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基于嵌入式開發的智能醫藥箱設計與實現

2016年微型機與應用第14期

宋承翰，劉博，劉斌，李瑞芳

（武漢理工大學信息工程學院，湖北武漢 430070）

摘要： 由于生活壓力增大，越來越多慢性疾病出現。經調查統計,近40%的人需要長期服用某幾種藥物，其中老年人居多。在病人服藥過程中發現了諸多用藥問題，如不按時吃藥、吃錯藥等。設計了一款智能醫藥箱系統，系統包括儲藥模塊、觸摸顯示屏、語音播報模塊、藍牙手環、一鍵應急模塊。系統具有協助病人按時用藥、正確用藥的功能，系統功能實用，結構簡單，具有很大實用價值。

關鍵詞： 單片機智能醫藥箱語音播報藍牙手環

Abstract：

Key words :

　　宋承翰，劉博，劉斌，李瑞芳

　　（武漢理工大學信息工程學院，湖北武漢 430070）

　　摘要：由于生活壓力增大，越來越多慢性疾病出現。經調查統計,近40%的人需要長期服用某幾種藥物，其中老年人居多。在病人服藥過程中發現了諸多用藥問題，如不按時吃藥、吃錯藥等。設計了一款智能醫藥箱系統，系統包括儲藥模塊、觸摸顯示屏、語音播報模塊、藍牙手環、一鍵應急模塊。系統具有協助病人按時用藥、正確用藥的功能，系統功能實用，結構簡單，具有很大實用價值。

　　關鍵詞：單片機；智能醫藥箱；語音播報；藍牙手環

0引言

　　隨著人們生活節奏的加快，生活壓力增大，生活習慣越來越不健康，高血壓、糖尿病、骨質疏松等慢性病越來越多，大部分人的身體處于亞健康狀態。經過在學校周圍實地調查，統計出大約40%的人需要長期服用某種藥物或者幾種藥物。同時，由于生活節奏加快，工作繁忙，導致人們缺乏足夠的精力和時間來關心自己的身體，忘記吃藥、吃錯藥的現象屢見不鮮，這就更加導致了人們身體狀況的惡化。經調查發現，該問題集中體現于以下幾點：（1）多數病人，尤其是老年人，患有多種疾病，平時藥物種類繁多，各類藥物的服用時間多有錯開，加上工作繁忙，記憶力衰退等因素，經常出現未按時服藥，在錯誤時間服藥，服用藥物的種類、劑量出現差錯等問題；（2）許多家庭在藥品存放上不重視，產生了藥物過期、受潮、霉變等問題，服用這些問題藥物，輕則出現身體不適，重則發生醫療事故，危及生命；（3）老年人由于子女不在身邊，又不擅長使用智能設備，與子女聯系不便，當藥品用完時，得不到及時的補充，當身體出現緊急狀況時，亦不能及時呼救，錯過最佳搶救時間。

　　為解決以上問題，本文研制了一款集成了藥物信息儲存、定時提醒、語音播報、緊急呼救等功能的智能醫藥箱系統，對于解決病人用藥問題具有十分重要的現實意義。

1系統總體設計

　　系統力求人性化的操作體驗，以期達到如下效果：大屏幕的觸摸輸入和顯示，簡單實用的圖形界面，良好的藥物存放環境，可靠的定時提醒、語音播報、一鍵呼救等。

　　系統在各模塊功能設計上做了如下規劃：

　　（1）系統在設計上分為兩個主要部分：醫藥箱主體［13］（以下簡稱其為主機）和配套藍牙手環［45］（以下簡稱其為從機）。

　　（2）主機與從機可采用一對多的配對方式，方便多人使用。

　　（3）主機具備的功能有：適宜的藥物存儲環境；大屏幕觸摸輸入和顯示；藥物信息（包括藥物名稱、用藥量、用藥時間等）存儲；定時語音播報；藍牙控制手環等。

　　（4）從機具備的功能有：在近距離范圍內（規定為18 m）穩定接收主機發來的用藥信息，并對用戶進行多次提醒，確保準時用藥；一鍵呼救。

　　系統引導用戶在觸摸屏上輸入用藥信息，并自動進行存儲和顯示，內置的RTC實時時鐘模塊與輸入的用藥時間進行比較，當到達設置的用藥時間時，向用戶佩戴的藍牙手環發送指令，手環振動，提示吃藥，用戶在按下藥箱上對應的“停止提醒”按鍵后，主機停止向手環發送提醒信息，并語音播報該時間點該服用的藥物信息，用戶根據語音信息拿取相應的藥物。另外，為應對緊急情況，本系統還加入了一鍵呼救模塊，按下緊急呼救鍵時會向指定的監護人號碼發送呼救信息，爭取寶貴的搶救治療時間。系統的整體結構如圖1所示。

2系統框架設計及算法

　　2.1顯示界面的設計

　　為實現人性化的操作體驗，對觸摸屏的顯示界面作了如下規劃：主菜單界面可以選擇添加藥物信息、查看藥物信息、設置系統時間、查看鬧鐘信息、綁定手機號碼5個主要的功能選項虛擬鍵，通過點擊相應虛擬鍵可以進入相應的界面進行各項操作；主菜單界面可以實時顯示系統時間和預執行鬧鐘時間（即下次服藥時間）；添加藥物信息界面用來實現各類藥物信息的輸入；查看藥物信息界面可用來查詢已添加的各類藥物信息；設置系統時間界面用來初始化或校正系統時間；查看鬧鐘信息以方便用戶查詢所有服藥的時間和種類；綁定手機號碼界面可以用來輸入監護人的手機號碼。顯示界面規劃圖如圖2所示。

　　2.2定時提醒策略

　　實際情況中，考慮到各種藥物設置的服藥時間次數不同，有些藥物未設置服藥時間以及不同藥物設置的某次服藥時間相同，在定時提醒時容易造成提示的時間混亂。為很好地解決以上問題，本文構思了一種定時提醒策略。

　　（1）初始化。定義n組鬧鐘變量，每組變量由小時變量和分鐘變量組成，初始值均為零，每組鬧鐘還對應存儲著該時間對應的藥物信息，此處不予給出。鬧鐘變量結構如下。

　　Ai=（Hi,Mi）,i=0,1,2,…，n-1

　　其中，Ai為第i組鬧鐘變量，Hi為該組鬧鐘變量中的小時變量，Mi為該組鬧鐘變量中的分鐘變量。

　　（2）數據輸入。用戶通過觸摸屏輸入各類藥物的信息，將其中的服藥時間賦值給對應的小時變量Hi和分鐘變量Mi，未賦值的變量仍為初始值零。考慮到小時變量和分鐘變量值均為0時，對應著時間為凌晨零點，此時人體應處于休息階段，不會在該時段服藥，當鬧鐘在該處響應時，不作任何事件處理。

　　（3）數據處理。將n組變量按照遞增次序重新排序，得到n組新的鬧鐘變量，其結構如下。

　　A′i=（H′i，M′i），i=0,1,2,…，n-1

　　其中，A′i為重新排序后的第i組鬧鐘變量，H′i為該組鬧鐘變量中的小時變量，M′i為該組鬧鐘變量中的分鐘變量。

　　（4）得出預執行鬧鐘值。將RTC實時系統時間與各組排序后的鬧鐘變量比較，即可得到即將要執行的鬧鐘時間。

　　Kn+1=（A′0，A′1，…，A′j-1，C，A′j，…，A′n-1）

　　C=（Ch，Ci）

　　其中，C為系統時間，Ch為其小時值，Ci為其分鐘值，則A′j為即將要執行的鬧鐘值。觸發鬧鐘后再次重復以上步驟，可得下一組要執行的鬧鐘值。

　　例如，取n=3（此處為簡化說明），只輸入2組鬧鐘值，分別為8:00和17:30，則此時A0=（8,0），A1=（17,30），A2=（0,0），排序后得A′0=（0，0），A′1=（8，0），A′2=（17，30），當系統時間為7：00，即C=（7，0）時，預執行鬧鐘為A′1=（8，0），即將要服藥的時間為8:00。

3系統模型及實驗結果

　　基于以上設計思想，本文研制了一種智能醫藥箱的系統模型，主機和手環均采用STM32芯片；主機設置4個藥盒，最多可同時存儲4種藥物信息；采用語音模塊進行語音播報［67］；采用SIM900A無線通信模塊與手機通信；主機和手環采用HC05藍牙模塊通信［89］；設計一鍵呼救模塊［10］。本文設計了兩個實驗，驗證系統的功能。

　　3.1主機與手環的藍牙通信穩定性以及通信質量

　　把主機和手環放置于不同距離的位置上，測試其在各距離處能否接收到信息、接收延遲時間和斷電重啟配對時間。測試結果見表1。