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智能藥盒方案設計開發


根據全國老齡工作委員會辦公室發布的《中國人口老齡化發展趨勢預測研究報告》和國家衛生計生委發布的《中國家庭發展報告2015》顯示,我國于1999年進入老齡化社會,同時隨著老年人口的增長,老年人口中近58.1%的人被確診患有如高血壓、糖尿病、帕金森等慢性疾病。由于慢性病治療周期長,需長期服用藥物治療,而老年人記憶力、視力卻隨著年齡的增長不斷下降,忘記服藥、重復服藥、不清楚藥量、誤服藥異常狀態子女無法及時獲知的情況時常發生,每年因藥物服用錯失治療導致病情加劇的案例越來越多。

根據市場及正在研究中的智能藥盒相關資料分析,忘記服藥和不清楚藥量問題可以通過聲光電方式提醒解決,忘記是否已服藥問題可以通過APP或短信記錄方式解決,誤服其他藥物問題解決得并不好。目前大部分智能藥盒的做法是藥物拆除包裝后以藥丸或藥片形式存儲在藥盒內,再自動發藥。這種做法容易造成藥品污染,藥物存儲成本增加等問題。少部分產品采取不拆包裝的形式存儲藥物,只是保證在非服藥期間鎖定整個藥盒,當服藥時間到,藥盒內所有藥物對用戶開放,防誤服藥效果不佳。

因此,本系統在選用微型電磁鐵以保證頂升機構體積較小的基礎上,將電子技術與機械設計有機結合,設計了一款具有定時提醒服藥,鎖定服藥狀態,錄入提示語音,文字提示服藥信息,服藥時間到只彈出裝有目標藥物的藥倉,其他藥物不能取出,短信及時反饋異常狀態等功能的智能藥盒。

智能藥盒方案公司

一、老人智能藥盒系統總體設計

系統將采取機械與電子有機結合的形式,實現本智能藥盒。在藥盒內放置多個藥倉,因藥物去除包裝后對存儲衛生、環境等條件要求較高,系統設計保留藥物包裝,分別為圓形藥倉存放圓形藥罐,方形藥倉存放方形藥瓶,扁平形狀藥倉存放鋁箔板包裝藥品。為了防止老人用戶出現誤服藥的情況,系統在每個藥倉底部都安裝了頂升與檢測裝置,當服藥時間到僅彈出目標藥倉。而后聲光電多提醒方式保障老人用戶了解服藥信息,考慮到本系統用戶定位于存在健忘、聽力障礙或視覺障礙等問題需長期服藥的老年人群,該類人群的子女通常不在身邊,系統特意在自帶提示音的基礎上增加了人工錄入提示音功能,讓老人每天像在最親密的人的提醒下服藥,增加產品友好度。待老人用戶服藥后將藥倉按回藥盒,系統恢復循環等待中。

經過詳細的設計與分析,綜合系統成本與性能后,智能藥盒的總體設計框圖如圖1所示,定時提醒功能由高精度時鐘芯片DS12C887+配合控制器STM32完成,鎖定服藥狀態、防止誤服藥由藥倉控制模塊完成,聲光電多種方式組合提醒功能分別由音頻模塊、超亮指示燈、LCD顯示屏和GPRS模塊完成。

圖 1 智能藥盒總體設計框圖

二、老人智能藥盒系統硬件設計

2.1藥倉頂升與檢測模塊

該智能藥盒內有3個藥倉,每個藥倉加上底部的頂升單元,就是一套特殊的儲藥裝置。特殊儲藥裝置通過頂升單元實現服藥狀態鎖定,防止老人用戶服用藥盒的其他藥物。頂升單元的結構如圖2所示,由基座、微動開關、頂升柱、碰塊和電磁鐵等零部件組成,所有部件均通過螺絲安裝在基座上,頂升柱內部有一彈簧,保證電磁鐵芯軸收縮時將頂升柱頂起。工作狀態如下:當服藥時間到,若微動開關處于閉合狀態,電磁鐵通電,電磁鐵芯軸在磁力的作用下收縮退出限位孔,頂升柱及其上方的藥倉被內置彈簧頂起,檢測到微動開關斷開,電磁鐵斷電,磁性消失,電磁鐵芯軸恢復伸展狀態,但此時無法伸進限位孔,待用戶服藥后將藥倉按下,頂升柱下降至最低高度,電磁鐵芯軸伸進限位孔,鎖定頂升柱,檢測到微動開關閉合,服藥過程結束。

圖 2 頂升單元結構示意圖

藥倉的頂升驅動電路由微型電磁鐵HCNE和BU406、SS8050兩個NPN三極管組成。由于微控制器引腳電流較小,而系統中電磁鐵驅動電流要求較大,選用大功率三極管BU406作為電磁鐵的驅動器件,此時BU406的基極電流超過0.5A,所以微控制器引腳端通過SS8050對BU406三極管進行控制,SS8050是S8050的功率升級版,集電極通過電流可達1.5A,經試驗滿足系統要求。

藥倉到位檢測電路由微動開關和微控制器輸入GPIO實現。當GPIO檢測到電壓為高時表示開關松開,藥倉彈起;當GPIO檢測到電壓為低時表示開關被按住,藥倉被鎖在藥盒內。

2.2 DS12C887時鐘模塊和FLASH存儲模塊

時鐘模塊主要由實時時鐘芯片DS12C887構成,FLASH存儲模塊主要由帶電可擦可編程只讀存儲器(EEPROM)AT24C64構成。DS12C887具有完備的日歷信息,可通過MOTOROLA和INTEL兩種總線讀寫日歷及設置信息,內部自帶可充電鋰電池和晶振,保障掉電后時間信息不丟失,在家電、儀器、工業控制系統中應用較廣。考慮到DS12C887只能產生一個鬧鐘,系統增加EEPROM AT24C64用于存儲各藥倉多個鬧鐘提醒時間、文字信息、提醒音。

三、老人智能藥盒系統軟件設計

系統先對各功能模塊進行初始化,隨后啟動老人使用前,先將藥連包裝分別放入各藥倉,并對各個藥倉進行相應設置,如設置提醒音、設置提醒時間、設置文字提示信息、設置緊急聯系人電話。當某藥服藥時間到,智能藥盒播放該藥藥倉提醒音,超亮指示燈閃爍,藥倉自動彈起,屏幕顯示該藥文字提示,老人可通過按任意鍵關閉藥倉提示音和閃爍燈,也可待服藥后將藥倉按回原位后所有提醒自動結束,若老人30分鐘以上不將藥倉按回原位,藥盒將此異常服藥信息發送給緊急聯系人,老人對于自己是否服藥看藥倉一目了然,在非設置換藥情況下,所有藥倉無法自行打開,防止老人出現誤服藥的問題。

老人智能藥盒方案設計

四、基于藍牙4.0和APP控制的智能藥盒方案設計

為更好地反饋老人服藥情況,隨著IT技術的發展,具備智能信息處理能力的藥盒應運而生。本文設計了一種具備服藥檢測和服藥提醒功能的便攜式智能藥盒。本設計具備語音提醒、藥物用量顯示、一鍵急救報警功能,并且具有通過藍牙4.0與智能手機實現信息同步并實現監測藥盒攜帶情況的功能。開發了配套的基于Android系統的APP,使得藥盒能與病患者和監護人同時進行信息交互。本系統還集成了體溫檢測模塊,并利用GPRS模塊將用戶服藥信息同步至服務器上。

本文中所設計的智能藥盒,具備服藥檢測和服藥提醒功能。通過檢測藥盒開關來記錄用戶的服藥行為,并記錄用戶的服藥時間。可按照預先設定的時間提醒用戶服藥。本系統選擇以nRF51822芯片作為主控芯片。系統通過藍牙實現智能藥盒和手機APP間的數據同步,并檢測藥盒是否離開藍牙覆蓋范圍從而在手機APP中實現用戶攜帶藥盒的檢測。系統利用GRPS模塊實現藥盒的基站定位,并集成了GY-MCU90615傳感器模塊實現體溫檢測。在APP中實現用戶的注冊與管理、藥盒檢測、服藥信息收集并分享至微信上。系統整體架構如圖1所示。

圖 1 智能藥盒軟硬件框架

五、藍牙智能藥盒硬件設計

智能藥盒硬件部分由電源模塊、主控模塊與藍牙模塊、體溫檢測模塊、用戶交互模塊、GPRS模塊以及相關外圍電路構成。其中用戶交互模塊包括LCD顯示屏和6個藥盒實體按鍵,以實現藥盒與用戶的直接交互。

5.1電源模塊

電源模塊采用標稱3.7V鋰電池供電。其中GPRS模塊由鋰電池直接驅動進行工作,而主系統需要一路3.3V電壓進行驅動。在此采用3.3V電壓轉換電路給主系統進行供電。電壓轉換芯片采用RICHTEK公司的RT9193LDO電源芯片。該芯片工作電壓在2.5~5.5V,待機電流小于0.01μA,具有過流保護和過熱保護功能。

另外,由于設計有鋰電池充電電路,因此還需要一顆充電IC,保證MicroUSB5V的電源能夠給鋰電池充電。充電IC選用TI公司的充電ICBQ24040。

5.2主控模塊與藍牙模塊

由于智能藥盒硬件對主控芯片的計算能力要求有限,而智能藥盒作為便攜式設備對系統能耗有較高要求,因此本設計選擇兼具藍牙模塊功能的nRF51822芯片作為主控芯片,nRF51822采用ARMCoretex-M0內核,并且集成了藍牙4.0的射頻電路,有31個GPIO口、256kB的內部Flash、16kB的RAM,并且有I2C、UART等豐富外設,支持藍牙4.0協議,滿足絕大部分低功耗應用場合。

5.3體溫檢測模塊

體溫檢測模塊選用GY-MCU90615集成模塊。該模塊實現了傳感器到處理器的信號傳輸,將主控IC外接一對UART信號與模塊通信即可實現體溫檢測的功能。

5.4GPRS模塊

GPRS模塊采用FIBOCOMG510模塊。G510模塊支持GSM四頻850/900/1800/1900MHz,擁有內置協議棧和雙串口。該模塊能夠被集成進任何需要通過蜂窩網絡進行語音通話或數據傳輸的系統或者產品中。

藍牙智能藥盒方案開發

六、藍牙智能藥盒系統軟件設計

6.1系統主程序設計

系統主程序實現服藥定時計時、信息顯示、服藥行為檢測、藥盒查找以及記錄用戶服藥信息等功能。藥盒所記錄的用戶服藥信息可通過GPRS連入因特網發送至服務器并記錄到數據庫中。

6.2AndroidAPP設計

本設計開發了基于Android的與藥盒配套的APP,以實現用戶通過手機與藥盒進行交互。首先,在APP中實現用戶管理功能。用戶在APP上進行注冊、密碼管理與維護。其次,在APP中利用手機的藍牙搜索功能,實現對用戶攜帶藥盒的檢測。如果手機無法搜索到藥盒,則APP向用戶發出警示。最后,APP提供了與用戶交互的界面。表1給出了APP各功能模塊的設計要求。

在用戶交互模塊中,包括以下功能:(1)吃藥檢測:在APP和藥盒同步發出吃藥提醒以后,通過檢測藥盒蓋子的開關來記錄用戶的服藥行為。(2)終端信息同步:APP可以通過藍牙,把用戶設置等同步至藥盒終端。(3)設置藥物名稱和服藥時間:可以為每個小格設置藥品名稱、吃藥時間和服藥設置,也可以啟動條形碼掃描。通過掃描藥品包裝上的條形碼可以自動獲取藥品的名稱等信息,通過APP自動啟動的查找用戶手機號碼功能將用戶的電子病歷信息同步至APP端,可以獲取吃藥時間和服藥設置。(4)導出藥物說明書:在APP端,可以通過查詢藥品名稱,從服務器導出藥品說明書,也可通過掃描藥物外包裝上的二維碼來從服務器導出藥品說明書。(5)生成吃藥報告并可以分享該吃藥報告至微信。(6)藥物統計功能:APP通過藥品編碼的掃描和吃藥行為的記錄獲得藥品數量和已服用藥品的數量。二者之差即為剩余藥物的數量。

總結

近年來,隨著我國人口結構逐漸向老齡化過渡,我國已成為世界上老齡人口最多的國家,也是老齡人口增長最快的國家之一。據2014年的統計,我國60歲以上人口占總人口的比例已超過14.9%。許多老年人患有慢性疾病,需要長期、定時服藥。而老年人由于記憶逐漸衰退,聽力逐漸減弱,容易發生忘記服藥、不按照醫囑服藥、重復服藥以及服錯藥物劑量等問題,從而導致嚴重后果。而子女作為監護人也容易因為工作忙等原因導致難以對老人的服藥狀態做到細致的監督。

本系統很好的避免了老人出現漏服藥、忘記是否已服藥、服錯藥等問題,同時通過聲音、文字、燈光提示的方式,保證老人可以及時了解到服藥信息,最后補充的遠程電話短信通知、個性化錄音、液晶顯示等功能,讓系統更加完善,將切實提高長期服藥老年人的生活質量,具有很好的推廣價值。

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