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摘 要：针对老年人因记忆力衰退而容易忘记吃药，以及因服用药物种类繁多导致药物容易混淆等问题，设计了一款适合老年人家用的智能药箱。药箱的机械结构按照空间位置分为3个部分——上层配药部分、中间传动部分、下层取药部分，分别实现配药、送药和取药功能。药箱内部一次可以放入6种药品。药箱的控制系统采用STM32F407核心板，使用C语言进行编程。利用各部分的协调运行，药箱在功能上实现了定时运行、自动配药、按需配药和定时提醒，且操作简单、运行高效，具有较高的实用性。
关键词：智能药箱;自动配药;按需配药;定时提醒
0 引言
目前，老年人的健康状况不容乐观，早在2015年，我国失能、半失能老年人口就达到了约4 063万人，占老年人口的18.3%，老年人群慢性病患病率较高，约3/4的人患有一种及以上慢性病[1]。老年人用药存在的隐患主要有不按时服药、错服/漏服药和多次服药等[2]。针对这些情况，智能药箱随着时代的发展应运而生。
目前主要有两类智能药箱：一类是家用药箱[3]，此种药箱的体型较大，主要有自动配药、提醒吃药的功能，并可以通过手机与互联网数据同步;另一类是户外药箱，此类药箱较为轻便、易携带，但功能太单一，只有报时功能。多数药箱只是方便取药，功能较单一，而老人吃药的时间也不长，如果仅仅把其当作药箱也是一种负担[4]。因此，本文设计了一款新型智能药箱，它能够实现按时、按量提醒需要服药的人员去服用药物的功能，并且监护人可以通过手机端查看服药情况。如果没有按时服药，监护人可以远程提醒，这样可以避免因忘记服用药物而发生意外情况。
1 设计方案
本产品的系统整体模块如图1所示，各功能由机械传动、显示与参数输入、计数、语音及远程提醒等模块实现。
（1）机械传动模块主要由机械结构和电机组成，按照空间结构可以分为3个部分，各部分按照指令在电机驱动下协调运行，以实现相应的功能。
（2）显示与参数输入模块能让用户自定义使用本产品，以实现本产品的普遍适用性。用户可以通过液晶显示触摸屏选择服药种类（本产品设计了6个存药盒，最多支持选择6种），并设置所选药品所需服用数量和服药具体时间（支持设置每天服药不超过3次）。
（3）计数模块是通过红外对射管检测来实现的，其原理是当红外对射管之间无遮挡时信号线一直为高电平，有遮挡时则为低电平。这样只需要检测信号线所连接开发板的GPIO口上电平信号，就能知道红外对射管是否有遮挡。整个药箱有两个用来计数的红外对射管，一个放置在上挡板的出药口下方，另一个放置在中挡板下方。
（4）语音模块由小喇叭、驱动板和SD卡组成。驱动板能根据IO口的高低电平信息直接驱动小喇叭播放SD卡中的音频文件。当需要播放语音提醒时，通过开发板控制与驱动板连接的IO口上的高低电平来实现。
（5）远程提醒模块主要通过STM32F407核心板上的ESP8622 Wi-Fi模块完成[5]，开发板联网，接入阿里云平台，并在手机上创建App程序，向监护人实时显示设备使用状态，实现远程监控的功能。
药箱整体内部结构如图2所示。药箱未工作时，整体处于待机状态。当到达用户设置的服药时间后，药箱上层配药装置依靠步进电机18带动相应储药盒2转动到出药口。中间送药装置通过轮系将直流电机15的机械能转化为蜗杆14和锥齿轮的动能，通过蜗杆转动将蜗杆盒13中的药物运到分离盒5，当药物进入分离盒5时，通过锥齿轮啮合，将分离盒5中的药品送至第二个出药口，从而进入到取药盒12中，如此完成一次取药工作。当系统检测到所有需要出药的药盒都完成出药工作之后，会自动播放语音以提醒用户服药，并在显示屏上显示出药成功。同时会用红外对射管检测用户是否把药品取出来服用，若没有将药品取出，则过3 min之后重复播放一次语音提醒。若在规定时间内红外对射管仍未监测到抽屉打开，则红外对射管会将相应数据传给开发板，开发板再通过相应算法和ESP8622 Wi-Fi模块，利用网络将这一异常信息发送至监护人手机App，以此警告监护人，从而实现远程监控的功能。
2 主要传动机构及其工作原理
2.1 储药盒
储药盒设计原则包括体积设计原则、外形设计原则和出药口设计原则。
（1）体积设计原则：储药盒中储存的药物用量为一周。
（2）外形设计原则：储药盒放置在上挡板中，在推板的推动下，每次转动50°。
（3）出药口设计原则：大多数药片的直径在4～7 mm，厚度在2～5 mm，胶囊的长度为12～20 mm，直径在5～8 mm。
由于药品属于食用类物品，对于存药的材料和环境有严格要求，该零件材料采用食品级塑料。
2.2 上层配药部分
该部分结构主要由推板1、储药盒2、上挡板3和步进电机18组成，如图3所示。步进电机18放置在上挡板3中心，推板1与步进电机18连接在一起，储药盒2放置在上挡板上，相邻两个储药盒通过推板1分隔。工作时，按照设定好的要求，步进电机18带动推板1轉动设定好的角度，储药盒2转动到出药口，待出药完成之后再复位。且出药时第一个出药口处由直流电机17带动滚轴16上紧密接触的海绵柱体向相反方向转动，以保证顺畅出药。药品由海绵柱体转运经过出口后还会经过一对红外对射管以检测出药数量，当检测到出药量等于用户输入所需服药量时，直流电机17先停止转动，然后反向转几圈，把进入紧密接触的海绵柱体通道的药粒送回储药盒。
2.3 中间送药部分
中间送药部分通过轮系将电机的机械能转化为蜗杆和锥齿轮的动能，传动方案如图4所示。通过蜗杆转动将蜗杆盒中的药物运到分离盒，分离盒的设计是为了使药品独立分开，避免混合在一起，防止药品通过红外对射管时由于出药数量不可控而造成计数错误。为了保证药品独立分开的效果，设计轮系时使蜗轮蜗杆的转速比分离盒的转速慢且都是匀速转动。当药物进入分离盒时，通过锥齿轮啮合，将分离盒中的药品送至第二个出药口，当药品经过第二个出药口时会经过第二对红外对射管。 2.4 底部取药装置
药箱下层取药装置备有1个取药盒12（待服用）和6个纠错盒7，如图5所示。6个纠错盒与药箱上层配药部分6个储药盒的位置相对应。当检测到经过的药品数量等于用户所需服用药量时，带动轮系结构转动的直流电机就会立即停止转动，此时下层步进电机9通过推板8把对应纠错盒转到第二个出药口底下以承接多余药品。
3 控制模塊
本药箱的控制系统采用STM32F407核心板，使用C语言进行编程，并配置TFT-LCD屏幕以设置服药时间和服药数量，其程序框图如图6所示。系统开始工作后，会先进行初始化，若用户选择进行配药，则TFT-LCD屏将显示字样以提醒用户将药放入药盒，用户在设置好吃药时间与吃药数量后，系统将休眠，当到达规定配药时间后，药箱会按照预先设置进行药物的自动配送，帮助老人完成吃药。
4 结语
人口老龄化的加剧对社会的养老功能提出了考验。老年人抵抗力差，容易得一些慢性疾病，并且老年人服药也存在一些隐患。针对这些情况，智能药箱随着时代的发展应运而生。本药箱通过一种新型的结构设计和装置布局，利用各部分的协调运行，功能上已经实现了定时运行、自动配药、按需配药和定时提醒，而且操作简单，运行起来简单高效，具有较高的实用性。
[参考文献]
[1] 王亚杰，马硕奥，尹羽瑄，等.老年人口服药状况分析及解决对策[J].全科口腔医学电子杂志，2019，6（12）：9.
[2] 王丽敏，陈志华，张梅，等.中国老年人群慢性病患病状况和疾病负担研究[J].中华流行病学杂志，2019，40（3）：277-283.
[3] 崔怡欣，刘宗伟，刘安彬，等.一款小型家用多功能智能药箱的设计[J].机电信息，2021（14）：37-39.
[4] 黄钰恒.家用智能药箱的设计与实现[J].中国设备工程，2018（24）：128-129.
[5] 孔小敏.基于STM32F4智能药箱系统设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.
收稿日期：2021-08-06
作者简介：朱志鹏（2000—），男，河南周口人，研究方向：机械设计制造及其自动化。
关键词：智能药箱;自动配药;按需配药;定时提醒
0 引言
目前，老年人的健康状况不容乐观，早在2015年，我国失能、半失能老年人口就达到了约4 063万人，占老年人口的18.3%，老年人群慢性病患病率较高，约3/4的人患有一种及以上慢性病[1]。老年人用药存在的隐患主要有不按时服药、错服/漏服药和多次服药等[2]。针对这些情况，智能药箱随着时代的发展应运而生。
目前主要有两类智能药箱：一类是家用药箱[3]，此种药箱的体型较大，主要有自动配药、提醒吃药的功能，并可以通过手机与互联网数据同步;另一类是户外药箱，此类药箱较为轻便、易携带，但功能太单一，只有报时功能。多数药箱只是方便取药，功能较单一，而老人吃药的时间也不长，如果仅仅把其当作药箱也是一种负担[4]。因此，本文设计了一款新型智能药箱，它能够实现按时、按量提醒需要服药的人员去服用药物的功能，并且监护人可以通过手机端查看服药情况。如果没有按时服药，监护人可以远程提醒，这样可以避免因忘记服用药物而发生意外情况。
1 设计方案
本产品的系统整体模块如图1所示，各功能由机械传动、显示与参数输入、计数、语音及远程提醒等模块实现。
（1）机械传动模块主要由机械结构和电机组成，按照空间结构可以分为3个部分，各部分按照指令在电机驱动下协调运行，以实现相应的功能。
（2）显示与参数输入模块能让用户自定义使用本产品，以实现本产品的普遍适用性。用户可以通过液晶显示触摸屏选择服药种类（本产品设计了6个存药盒，最多支持选择6种），并设置所选药品所需服用数量和服药具体时间（支持设置每天服药不超过3次）。
（3）计数模块是通过红外对射管检测来实现的，其原理是当红外对射管之间无遮挡时信号线一直为高电平，有遮挡时则为低电平。这样只需要检测信号线所连接开发板的GPIO口上电平信号，就能知道红外对射管是否有遮挡。整个药箱有两个用来计数的红外对射管，一个放置在上挡板的出药口下方，另一个放置在中挡板下方。
（4）语音模块由小喇叭、驱动板和SD卡组成。驱动板能根据IO口的高低电平信息直接驱动小喇叭播放SD卡中的音频文件。当需要播放语音提醒时，通过开发板控制与驱动板连接的IO口上的高低电平来实现。
（5）远程提醒模块主要通过STM32F407核心板上的ESP8622 Wi-Fi模块完成[5]，开发板联网，接入阿里云平台，并在手机上创建App程序，向监护人实时显示设备使用状态，实现远程监控的功能。
药箱整体内部结构如图2所示。药箱未工作时，整体处于待机状态。当到达用户设置的服药时间后，药箱上层配药装置依靠步进电机18带动相应储药盒2转动到出药口。中间送药装置通过轮系将直流电机15的机械能转化为蜗杆14和锥齿轮的动能，通过蜗杆转动将蜗杆盒13中的药物运到分离盒5，当药物进入分离盒5时，通过锥齿轮啮合，将分离盒5中的药品送至第二个出药口，从而进入到取药盒12中，如此完成一次取药工作。当系统检测到所有需要出药的药盒都完成出药工作之后，会自动播放语音以提醒用户服药，并在显示屏上显示出药成功。同时会用红外对射管检测用户是否把药品取出来服用，若没有将药品取出，则过3 min之后重复播放一次语音提醒。若在规定时间内红外对射管仍未监测到抽屉打开，则红外对射管会将相应数据传给开发板，开发板再通过相应算法和ESP8622 Wi-Fi模块，利用网络将这一异常信息发送至监护人手机App，以此警告监护人，从而实现远程监控的功能。
2 主要传动机构及其工作原理
2.1 储药盒
储药盒设计原则包括体积设计原则、外形设计原则和出药口设计原则。
（1）体积设计原则：储药盒中储存的药物用量为一周。
（2）外形设计原则：储药盒放置在上挡板中，在推板的推动下，每次转动50°。
（3）出药口设计原则：大多数药片的直径在4～7 mm，厚度在2～5 mm，胶囊的长度为12～20 mm，直径在5～8 mm。
由于药品属于食用类物品，对于存药的材料和环境有严格要求，该零件材料采用食品级塑料。
2.2 上层配药部分
该部分结构主要由推板1、储药盒2、上挡板3和步进电机18组成，如图3所示。步进电机18放置在上挡板3中心，推板1与步进电机18连接在一起，储药盒2放置在上挡板上，相邻两个储药盒通过推板1分隔。工作时，按照设定好的要求，步进电机18带动推板1轉动设定好的角度，储药盒2转动到出药口，待出药完成之后再复位。且出药时第一个出药口处由直流电机17带动滚轴16上紧密接触的海绵柱体向相反方向转动，以保证顺畅出药。药品由海绵柱体转运经过出口后还会经过一对红外对射管以检测出药数量，当检测到出药量等于用户输入所需服药量时，直流电机17先停止转动，然后反向转几圈，把进入紧密接触的海绵柱体通道的药粒送回储药盒。
2.3 中间送药部分
中间送药部分通过轮系将电机的机械能转化为蜗杆和锥齿轮的动能，传动方案如图4所示。通过蜗杆转动将蜗杆盒中的药物运到分离盒，分离盒的设计是为了使药品独立分开，避免混合在一起，防止药品通过红外对射管时由于出药数量不可控而造成计数错误。为了保证药品独立分开的效果，设计轮系时使蜗轮蜗杆的转速比分离盒的转速慢且都是匀速转动。当药物进入分离盒时，通过锥齿轮啮合，将分离盒中的药品送至第二个出药口，当药品经过第二个出药口时会经过第二对红外对射管。 2.4 底部取药装置
药箱下层取药装置备有1个取药盒12（待服用）和6个纠错盒7，如图5所示。6个纠错盒与药箱上层配药部分6个储药盒的位置相对应。当检测到经过的药品数量等于用户所需服用药量时，带动轮系结构转动的直流电机就会立即停止转动，此时下层步进电机9通过推板8把对应纠错盒转到第二个出药口底下以承接多余药品。
3 控制模塊
本药箱的控制系统采用STM32F407核心板，使用C语言进行编程，并配置TFT-LCD屏幕以设置服药时间和服药数量，其程序框图如图6所示。系统开始工作后，会先进行初始化，若用户选择进行配药，则TFT-LCD屏将显示字样以提醒用户将药放入药盒，用户在设置好吃药时间与吃药数量后，系统将休眠，当到达规定配药时间后，药箱会按照预先设置进行药物的自动配送，帮助老人完成吃药。
4 结语
人口老龄化的加剧对社会的养老功能提出了考验。老年人抵抗力差，容易得一些慢性疾病，并且老年人服药也存在一些隐患。针对这些情况，智能药箱随着时代的发展应运而生。本药箱通过一种新型的结构设计和装置布局，利用各部分的协调运行，功能上已经实现了定时运行、自动配药、按需配药和定时提醒，而且操作简单，运行起来简单高效，具有较高的实用性。
[参考文献]
[1] 王亚杰，马硕奥，尹羽瑄，等.老年人口服药状况分析及解决对策[J].全科口腔医学电子杂志，2019，6（12）：9.
[2] 王丽敏，陈志华，张梅，等.中国老年人群慢性病患病状况和疾病负担研究[J].中华流行病学杂志，2019，40（3）：277-283.
[3] 崔怡欣，刘宗伟，刘安彬，等.一款小型家用多功能智能药箱的设计[J].机电信息，2021（14）：37-39.
[4] 黄钰恒.家用智能药箱的设计与实现[J].中国设备工程，2018（24）：128-129.
[5] 孔小敏.基于STM32F4智能药箱系统设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.
收稿日期：2021-08-06
作者简介：朱志鹏（2000—），男，河南周口人，研究方向：机械设计制造及其自动化。