基于人臉識別的服藥模擬裝置

吳雙娥，冉貴龍，王錦榮，程子源，楊雨欣，趙雁偉，李 元，康 懿

（呂梁學院物理系，山西呂梁 033001）

0 引 言

在第七次人口普查[1]中，60 歲及以上老年人口總占比為18.7%。2021 年工信部、民政部、國家衛健委共同印發《智慧健康養老產業發展行動計劃（2021—2025 年）》[2]，提出重點發展養老監護類[3]、數字化智能產品及家庭服務機器人產品[4]。在對老年慢性病病人口服藥智能化管理研究的調研中[5]，我國超1.8 億老年人至少患有一種慢性病，人均服藥9.1 種且長期服用多種藥物者占60.2%，其中有66.08%的人有時忘記服藥，60.8%的人經常會忘記服藥，57.22%的人有時忘記，11.39%的人經常忘記在服藥期間及時購買后續藥物。老年慢性病病人由于記憶力和認知力下降，其用藥依從性低下，忘記服藥[6]。為了提高用藥依從性，減少并發癥，提高病人的生命質量，解決老年人因年齡帶來的記憶力衰退問題，本項目通過調研分析[7]發現，目前的藥箱無法為老年人提供健康管理與醫療幫助等相關服務[8-11]。總結當前市面上的藥箱有以下問題：老人取藥時的識別方式[12-14]、出藥仍然不能實現自動化[15-17]、老人服藥后不能將服藥信息進行反饋[17-19]。針對上述問題，本文提出以下解決方法并成功實現以下功能：

1）通過人臉識別來確認老人身份；

2）識別成功后，控制舵機出藥；

3）設置有紅外檢測，出藥后老人一定時間內未取藥將發出警報；

4）附帶WiFi 模塊，服藥后按下按鍵，通過物聯網將信息發送到關聯手機。

1 系統設計總方案

本裝置（人臉識別服藥模擬裝置）結合單片機控制和攝像頭識別來實現上述功能。裝置分為兩個工作部分，有人臉識別部分OpenMV 攝像頭和單片機部分。其中人臉識別使用LBP 特征算法將當前識別到的人臉與庫中的LBP 值進行對比，輸出特征值最小的人臉序號，收到最小序號后控制舵機旋轉出藥，藥物落到指定區域時，紅外檢測藥物是否取走。運用物聯網技術傳輸服藥信息，再加上鬧鐘、加熱水溫等功能來解決老人隨取隨服的需求。技術路線圖如圖1 所示。

圖1 技術路線圖

2 硬件架構

在系統硬件結構中與單片機連接的有時鐘模塊、溫度檢測模塊、報警模塊、WiFi 模塊、顯示模塊。其中：時鐘模塊DS1302提供系統時間參數，確定鬧鐘時間及其紅外報警時間；溫度檢測模塊DS18B20 用來檢測加熱水溫，并顯示在LCD1602屏幕上；ESP8266 WiFi模塊將取藥信息通過物聯網傳輸到特定網址上；LCD1602 液晶顯示屏可實時顯示時間、溫度等參數。系統硬件圖如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖

2.1 人臉分辨電路

人臉檢測電路主要使用OV7725 芯片，在人臉分辨前，通過拍照的方式將人臉的不同樣貌錄入到OpenMV內置SD 卡內。人臉分辨是通過計算當前人臉的LBP 值與之前錄入的值相比較。

2.2 藥物分配電路

藥物分配電路使用多個舵機控制轉盤，最多使用16 個舵機同時旋轉控制，每個舵機轉盤內可以放置一種藥物，根據不同人臉序列號來控制多個舵機出藥。舵機采用SG90，其可以360°連續旋轉，人臉識別成功后舵機控制轉盤轉到相應的位置上完成藥品分配。藥物分配電路圖如圖3 所示。

圖3 藥物分配電路

2.3 WiFi傳輸電路

WiFi 信息傳輸電路用ESP8266 模塊，其可以設置多種模式，通過PC 端配置芯片工作模式。使用串口和單片機相連接，將手機和WiFi 模塊連接到同一WiFi 下，手機端就能登錄到特定網址查看老人服藥信息。

3 軟件構成

該裝置的軟件結構分為人臉識別和單片機控制兩部分。首先軟件對OpenMV 攝像頭及舵機進行初始化，之后檢測并識別是否插入SD 卡。當檢測到SD 卡信息時對卡內信息進行讀取，并識別出之前錄入的人臉特征信息，使用表1 函數find_lbp 對錄入人臉信息進行提取，計算出每張圖片中的LBP 值大小。再求出每個人每張圖片的LBP 值，并求出平均值大小定義為d1，人臉識別流程圖如圖4 所示。

表1 人臉部分函數使用表

圖4 人臉識別流程圖

當人臉識別輸出對應序號后，就會跳轉到舵機控制部分。初始化舵機，識別出對應人臉序號，對不同人臉序號進行識別，根據識別的人臉序號控制舵機PWM 信號輸出來選擇要旋轉的角度，實現自動出藥。

單片機部分流程圖如圖5 所示。當藥物通過舵機掉落在出藥平臺時，紅外感應會檢測到藥物掉落，如果在2 min 內未取走藥物，蜂鳴器會發出警報。水溫利用陶瓷加熱片進行控制，并通過DS18B20 檢測水溫，在藥箱正前面安裝有LCD1602顯示屏，顯示當前時間、水溫和鬧鐘時間。利用DS1302時鐘模塊定時提醒老人服藥，若老人已服藥，并按下按鍵，則通過ESP8266 模塊發送“lao ren yi fu yao”信息到對應網址上，完成信息實時傳輸。

圖5 單片機流程圖

4 功能測試

1）人臉錄入：通過OpenMV 內置芯片定時拍攝圖片，將不同人臉的圖片保存到不同文件夾內，通過程序設置拍攝中斷時長和拍攝圖片張數，再將這些圖片文件夾全部保存到OpenMV 的SD 卡內。

2）人臉識別：計算當前拍攝的人臉LBP 值，與人臉錄入文件夾內的序號依次比較，輸出LBP 值差異度最小的人臉序號。

3）測試方法：打開OpenMV IDE 軟件，識別已錄入人臉，在軟件下方的串行終端將會輸出LBP 差異度最小的人臉序號和對比各文件夾內人臉LBP 差異度值。目前人臉識別庫中錄入了4 份人臉，在不同時間、不同地點進行人臉準確度測試，只要人臉正對攝像頭，人臉識別的準確度均在90%以上。可實時修改人臉錄入的圖片和人臉庫里需要識別的人臉數量。人臉識別準確度如表2 所示。

表2 不同環境下人臉識別準確度%

4）舵機控制：當人臉識別后，依據人臉序號控制不同舵機旋轉，最多可控制16 個舵機。本設計目前只加入4 個舵機，后續可根據需求添加相應數量的舵機。實測4 個舵機與相應人臉序號旋轉角度對應關系如表3 所示。人臉識別服藥模擬裝置圖如圖6 所示。

表3 舵機旋轉角度表

圖6 人臉識別服藥模擬裝置圖

5）單片機功能測試：系統初始化后，加熱模塊自動加熱，溫度模塊將檢測到的溫度、時間模塊將檢測到的時間實時傳輸到LCD 顯示屏上，且該裝置具有鬧鐘功能。當舵機出藥后，藥物未在2 min 內取走，紅外檢測模塊未檢測到藥物取走，會通過蜂鳴器發出警報。WiFi模塊將服藥狀態傳輸到手機上。

5 結 論

目前市面上尚無人臉識別自動出藥的服藥裝置。本裝置通過人臉識別智能出藥，借助紅外檢測模塊檢測服藥狀態，利用WiFi 互聯供家人實時查詢老人服藥信息，以此來解決市面上老人藥盒不易操作、指紋識別準確率不高等方面的問題。

本裝置設計考慮老人生活實際比較人性化，能服務于多位老人，根據服務場合實時增減舵機數量，滿足多位老人的需求；易操作，只要老人正對攝像頭，即可自動出藥；裝置小巧、成本低；查詢服藥狀態無需下載軟件。但該裝置也存在一些缺點，如還需要人為地添加藥物、提醒方式不夠智能、人臉識別準確率還有待提高等。今后還需完善擴展各部分功能，以給予老人更加貼心的服務。

注：本文通訊作者為王錦榮。