尉川;王健;刘照;张敏;刘能峰;刘盛元;尚长宇;陈思韩;曹勇;马剑平
【摘 要】设计了一款具有预警自锁与药物监控功能的便携式智能药盒,以及提出其配套手机软件通信的可行性方案.该款智能药盒能够帮助患者自主服药,而在未来手机软件设计中还可协助医生完成远程监督的功能.这样的服药模式不仅能够节约大量的人力与物力成本,还能缓解医疗资源少、医疗成本高、患者就医体验差等诸多问题.本套系统具有可靠性高、效率高、省时省力、成本低以及技术扩展性好的特点.%In the paper,a portable intelligent medicine box with the function of self-locking and drug monitoring is designed.The feasibility program of mobile supporting communication software is proposed.The project not only can achieve the patient self-medication,but also provides the doctors remote supervision.This model of taking medicine can save a lot of manpower and material cost,also can ease many problems such as low medical resources,high medical cost,terrible medical experience,which will introduce the idea of the intelligent medical into the treatment of chronic tuberculosis.The system has the characteristics of high reliability,high efficiency,time saving,labor saving,low cost and good technical expansion. 【期刊名称】《单片机与嵌入式系统应用》
手机光线传感器
电子脚铐【年(卷),期】2017(017)011
【总页数】4页(P64-67)
【关键词】智慧医疗;药物检测;远程监督;STM32F407ZET6
【作 者】尉川;王健;刘照;张敏;刘能峰;刘盛元;尚长宇;陈思韩;曹勇;马剑平
塑料破碎机刀片【作者单位】哈尔滨工业大学深圳研究生院机电工程及自动化学院,深圳518055;深圳市南山区慢性病防治院;哈尔滨工业大学深圳研究生院机电工程及自动化学院,深圳518055;深圳市南山区慢性病防治院;哈尔滨工业大学深圳研究生院机电工程及自动化学院,深圳518055;深圳市南山区慢性病防治院;哈尔滨工业大学深圳研究生院机电工程及自动化学院,深圳518055;深圳市南山区慢性病防治院;哈尔滨工业大学深圳研究生院机电工程及自动化学院,深圳518055;深圳市南山区慢性病防治院
【正文语种】中 文
【中图分类】TP273;TP311
目前慢性结核病的方案普遍采用的是DOTS (Directly Observed Treatment, Short-course)系统[1]，所谓DOTS系统就是患者每日前往医院或者社区取药，在医生面视条件下服药，经过这两项程序后才会被确认为完成当天的服药计划。显然这种模式存在众多弊端：如需耗费患者大量时间，使患者产生抗拒服药心理，甚至会造成医患矛盾的进一步升级；而且服药过程中存在医生与患者、患者与患者之间交叉感染的风险，不利于疾病的,此外这种模式还存在患者隐私泄露的风险[2-4]。
鉴于以上情况，本文设计了一种便携式智能药盒，该药盒可配合手机软件实现患者自主服药、医生远程监测和管理，不仅保证了监护的连续性与便携性以及私密性，还具有低成本和普及性，代表着未来低成本医疗的发展方向与个人健康管理的先进理念，大大减轻了医生的压力[5]。同时，作为智慧医疗[6]向社区和家庭延伸，本项目将对慢性病管理有着一定的示范和借鉴意义。
智能药盒的功能除按时提醒患者服药剩余药物数据记录外，还提供了与手机软件实现数据交流的蓝牙通信接口。未来，通过无线蓝牙以及手机WiFi/4G网络，医生能实时查看患者 的服药情况，起到监督作用，在患者出现不良服药反应的情况下,医生可以远程控制药盒锁定，患者也可以通过手机软件向医生实时反馈药后效果。 在本设计中使用STM32F407ZET6作为药盒的主控芯片，减速步进电机作为自锁装置的驱动设备，蓝牙作为药盒与手机软件实时数据交流的无线通信工具；除此之外，药盒还设置有独立按键、温湿度监测器、自锁装置、蜂鸣报警器、药物感应器、断电数据保护等模块。药盒样品示意图如图1所示。
智能药盒的总体设计包含药盒结构设计、系统硬件设计、控制系统流程和手机软件功能设计。
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智能药盒外壳采用的是翻盖式设计，使用简单方便，内置储药小药杯，这种设计不仅能够保证单次服药要求，还能在盒盖与盒底底壳之间设置自锁装置所需的锁扣，通过自锁装置控制药盒的开启与关闭，示意图如图2所示。
小药杯设计为圆柱状小药杯(如图3所示)，并为每个药杯配备了盖子，保证了储药的安全，也满足了单次药量储存要求，内置16个小药杯，按照患者一天服药一次的要求，该药盒可存储患者半个月的服药药量。
自锁装置由减速步进电机、电机齿轮、传动齿条以及半圆齿4个构件组成。其结构如图4、图5所示。
通过电机带动半圆齿，半圆齿旋转180°切换后可以将药盒锁定或将锁定后的药盒打开，从而实现锁定药盒的目的。
智能药盒主要由主控STM32F407ZET6芯片、无线蓝牙模块、温湿度传感器、蜂鸣器、独立设置按键、LED提示灯[7-8]、药物感应传感器以及预警自锁装置等模块组成。其系统结构图如图6所示。
图中各个功能模块在电路设计中根据所需要的数据传输接口要求连接在主控芯片对应的引脚上。
① 温湿度传感器采用的是DHT11温湿度传感器，在智能药盒中，通过实时监测药盒内温湿度，保障药物储存在相对安全的环境中，不会变质而影响药效。
② 蜂鸣报警装置采用的是有源蜂鸣器发声提醒的方式提醒患者，该装置可以实现定时提醒患者服药功能，以及在患者取药服药过程中出现错误取药行为时提醒患者服用正确药杯内
药物。
③ 无线蓝牙模块的Rxd和Txd分别连接在MCU的第三个串口的Txd和Rxd上，配置好传输波特率及约定协议后即可进行蓝牙数据传输。无线蓝牙模块预留的通信接口可以与患者手机软件连接后进行数据交流，编辑接口传输协议后可以实现患者服药记录上传、剩余药量更新、实时时间更新等功能。在以后的设计中，通过手机软件，医生除了可查看患者服药记录以及剩余药量外，当发现剩余药量不足或者患者未按时服药时还可以及时提醒患者，甚至在紧急情况下远程控制药盒实现远程自锁的功能。
④ 掉电存储芯片连接在主控MCU的I2C引脚上，用来存储药盒的关键数据参数以及在服药过程中产生的服药数据。该模块可以在断电的时候保存重要数据，有效地保障患者使用过程中的数据安全性。
⑤ 预警自锁装置采用的是减速步进电机动力驱动，通过MCU依次向电机的4个引脚发送等值脉冲高度的脉宽，可驱动电机旋转，改变脉冲变化次序可调节电机的旋转方向，从而实现电机驱动自锁和开锁功能，达到预警锁定的效果。
⑥ 独立设置按键采用的是贴片式独立按键[9]，根据药盒设置需求，分别设置了4个按键——按键+(plus)、闹钟(Alarm)、按键-(Minus)、菜单(Menu)，4个按键分别连接芯片的4个引脚，通过外部中断的方式向MCU发送按键信号。其中菜单按键可切换需要设置的参数，+/-按键可对该参数进行调整，闹钟按键为停止闹钟提醒以及开始服药按键。
⑦ 实时时间模块采用的是MCU内置的RTC时钟，通过配置RTC内置对应寄存器参数便可以实现计时与定时功能，RTC内置有两个闹钟，可以用来开启定时提醒功能。
⑧ 药物感应装置采用的是反射式开关传感器，该传感器体积小、反应灵敏，满足设计要求。驱动电路如图7所示。该电路中有定值电阻R1、R2、R4、R5，变阻器R3，电压比较器H1以及反射式传感器。其中R1为限流电阻，传感器发射端工作电流为2～10 mA，发射端分压约为1.8 V时其效果最好，因此在此处设置R1的阻值为200 Ω；R2及R5为上拉电阻，R3配合R4用来调节电压比较器固定端电压值，保证电压比较器固定值端接入电压为2～3 V。当药杯中有药物时，输出端电压为5 V高电平；当药杯中没有药时，接收端二极管导通，输出电压为0 V低电平。因此，通过检测MCU对应引脚的高低电平变化，可实时掌握药杯内是否有药物存在。纸板加工
通过监测每个药杯对应引脚的高低电平，可在患者取药服药过程中判断患者是否按要求正确取药服药，而且在与手机软件数据交流和监控时还可获取药盒内剩余药量。
设备集电环智能药盒的控制程序采用C语言程序编辑，其控制流程如图8所示。首先对各个模块的功能以及对应的MCU接口进行初始化，各个模块之间配合运行，模块间通过全局变量以及状态标志位的形式进行数据通信。通过判断全局变量或状态标志位的值，决定某个模块是否需要运行，某个模块什么时候停止运行。其中重要模块的控制流程如图8所示。
4.1 服药流程
服药过程在循环扫描中首先扫描时间是否到达设定服药时间，即服药提醒闹钟响起，按下Alarm按键停止闹钟后即可进入服药模式，其过程控制流程如图9所示。
服药过程中考虑到结核病的严苛性，需要患者按要求取服正确药物， 因此在患者取药时会检测判断患者取药正确性。当患者正确取药服药后，系统自动保存服药数据并锁定药盒后，即退出服药过程；若患者出现取药错误的情况，蜂鸣器便会发声提醒患者，患者手动结束声音提醒后重新开始取药服药，直至患者按要求正确服药后才被确认完成当次服药
过程。这样的服药流程可以起到及时提醒患者按要求服药的目的，而且出现不良服药记录后可及时锁定药盒，在以后手机软件的设计中，医生可根据获取的服药记录及时作出应急处理，有效地实现患者自主服药、医生远程监督的效果。
4.2 预警自锁装置驱动流程
预警自锁装置有上述介绍的电机驱动，配合药盒内部齿轮齿条结构完成药盒的锁定和开启功能，其控制功能实现流程如图10所示。
药盒自锁切换采用的是齿轮齿条机构实现，所以切换中需要考虑齿条的行程问题。在程序控制过程中，分别设置了锁定状态标志位和锁定动作标志位。在切换过程中会判断切换动作和锁定状态是否一致，若一致则保持当前状态不变，不一致则根据锁定动作要求执行锁定或者开锁动作，然后更改锁定状态标志保存后退出。为保障系统的稳定性，这两个变量均被保存在I2C芯片中，断电也不会丢失。
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