一款智能藥箱的設計

朱志鵬 藍昌銀 蔣賀平 賴興

摘 要：針對老年人因記憶力衰退而容易忘記吃藥，以及因服用藥物種類繁多導致藥物容易混淆等問題，設計了一款適合老年人家用的智能藥箱。藥箱的機械結構按照空間位置分為3個部分——上層配藥部分、中間傳動部分、下層取藥部分，分別實現配藥、送藥和取藥功能。藥箱內部一次可以放入6種藥品。藥箱的控制系統采用STM32F407核心板，使用C語言進行編程。利用各部分的協調運行，藥箱在功能上實現了定時運行、自動配藥、按需配藥和定時提醒，且操作簡單、運行高效，具有較高的實用性。

關鍵詞：智能藥箱;自動配藥;按需配藥;定時提醒

0? ? 引言

目前，老年人的健康狀況不容樂觀，早在2015年，我國失能、半失能老年人口就達到了約4 063萬人，占老年人口的18.3%，老年人群慢性病患病率較高，約3/4的人患有一種及以上慢性病[1]。老年人用藥存在的隱患主要有不按時服藥、錯服/漏服藥和多次服藥等[2]。針對這些情況，智能藥箱隨著時代的發展應運而生。

目前主要有兩類智能藥箱：一類是家用藥箱[3]，此種藥箱的體型較大，主要有自動配藥、提醒吃藥的功能，并可以通過手機與互聯網數據同步;另一類是戶外藥箱，此類藥箱較為輕便、易攜帶，但功能太單一，只有報時功能。多數藥箱只是方便取藥，功能較單一，而老人吃藥的時間也不長，如果僅僅把其當作藥箱也是一種負擔[4]。因此，本文設計了一款新型智能藥箱，它能夠實現按時、按量提醒需要服藥的人員去服用藥物的功能，并且監護人可以通過手機端查看服藥情況。如果沒有按時服藥，監護人可以遠程提醒，這樣可以避免因忘記服用藥物而發生意外情況。

1? ? 設計方案

本產品的系統整體模塊如圖1所示，各功能由機械傳動、顯示與參數輸入、計數、語音及遠程提醒等模塊實現。

（1）機械傳動模塊主要由機械結構和電機組成，按照空間結構可以分為3個部分，各部分按照指令在電機驅動下協調運行，以實現相應的功能。

（2）顯示與參數輸入模塊能讓用戶自定義使用本產品，以實現本產品的普遍適用性。用戶可以通過液晶顯示觸摸屏選擇服藥種類（本產品設計了6個存藥盒，最多支持選擇6種），并設置所選藥品所需服用數量和服藥具體時間（支持設置每天服藥不超過3次）。

（3）計數模塊是通過紅外對射管檢測來實現的，其原理是當紅外對射管之間無遮擋時信號線一直為高電平，有遮擋時則為低電平。這樣只需要檢測信號線所連接開發板的GPIO口上電平信號，就能知道紅外對射管是否有遮擋。整個藥箱有兩個用來計數的紅外對射管，一個放置在上擋板的出藥口下方，另一個放置在中擋板下方。

（4）語音模塊由小喇叭、驅動板和SD卡組成。驅動板能根據IO口的高低電平信息直接驅動小喇叭播放SD卡中的音頻文件。當需要播放語音提醒時，通過開發板控制與驅動板連接的IO口上的高低電平來實現。

（5）遠程提醒模塊主要通過STM32F407核心板上的ESP8622 Wi-Fi模塊完成[5]，開發板聯網，接入阿里云平臺，并在手機上創建App程序，向監護人實時顯示設備使用狀態，實現遠程監控的功能。

藥箱整體內部結構如圖2所示。藥箱未工作時，整體處于待機狀態。當到達用戶設置的服藥時間后，藥箱上層配藥裝置依靠步進電機18帶動相應儲藥盒2轉動到出藥口。中間送藥裝置通過輪系將直流電機15的機械能轉化為蝸桿14和錐齒輪的動能，通過蝸桿轉動將蝸桿盒13中的藥物運到分離盒5，當藥物進入分離盒5時，通過錐齒輪嚙合，將分離盒5中的藥品送至第二個出藥口，從而進入到取藥盒12中，如此完成一次取藥工作。當系統檢測到所有需要出藥的藥盒都完成出藥工作之后，會自動播放語音以提醒用戶服藥，并在顯示屏上顯示出藥成功。同時會用紅外對射管檢測用戶是否把藥品取出來服用，若沒有將藥品取出，則過3 min之后重復播放一次語音提醒。若在規定時間內紅外對射管仍未監測到抽屜打開，則紅外對射管會將相應數據傳給開發板，開發板再通過相應算法和ESP8622 Wi-Fi模塊，利用網絡將這一異常信息發送至監護人手機App，以此警告監護人，從而實現遠程監控的功能。

2? ? 主要傳動機構及其工作原理

2.1? ? 儲藥盒

儲藥盒設計原則包括體積設計原則、外形設計原則和出藥口設計原則。

（1）體積設計原則：儲藥盒中儲存的藥物用量為一周。

（2）外形設計原則：儲藥盒放置在上擋板中，在推板的推動下，每次轉動50°。

（3）出藥口設計原則：大多數藥片的直徑在4～7 mm，厚度在2～5 mm，膠囊的長度為12～20 mm，直徑在5～8 mm。

由于藥品屬于食用類物品，對于存藥的材料和環境有嚴格要求，該零件材料采用食品級塑料。

2.2? ? 上層配藥部分

該部分結構主要由推板1、儲藥盒2、上擋板3和步進電機18組成，如圖3所示。步進電機18放置在上擋板3中心，推板1與步進電機18連接在一起，儲藥盒2放置在上擋板上，相鄰兩個儲藥盒通過推板1分隔。工作時，按照設定好的要求，步進電機18帶動推板1轉動設定好的角度，儲藥盒2轉動到出藥口，待出藥完成之后再復位。且出藥時第一個出藥口處由直流電機17帶動滾軸16上緊密接觸的海綿柱體向相反方向轉動，以保證順暢出藥。藥品由海綿柱體轉運經過出口后還會經過一對紅外對射管以檢測出藥數量，當檢測到出藥量等于用戶輸入所需服藥量時，直流電機17先停止轉動，然后反向轉幾圈，把進入緊密接觸的海綿柱體通道的藥粒送回儲藥盒。

2.3? ? 中間送藥部分

中間送藥部分通過輪系將電機的機械能轉化為蝸桿和錐齒輪的動能，傳動方案如圖4所示。通過蝸桿轉動將蝸桿盒中的藥物運到分離盒，分離盒的設計是為了使藥品獨立分開，避免混合在一起，防止藥品通過紅外對射管時由于出藥數量不可控而造成計數錯誤。為了保證藥品獨立分開的效果，設計輪系時使蝸輪蝸桿的轉速比分離盒的轉速慢且都是勻速轉動。當藥物進入分離盒時，通過錐齒輪嚙合，將分離盒中的藥品送至第二個出藥口，當藥品經過第二個出藥口時會經過第二對紅外對射管。

2.4? ? 底部取藥裝置

藥箱下層取藥裝置備有1個取藥盒12（待服用）和6個糾錯盒7，如圖5所示。6個糾錯盒與藥箱上層配藥部分6個儲藥盒的位置相對應。當檢測到經過的藥品數量等于用戶所需服用藥量時，帶動輪系結構轉動的直流電機就會立即停止轉動，此時下層步進電機9通過推板8把對應糾錯盒轉到第二個出藥口底下以承接多余藥品。

3? ? 控制模塊

本藥箱的控制系統采用STM32F407核心板，使用C語言進行編程，并配置TFT-LCD屏幕以設置服藥時間和服藥數量，其程序框圖如圖6所示。系統開始工作后，會先進行初始化，若用戶選擇進行配藥，則TFT-LCD屏將顯示字樣以提醒用戶將藥放入藥盒，用戶在設置好吃藥時間與吃藥數量后，系統將休眠，當到達規定配藥時間后，藥箱會按照預先設置進行藥物的自動配送，幫助老人完成吃藥。

4? ? 結語

人口老齡化的加劇對社會的養老功能提出了考驗。老年人抵抗力差，容易得一些慢性疾病，并且老年人服藥也存在一些隱患。針對這些情況，智能藥箱隨著時代的發展應運而生。本藥箱通過一種新型的結構設計和裝置布局，利用各部分的協調運行，功能上已經實現了定時運行、自動配藥、按需配藥和定時提醒，而且操作簡單，運行起來簡單高效，具有較高的實用性。

[參考文獻]

[1] 王亞杰，馬碩奧，尹羽瑄，等.老年人口服藥狀況分析及解決對策[J].全科口腔醫學電子雜志，2019，6（12）：9.

[2] 王麗敏，陳志華，張梅，等.中國老年人群慢性病患病狀況和疾病負擔研究[J].中華流行病學雜志，2019，40（3）：277-283.

[3] 崔怡欣，劉宗偉，劉安彬，等.一款小型家用多功能智能藥箱的設計[J].機電信息，2021（14）：37-39.

[4] 黃鈺恒.家用智能藥箱的設計與實現[J].中國設備工程，2018（24）：128-129.

[5] 孔小敏.基于STM32F4智能藥箱系統設計與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2016.

收稿日期：2021-08-06

作者簡介：朱志鵬（2000—），男，河南周口人，研究方向：機械設計制造及其自動化。