基于物聯網技術的老年人吃藥提醒智能藥盒系統的設計及實現

楊 雪，吳 戀，陳宗旺，涂翠蓉

（貴州師范學院，貴州 貴陽 550018）

0 引 言

當今社會，人口生育率下降等眾多因素導致了人口老齡化趨勢迅速擴大，如何提高老年人生活質量成了社會關注的焦點，將智能輔助技術應用到老年人醫療保健領域正成為一種趨勢。使用智能藥盒，不僅可以實時監測到老年人用藥情況，還可以減輕監護人的負擔，有效提高老年人生活質量。因此，本文設計一款基于STM32芯片的智能藥盒。實驗表明，該藥盒操作簡單，可實現定時提醒老年人吃藥并及時向監護人反饋信息的功能。

1 智能藥盒系統總體設計

本文設計的智能藥盒系統以STM32最小系統作為主要控制模塊，是一個集多種操作為一體的智能藥盒控制系統。STM32系列處理器具備性能高，消耗低等多種優點，方便開發的同時也避免了不必要的資源浪費。該藥盒系統除了運用主控模塊實現總控制功能以外，還集成了電源模塊，提示模塊，溫度控制模塊和通信模塊。整個系統實現的過程可概括為：首先，系統會根據用戶提前設定好的時間來報警，報警方式為蜂鳴器聲音提醒和LED燈閃爍提醒。這樣的雙重提醒設置是為了更大程度地保證老年人接收到提醒信息，不錯過服藥時間；然后，系統采用熱釋電紅外傳感器來監測藥盒里的藥是否被服藥者取走。如果在規定時間內藥物沒有被取走，通信模塊便采取行動，發送短信到監護人手機，告知監護人患者沒有服藥，最后讓監護人采取進一步措施。

2 封裝設計

本設計的外觀模型是兩到三層側壁結構的方盒，采用封閉式的上下型結構，總長寬高為15.8 cm×10 cm×13 cm，上方是放入藥物的小空間，控制芯片嵌入進藥盒內部，屏幕放在方盒最醒目的位置，創建人機交互界面模型。該藥盒整體結構大方得體，不僅能夠滿足設計需求，而且簡單輕盈。封裝設計結構框圖和平面展開圖如圖1，圖2所示。

圖1 結構框圖

圖2 平面展開圖

3 智能藥盒系統各模塊的實現

該智能藥盒的硬件系統設計主要包括：控制模塊（由STM32主控芯片組成）、電源模塊、紅外檢測模塊、溫度控制模塊、SIM通信模塊、蜂鳴器+LED提醒模塊等共同組成。

3.1 控制模塊

本設計的主控芯片選用 STM32F103 單片機。STM32單片機是基于ARM的32位通用加強型微控制器，支持實時的仿真和追蹤，由Cortex-M3內核D-bus、S-bus、DMA1和以網DMA四個驅動單元等組成，是目前市場上主流的控制芯片。該芯片支持多種仿真模式，具備超前的體系結構，性能極高，而且低電壓，低功耗的優勢使得它被廣泛使用。如今熱門的智能家居行業也大量運用到了STM32單片機，經過多次實踐的探索和積累，使得該系列單片機的更多潛在功能被挖掘出來，這對未來更深層次的開發極為有利。本設計選用的STM32F103模塊開發靈活變通、不受限制，具有突出的內核以及出色的外部設計，兼備了簡單易用、設計自由的優點。

3.2 溫度控制模塊

目前，PID溫度控制已被應用到工程設計的多個方面。該控制系統能夠根據溫度變化快速采取調節措施以達到控制溫度的目的。PID算法的基本原理是：由于外界環境的不斷變化，會源源不斷產生不同程度的影響，于是想要控制一個量恒定在一個范圍不劇烈改變，就應該持續執行控制命令；如果外部環境使想要控制恒定的參數發生了變化，感應元器件就會將發生的所有變化收集后經由變送器發送給PID 控制器的輸入端，并與預先設定好的值進行比較進而得到差值（e值），調節器便將設定好的參數值與差值結合，獲取規律發出控制指令；然后改變調節器的開度，讓調節器的開度增大或減小，以實現改變現場控制目標值的效果，并接近于給定值。PID算法各個比例系數的作用見表1所列。

表1 PID算法各個比例系數的作用

數字PID控制器的微分方程如下：

3.3 提示模塊

提示模塊的主要功能是提醒用戶用藥。因為老年人聽力和視力都相對較差，只采用單一的提示方式可能會造成接收不到提醒或者單一提醒模塊偶然失效的隱患，所以本設計中采用蜂鳴器和揚聲器的聲響加LED燈光雙重提醒方式，以提高提示模塊的有效性和可靠性。蜂鳴器采用5 V直流電壓供電，并使用8050 NPN型晶體三極管驅動。8050三極管最大電流為500 mA，放大倍數為10～60倍。因此該模塊采用5 V電壓供電，按放大50倍的效果計算，采用100 Ω的電阻最佳。當單片機輸出端輸出高電平時，蜂鳴器響起，達到報警目的。蜂鳴器提醒電路如圖3所示。

圖3 蜂鳴器提醒電路

LED 燈是一種半導體材料制成的發光管，具有亮度高且功耗低的特點。LED燈因其節能的優勢在當今市場上被廣泛應用。該智能藥盒系統采用LED燈與電阻串聯的設計，降低電路電流，并將單片機引腳端作為流入端。當引腳端呈現低電壓時LED燈發光，呈現高電壓時LED燈則熄滅。由于單片機引腳功率有限，其管腳電流最大不能超過25 mA，總電流不能超過150 mA，為防止電流對單片機引腳產生沖擊，要想讓LED燈散發最佳的亮度，采用1 kΩ電阻是最合適不過的。因此設計選用1 kΩ電阻作為限流電阻。LED提醒電路如圖4所示。

圖4 LED提醒電路

3.4 SIM通信模塊

基于本設計的要求，當預設時間到達時，提醒模塊便開始啟動，提醒老年人用藥。但這并不能保證藥物一定被患者取走服用，故本系統外加了紅外檢測監控藥物是否被取走。如果藥物在10 min之內未被取走，則系統會發送消息到監護人手機上，讓監護人進一步采取措施。本設計的通信模塊采用SIM800C通信模塊進行通信。SIM800C通信模塊可以實現很多功能，其中就包括語音和數據信息的傳送，還可以撥打和接聽電話，可發送和接收中英文短信等。在設計中主要使用了其短信功能以及基于TCP/IP協議的數據傳輸功能，SIM800C接口引腳定義見表2所列。

表2 SIM800C接口引腳定義

4 結 語

為了定時提醒服藥者按時吃藥，提高他們的生活質量，本文設計了一款基于STM32F103嵌入式技術的智能藥盒。該智能藥盒通過集合溫度控制模塊、提醒模塊，檢測模塊，通信模塊等模塊實現到點提醒并及時反饋的功能。經過后期測試表明：系統各個功能模塊的測試效果滿足功能需求，且操作方便，便于控制；同時，利用STM32F103作為控制芯片，系統處理速度快、實時性好、后期開發潛力巨大。