基于云服務平臺的智能服藥箱

潘洪杰，富佳佳，郭莉莉

（沈陽城市建學院信息與控制工程系，遼寧 沈陽 110016）

0 引言

目前，老年人的健康問題、生活狀態和精神狀態是全球關注的焦點問題。針對于這個問題，早期有人提出過“老人福祉科技”這個想法，即利用先進的科學技術以及先進的人工智能算法去關心、去保證老年人的生活和健康。近年來，老人福祉科技獲得了全世界越來越高的關注度，是各領域都在爭相研究開發的熱點?；谠品掌脚_的智能藥箱就是基于這個想法誕生的科技產物。

智能藥箱的研究在國外已經很流行。加拿大公司正致力于研發一款針對于老年人服藥的智能系統，該系統的前端利用傳感器技術去收集使用者的服藥情況。藥箱結構主要有藥盒主體、控制系統模塊、信號采集、語音播報和定時器等結構。每個藥盒都有對應的唯一識別編號，然后通過信號采集模塊去收集使用者的服藥信息，通過判斷藥盒的打開閉合狀態去計算服藥者的服藥次數和是否完已成服藥的情況信息。若沒有按時服藥或者打開藥盒，系統就會發出警報進行提醒。此藥箱能夠記錄下使用者服藥的時間，定時跟蹤藥品的使用，幫助使用者安全、按時、準確服藥。

此外，還有一種是基于RFID技術的藥箱。藥箱的整體結構由傳感器采集層、數據傳輸網絡層和數據管理層構成。每個藥盒正下方布有專用的RFID天線，它可以感應到該藥盒內部所有藥片的實時數據，然后通過天線把實時藥片增添信息發送到中央處理器。當服藥時間到了，服藥鬧鐘響起時，控制系統就會進行提醒，并把服藥信息顯示在屏幕上，如果長時間不做處理，系統就會發出警報。每次服藥完成，感應天線會根據RFID感應信息，來確定藥片服用量是否符合服用藥量，如果與設置不符，還會進行相應提示提醒。

目前，國內對這方面的研究相對較少。已有的產品，局限性較大而且功能不全面，只停留在單機運行上。市面上出現這類藥盒也只是停留在設置鬧鐘提醒和監測藥品數量上。國外的相關產品雖然功能齊全，但價格昂貴，不能起到普及推廣的效果。

因此，研究一款價格合理、功能齊全、能夠充分地利用物聯網和云服務平臺，并且操作簡單，能夠有效地提醒、監督老人按時服藥，服藥后實時記錄服藥情況的一種現代化藥箱是非常有必要的。

1 總體功能實現

設計一款智能藥箱，分成不同的收納格，每個格子配固定編號，服藥者把藥物根據服用時間放在收納格中，并在手機APP設置定時提醒服務，到設定時間藥箱收納格指示燈報警提醒服藥；配傳感器感知收納格被打開和關閉的過程，視為一次服藥成功，并上傳云端做服藥記錄；做分組采集，藥箱配RFID讀卡器會對服藥者進行分組，暫定兩組。所設計的智能藥箱的外部功能結構如圖1所示。

圖1 外部功能結構圖

2 總體硬件系統結構

2.1 以STM32單片機為主控MCU實現藥箱控制部分

以STM32單片機為主控MCU實現的藥箱控制部分包括LED顯示，提示服藥種類和服用計量；收納格聲光報警，起到定時提醒作用；傳感器采集模塊，記錄收納格開關情況；電機控制模塊，利用步進電機或者舵機控制收納格運動，從而控制藥品輸出；RFID人員采集模塊，識別服藥人，避免誤服[2]。硬件整體結構如圖2所示。

圖2 硬件整體結構

2.2 STM32最小系統

STM32單片機最小系統包括主芯片、上電復位電路、時鐘電路、電源供電電路。同時，如果滿足STM32單片機基本功能，還應包括下載模塊和人機交互模塊。本次選用STM32F103RCT6作為中心控制芯片。STM32F103RCT6基于ARM Cortex-M內核，具有高性能、低成本、低功耗的優點，片上資源包括48KB SRAM、256KB Flash、11個定時器、2個IIC、5個串口、1個USB、3個SPI、3個12位ADC、2個12位DAC及51個通用IO口。

2.3 ESP8266模塊

利用ESP8266模塊把藥箱采集的服藥情況通過WiFi上傳到機智云服務平臺，對藥物服用者的服藥情況做全過程跟蹤記錄。ESP8266模塊是現如今非常流行的WiFi模塊，是物聯網應中傳輸層的近距離主流模塊，它的體積較小，非常方便布局在硬件主控板上，而不影響智能藥箱的美觀性；超低的功耗也是ESP8266的主要特點，本設計中，在不需要傳輸數據的情況下，ESP8266為深度睡眠狀態，工作電流約為20μA；當有傳輸數據時，工作電流約為70mA，節能性優良（圖3）。與藍牙模塊做比較，WiFi模塊具有更遠的傳輸距離和更高的傳輸速度，因此，本設計采用后者進行電路設計。

圖3 ESP8266 原理圖

2.4 RFID人員采集模塊

RFID在本設計中，起到用來區別老人身份的作用，可以一家人同時使用，藥箱的固定位置布有電磁感應線圈，該線圈引出端連到主控板的RFID模塊上，控制器通過感應線圈發送一定頻率的射頻信號，當有同頻率電子標簽接近感應線圈時，通過電感耦合使電子標簽儲存能量，當能量達到一定值，就會將將電子標簽中的編碼信息發送到藥箱控制器中進行解碼處理。電子標簽采用NXP MIFARE系列S50芯片，存儲容量1K。因為是無源電子標簽，所以外觀結構可以設計成多種形式，可以以手環的形式佩戴在老人身上，也可以以卡片的形式隨身攜帶。與電子標簽相匹配的RFID讀卡部分采用NXP MIFARE RC500基站芯片，RC500支持ISO14443A協議，發送和接收都可在無源條件下進行，通信距離在理想條件下可達到100mm。接收器部分包含解調和解碼電路，穩定有效。數字部分負責處理幀和奇偶校驗、CRC校驗。

2.5 舵機模塊

本項目通過舵機旋轉角度來使藥箱的選中抽屜定時彈出。舵機是一種位置（角度）伺服的驅動器，在機器人控制系統以及機電控制系統中，舵機的控制起到至關重要的作用。舵機可以在微機電系統和航模中作為基本的輸出執行機構，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統，因而被廣泛應用于智能小車、無人機以實現轉向及機器人各類關節運動中。舵機的基本組成包括以下幾個部分：舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機、控制電路。SG90參數：扭矩為1.5kg/cm，工作電壓為5V，運行速度：0.3s/60°。電纜紅色為正極（DC5V），棕灰色為地線（GND），橙色為信號線PWM。舵機接線原理如圖4所示。

圖4 舵機接線圖

舵機旋轉范圍0～180°，單片機向舵機發出PWM信號就可以控制角度，信號需要連續發送才能讓多級轉動直到達到角度。0.5～20ms高電平對應0～180°轉角。舵機運行時序圖如圖5所示。

圖5 舵機運行時序圖

2.6 傳感器模塊

本設計使用紅外傳感器模塊識別藥箱所選抽屜的一次開啟和閉合，來作為一次服藥周期記錄。

該傳感器模塊上主要元器件為LM393比較器，此外還有一對紅外發射管與接收管，當模塊前方無障礙物時，紅外發射管發射的光線發射到遠處，指示燈滅，當不透明障礙物接近紅外管時，發射管發出的紅外光線遇到障礙物返回之后被接收管接收，這時比較器輸出端給出低電平，有障礙指示燈亮起。將在無障礙和有障礙循環一次的周期作為服藥操作流程的一次記錄。模塊上電位器可調節檢測距離，有效感應距離在2～30cm之間，工作電壓為3.3～5V。LM393管腳結構如圖6所示。

圖6 LM393 管腳結構

2.7 機智云服務平臺利用

利用機智云服務平臺首先對通過平臺的數據點進行設定，即對服藥者進行初始化設定，包括服藥名稱、服藥時間、服藥劑量等，并設置定時提醒功能；待服藥后自動采集完成信息，保存為服藥成功一次，并做數據保存。

3 關鍵問題

手機APP上設定的服藥名稱、計量如何在開啟相應的藥品收納格時顯示到藥箱的LED顯示屏上；收納格開啟的機械聯動方式，擬選用步進電機推送方式或舵機控制彈出方式；開啟/關閉收納格傳感器選擇。

4 結語

本設計集對老人身份的識別、用藥的提醒、用藥量的顯示、對服藥后上傳云服務器、用藥數據的記錄等功能于一體，使老年人以及常年服藥者能夠把每日定量服藥這個操作過程實現得簡單便捷。本設計的后續設計會集中在對服藥數據的后臺分析和處理上，通過服藥記錄來分析服藥者身體健康狀況并定時定期對老年人進行溫馨提示提醒，并增加測量血壓、血糖等功能，并上傳云端，做進一步數據分析，從而做到全方位健康管理。

本設計的難點在于，如何既能夠滿足老人在服藥全過程中對各項操作過程的管理，又能夠讓老年人輕松上手、容易操作。不過在提升設計的簡便性和友好性這方面，本設計優化了人機交互方面的美觀性和操作的便捷性，使老年人能夠在子女不在身邊的情況下獨立地操作和使用。

本次設計不僅在知識面上讓筆者得到了拓展，同時在動手能力上也有了一定的提高。比如項目初期，對RFID射頻識別模塊的選擇出現了錯誤，選擇使用頻段為125kHz的2270B為基站的讀卡模塊，讀卡電子標簽采用同樣為125kHz的EM4100芯片，以上讀卡模式為只讀模式。隨著項目推進，發現往電子標簽里寫入內容是必要的，于是更換讀卡模塊，選擇則使用以RC500為基站芯片的讀卡模塊，該模塊頻率為13.56MHz，既可以讀出電子標簽內容，也可以寫入，更換之后，性能大大改善。