网络进行语音通话或数据传输的系统或者产品中。

六、蓝牙智能药盒系统软件设计

6.1系统主程序设计

系统主程序实现服药定时计时、信息显示、服药行为检测、药盒查找以及记录用户服药信息等功能。药盒所记录的用户服药信息可通过GPRS连入因特网发送至服务器并记录到数据库中。

6.2AndroidAPP设计

本设计开发了基于Android的与药盒配套的APP，以实现用户通过手机与药盒进行交互。首先，在APP中实现用户管理功能。用户在APP上进行注册、密码管理与维护。其次，在APP中利用手机的蓝牙搜索功能，实现对用户携带药盒的检测。如果手机无法搜索到药盒，则APP向用户发出警示。最后，APP提供了与用户交互的界面。表1给出了APP各功能模块的设计要求。

在用户交互模块中，包括以下功能:(1)吃药检测:在APP和药盒同步发出吃药提醒以后，通过检测药盒盖子的开关来记录用户的服药行为。(2)终端信息同步:APP可以通过蓝牙，把用户设置等同步至药盒终端。(3)设置药物名称和服药时间:可以为每个小格设置药品名称、吃药时间和服药设置，也可以启动条形码扫描。通过扫描药品包装上的条形码可以自动获取药品的名称等信息，通过APP自动启动的查找用户手机号码功能将用户的电子病历信息同步至APP端，可以获取吃药时间和服药设置。(4)导出药物说明书:在APP端，可以通过查询药品名称，从服务器导出药品说明书，也可通过扫描药物外包装上的二维码来从服务器导出药品说明书。(5)生成吃药报告并可以分享该吃药报告至微信。(6)药物统计功能:APP通过药品编码的扫描和吃药行为的记录获得药品数量和已服用药品的数量。二者之差即为剩余药物的数量。

总结

近年来，随着我国人口结构逐渐向老龄化过渡，我国已成为世界上老龄人口最多的国家，也是老龄人口增长最快的国家之一。据2014年的统计，我国60岁以上人口占总人口的比例已超过14.9%。许多老年人患有慢性疾病，需要长期、定时服药。而老年人由于记忆逐渐衰退，听力逐渐减弱，容易发生忘记服药、不按照医嘱服药、重复服药以及服错药物剂量等问题，从而导致严重后果。而子女作为监护人也容易因为工作忙等原因导致难以对老人的服药状态做到细致的监督。

本系统很好的避免了老人出现漏服药、忘记是否已服药、服错药等问题，同时通过声音、文字、灯光提示的方式，保证老人可以及时了解到服药信息，最后补充的远程电话短信通知、个性化录音、液晶显示等功能，让系统更加完善，将切实提高长期服药老年人的生活质量，具有很好的推广价值。