基于ARM的智能藥箱設(shè)計

張?zhí)旌?王書浩,賀 鵬，楊繼森

(1.重慶理工大學(xué) 機械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心， 重慶 400054; 2.重慶市清華中學(xué)信息中心， 重慶 400054)

隨著人口老齡化的加劇和現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快,社會中的留守老人越來越多[1]。生病的老人與長期服藥的患者很難保證每天的正確藥劑量與做到按時吃藥。如果發(fā)生誤服藥物的情況,將造成嚴(yán)重的后果[2]。針對這種情況,本文設(shè)計了一種基于ARM的智能藥箱,藥箱具有自動定時定量提醒、語音播報、信息反饋等功能,采用人性化設(shè)計,操作方便。

1 工作原理

本文中設(shè)計的智能藥箱主要由主控單元、檢測單元、報警單元、電源單元、按鍵單元與顯示單元等組成?？刂茊卧乔度胧轿⒖刂破鰽RM(LPC2212)；檢測單元由稱重傳感器、溫度傳感器、光敏傳感器組成,分別檢測服藥情況和檢測環(huán)境溫度;報警單元由蜂鳴器模塊、語音傳感器和GSM短信模塊組成[3],分別進(jìn)行聲音報警、語音播報與短信反饋提醒;電源單元提供主控制器電源及各單元的電源;顯示單元顯示藥物名稱、用量，服藥的時間，是否服藥以及當(dāng)前的日期、時間等信息。智能藥箱原理如圖1所示。

圖1 智能藥箱原理

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主控單元

主控單元在智能藥箱系統(tǒng)中起信息處理和控制作用。主控單元微控制器ARM采用飛利浦公司的LPC2212芯片。LPC2212基于支持實時仿真和跟蹤的16/32位微控制器,使32位代碼能在最大時鐘速率下運行,也可以使用16位的Thumb模式；8路10位A/D轉(zhuǎn)換器使轉(zhuǎn)換時間低至2.44 ms；具有2個32位定時器,多個串行接口，多達(dá)46個通用I/O口,12個獨立的外部中斷[4]。因此，LPC2212特別適用于工業(yè)控制和智能儀器等。主控單元的最小系統(tǒng)電路如圖2所示,包括振蕩電路、復(fù)位電路、電源電路。電源單元使用5 V直流電源輸入。輸入的電源在系統(tǒng)內(nèi)分為兩部分：一部分直接供檢測單元、報警單元、顯示單元等模塊使用；一部分經(jīng)LDO芯片U2(SPX1117M3-3.3)、 U3(SPX1117M3-1.8)電源模塊后滿足主控單元的電源需求。復(fù)位電路采用U4(SP708S)芯片。

2.2 顯示單元

顯示單元采用SMG240128A點陣圖形液晶模塊,點像素為240×128點，單5 V電源供電。采用8位總線接口與微控制器連接,顯示數(shù)據(jù)和顯示地址均通過DB0～DB7接口實現(xiàn)。顯示模塊的C/D與A1連接,使用A1控制模塊處理數(shù)據(jù)/命令。液晶模塊的片選信號由LPC2212的CS3控制,當(dāng)nCS3為低電平時，液晶模塊被選中。SMG240128A顯示單元如圖3所示。

2.3 檢測單元

檢測單元由稱重傳感器、溫度傳感器DS18B20和光敏傳感器組成。稱重傳感器是采用霍尼韋爾GPDXX500RCAB5,供電電壓為5 V的數(shù)字式傳感器,量程為0～500 g,精度為±3%，在液晶顯示屏上會顯示藥品的具體名稱與質(zhì)量；溫度傳感器采用DS18B20，不需接任何外圍元件，與微處理器連接時僅需一條口線就可實現(xiàn)雙向通信，測量結(jié)果以9～12位數(shù)字量方式串行傳送。光敏傳感器模塊在外界環(huán)境光強超過設(shè)定閾值時打開藥箱，輸出低電平；當(dāng)光強達(dá)不到設(shè)定閾值時關(guān)閉藥箱，輸出高電平。ARM通過檢測光敏傳感器輸出的高低電平來判斷患者是否打開藥箱服藥。

2.4 報警單元

報警單元由語音傳感器、GSM模塊、蜂鳴器組成。

2.4.1 語音傳感器

語音傳感器采用APR9600，將ARM的3根I/O口線接到APR9600語音芯片的3個控制管腳，這些管腳中放音端/M1、快進(jìn)端/M2是低電平有效，復(fù)位端CE是高電平有效，只要ARM的I/O口輸出高低電平脈沖就實現(xiàn)對語音芯片的操控。同樣，也可以錄提示患者服藥的聲音，并實現(xiàn)語音播放功能。ARP9600語音播報電路如圖4所示。

圖3 SMG240128A顯示單元

圖4 ARP9600語音播報電路

2.4.2 GSM短信模塊

GSM短信模塊采用華為公司生產(chǎn)的EM310模塊，支持多鏈接，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，具有ACK功能，工作頻段為雙頻900/1 800 MHz[5]。系統(tǒng)可及時地通過電話語音提示、短信提示等方式將患者的藥品相關(guān)信息反饋給監(jiān)護(hù)人。EM310短信模塊與ARM之間采用串口通信的方式進(jìn)行連接，EM310短信模塊電路如圖5所示。

圖5 EM310短信模塊電路

2.4.3 蜂鳴器模塊

蜂鳴器采用直流供電，被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。蜂鳴器模塊結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，通過ARM的I/O口定時翻轉(zhuǎn)電平可使三極管放大，從而驅(qū)動蜂鳴器鳴響。

2.5 時鐘單元

本設(shè)計使用的ARM(LPC2212)自帶實時時鐘(RTC)。RTC可用來進(jìn)行定時報警,可對年、月、日、周、時、分、秒進(jìn)行計時，還可實現(xiàn)閏年的計算等[6-12]。RTC不具備獨立的時鐘源,其計數(shù)時鐘由PCLK進(jìn)行分頻得到。它的基準(zhǔn)時鐘分頻器允許調(diào)節(jié)任何頻率高于65.536 kHz的外設(shè)時鐘源產(chǎn)生一個32.768 kHz的基準(zhǔn)時鐘，實現(xiàn)準(zhǔn)確計時操作。

2.6 鍵盤單元

鍵盤單元采用ZLG7290芯片,提供鍵盤中斷信號,可驅(qū)動64個按鍵,通過I2C串行接口與微控制器ARM相連。ARM的P2.23與ZLG7290引腳SCL相連,P2.24與ZLG7290引腳SDA相連, P2.25與ZLG7290中斷信號INT相連接。按鍵信息通過中斷的形式通知微控制器,鍵盤單元電路如圖6所示。

2.7 電機驅(qū)動單元

微控制器ARM產(chǎn)生的信號不具有電流驅(qū)動能力，恒流相信號才能驅(qū)動步進(jìn)電機驅(qū)動器。因此，微控制器需要通過三態(tài)輸出的總線收發(fā)器SN74LS245增強驅(qū)動能力，產(chǎn)生恒流相脈沖信號驅(qū)動電機。ARM的P2.28～P2.30分別連接到SN74LS245的輸入端2腳PWM、3腳CDIR、4腳CEN，輸出端16-18連接電機的EN使能信號線、DIR方向信號、CP脈沖信號。通過電機打開藥箱,電機驅(qū)動電路如圖7所示。

圖6 鍵盤單元電路

圖7 電機驅(qū)動電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件部分包括放藥信息設(shè)置、定時提醒設(shè)置、定量提醒及信息反饋設(shè)置部分。

3.1 放藥信息設(shè)置

當(dāng)用戶選擇要放入的藥品時，需向系統(tǒng)輸入本次藥品放入總數(shù)量、每次服用量及服藥周期。按以上內(nèi)容依次輸入各種藥品信息，系統(tǒng)則根據(jù)輸入信息及稱重傳感器檢測到的信息，由處理器ARM計算藥品的每一粒的質(zhì)量。系統(tǒng)通過計算每一次取藥時各藥品應(yīng)減少質(zhì)量范圍來核對取藥量是否正確。

3.2 定時提醒設(shè)置

根據(jù)放藥信息設(shè)置程序，當(dāng)系統(tǒng)運行到需要用藥的時刻，處理器ARM發(fā)出信號驅(qū)動，通過聲光報警與語言播放提醒患者用藥時間已到，并輕輕彈開藥箱，等待患者取藥，待藥量減少時停止報警。

3.3 定時提醒設(shè)置

根據(jù)放藥信息設(shè)置程序，當(dāng)系統(tǒng)運行到需用藥的時刻，處理器ARM發(fā)出信號驅(qū)動，通過聲光報警與語言播放提醒患者用藥時刻已到，并通過電機輕輕彈開藥箱，等待患者取藥，待藥量減少時停止報警。

3.4 定量提醒設(shè)置

在提醒患者用藥的同時，液晶屏顯示放藥時預(yù)先設(shè)定的用藥量，并在患者取藥時檢測取藥量是否正確。若取藥量不在理論范圍內(nèi)，則發(fā)出信號(語音提示或顯示具體的差量或超量)提醒，直至患者準(zhǔn)確取藥才停止提醒。

3.5 信息反饋設(shè)置

在定時定量提醒的設(shè)置下，在規(guī)定時間內(nèi),系統(tǒng)將患者服藥情況的相關(guān)信息發(fā)送到監(jiān)護(hù)人手機。當(dāng)藥量低于某一設(shè)定值時，判斷為藥物不足，需要補給，將以短信方式發(fā)送提示信息給監(jiān)護(hù)人。信息反饋流程見圖8。

圖8 信息反饋流程

4 結(jié)束語

老年人隨著身體機能的下降,記憶力衰退,生病時經(jīng)常出現(xiàn)忘記服藥或錯服藥的情況,造成嚴(yán)重的后果。智能藥箱利用現(xiàn)代電子技術(shù),改變了人們傳統(tǒng)的服藥方式,通過聲光報警與語音播報提醒患病老人服藥,同時將藥品相關(guān)的信息發(fā)送到監(jiān)護(hù)人手機上,降低了其不按時按量服藥的風(fēng)險,提高了老年人的生活質(zhì)量。

[1] 王雪麗.空巢老人健康問題的研究現(xiàn)狀及對策探討[J].解放軍護(hù)理雜志，2011，28(23):11-23.

[2] 包思敏,張開金,湯士忠.南京市社區(qū)老年人健康管理需求[J].中國老年學(xué)雜志.2014(23):6753-6755.

[3] 辛凱,李普,張震.基于增強型51單片機的智能藥箱的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2014(2):40-41.

[4] 楊博,張加宏,李敏,等.基于ARM的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2015(2):104-107.

[5] 陳琦,丁天懷,李成,等.基于GPRS/GSM的低功耗無線遠(yuǎn)程測控終端設(shè)計[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009,49(2):223-225.

[6] 曲愛玲,馬長路.基于ARM的多功能環(huán)境檢測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2017(9):92-93.

[7] 郭榮佐,黃君.嵌入式實時控制系統(tǒng)硬件可靠性及應(yīng)用研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012,38(5):11-18.

[8] 江偉,謝振華,劉孝凡,等.基于ARM嵌入式的計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)研究[J].鐵道通信信號,2008,44(11):1-3.

[9] 王雪,馬秀蓮,席桂清.基于嵌入式的智能故障診斷的研究與設(shè)計[J].黑龍江科技信息,2013(16):70-71.

[10] 郝志強,陳琦,季杭為,等.基于嵌入式系統(tǒng)的智能綜合實驗平臺探究[J].電子制作,2013(8):57-58.

[11] 劉宇,毛幼菊,李秋俊,等.低功耗嵌入式系統(tǒng)在智能計量終端中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計算機,2005,18(11):84-85.

[12] 邵美萍.基于PLC的嵌入式智能控制策略探析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2011(32):112-112.