智能家用醫(yī)藥箱控制系統(tǒng)設(shè)計

引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技水平的提高，人們的健康意識不斷增強，目前家庭普遍都會儲備家庭常用藥。由于缺乏專業(yè)的指導，藥物市場藥品類別繁多，以及病理的復雜性和多樣性，患者在自行判別疾病治療時經(jīng)常出現(xiàn)用藥不當，服用過期藥物等情況 [1]。而目前主流市場上出現(xiàn)的智能醫(yī)藥箱 [2] 功能單一，無法對患者進行有效的用藥指導，同時由于價格昂貴以及所占空間過多，導致其未能在普通家庭中普及。

本文針對該現(xiàn)象設(shè)計一種智能家用醫(yī)藥箱控制系統(tǒng)。該設(shè)計采用了成本較低的樹莓派和 STM32 控制器，融合錄入語音交互技術(shù)以及圖像識別技術(shù)，配合手機 APP 的控制，實現(xiàn)家用智能醫(yī)藥箱用藥指導，以及藥物儲藏管理，保證用戶的用藥安全。同時本設(shè)計在外觀上采用抽屜儲藏方式，可合理對藥品進行分區(qū)，避免藥物之間的相互接觸。在使用上給用戶提供更加安全可靠且經(jīng)濟實惠的幫助。醫(yī)藥箱設(shè)計外觀如圖 1 所示。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計以樹莓派作為主控部分，使用麥克風、攝像頭和電容屏采集信息，通過互聯(lián)網(wǎng)進行語音交互、圖像識別等。同時，樹莓派和 STM32 之間進行通信，傳送數(shù)據(jù)。STM32 作為執(zhí)行單元，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄汉驼麄€系統(tǒng)的中轉(zhuǎn)站。麥克風和攝像頭用于實現(xiàn)語音交互技術(shù)和圖像識別技術(shù)。WiFi 模塊采用 ESP8266[3] 將醫(yī)藥箱的數(shù)據(jù)上傳和下載到云端服務(wù)器，用戶手機的 APP 同樣連接云端服務(wù)器，實現(xiàn)醫(yī)藥箱與手機的通信。顯示器模塊作為醫(yī)藥箱交互界面，完成人機交互功能以及對手機 APP 功能的補充。健康狀況檢測部分主要采用心率監(jiān)測模塊測量使用者的心率 [4]，并實時反饋數(shù)據(jù)。藥箱儲藏環(huán)境調(diào)節(jié)部分主要是針對醫(yī)藥箱的藥品儲藏環(huán)境進行溫度調(diào)節(jié)，以及采用紫外消毒燈給醫(yī)藥箱殺菌消毒。溫度檢測模塊用于檢測醫(yī)藥箱內(nèi)部溫度。舵機模塊 [5] 采用 MG996R 控制抽屜的開關(guān)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

2 功能設(shè)計實現(xiàn)

2.1 藥物環(huán)境監(jiān)控調(diào)節(jié)功能設(shè)計

為了防止家庭常用藥藥物軟化變形、潮解等問題 [6]，需要將其儲存在 20 ～ 30 ℃。對此，本設(shè)計通過溫度檢測與調(diào)節(jié)來使醫(yī)藥箱內(nèi)部維持在 20 ～ 30 ℃。溫度檢測模塊采用DS18B20 對藥箱儲藥環(huán)境溫度進行實時檢測。若系統(tǒng)檢測到醫(yī)藥箱內(nèi)的溫度不適合藥物儲存，醫(yī)藥箱就會啟動溫度調(diào)節(jié)模塊對藥箱溫度進行控制，使醫(yī)藥箱溫度保持在合理范圍內(nèi)。同時也會啟動紫外線消毒燈對藥箱內(nèi)藥品由于自然分解產(chǎn)生的氣體進行處理。此外，本次設(shè)計還可以通過手機 APP 對藥箱環(huán)境的溫度以及氣體環(huán)境進行調(diào)節(jié) [7]。

2.2 用藥指導功能設(shè)計

本設(shè)計的用藥指導功能采用語音交互技術(shù) [8]，包括語音喚醒 [9]、語音識別 [10]、數(shù)據(jù)處理、語音合成等技術(shù)。用戶通過麥克風用語音與藥箱進行交互，了解藥物的用法、用量等， 實現(xiàn)醫(yī)藥箱的用藥指導功能。

(1) 語音喚醒 ：該技術(shù)使用的是 Snowboy，KITT.AI開發(fā)的人工智能軟件工具包，用戶想了解藥品或者用藥時，通過麥克風說出關(guān)鍵字，藥箱即可被喚醒，藥箱喚醒后，可以詢問用什么藥、如何用藥等。

(2) 語音識別 ：該技術(shù)是將語音轉(zhuǎn)化為文字，使用的是百度 AI 開放平臺提供的語音服務(wù)技術(shù)。

(3) 數(shù)據(jù)處理 ：該技術(shù)是將語音識別到的文字傳送給北京光年無限科技旗下的個性化人工智能機器人開放平臺，通過圖靈機器人開放平臺，可以實現(xiàn)普通的聊天，可以咨詢?nèi)魏螁栴}，還可以錄入購買的藥品信息以備下次使用。

(4) 語音合成 ：該技術(shù)使用的是百度 AI開放平臺提供的語音服務(wù)技術(shù)，將處理好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為流暢自然的語音， 并且可以根據(jù)用戶的需要調(diào)整語速、音調(diào)、音量等。

2.3 藥物分類功能設(shè)計

藥物分類功能主要采用圖像識別技術(shù)，將拍攝的照片的文字提取出來。本設(shè)計使用的是百度 AI 開放平臺提供的圖片識別服務(wù)技術(shù) [11]。

攝像頭拍照獲取照片后，樹莓派會自動將照片上傳到百度 AI 開放平臺，通過百度 AI 開放平臺的圖片識別技術(shù)將所有文字提取出來，再通過 Python 的正則表達式進行關(guān)鍵字提取，以獲得需要的信息。

3 軟件設(shè)計

醫(yī)藥箱的交互框架如圖 3所示。其主要是由手機 APP以及醫(yī)藥箱自帶的顯示器來進行交互，在不同使用環(huán)境下用戶 可以選擇不同的交互方式。用戶可以通過 WiFi讓自己的手機和醫(yī)藥箱進行通信，進入 APP，對醫(yī)藥箱進行對應(yīng)的操作 ； 同時也可以使用醫(yī)藥箱上的顯示器，通過顯示器上的按鍵對 醫(yī)藥箱下達相應(yīng)的指令。

3.1 手機 APP設(shè)計

手機 APP 使用 ESP8266 WiFi 模塊結(jié)合 TCP 應(yīng)用進行二次開發(fā)，以云服務(wù)器和 WiFi 模塊為中樞進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，可讀取醫(yī)藥箱信息和控制醫(yī)藥箱的紫外線消毒，開關(guān)藥箱和心率檢測以及箱內(nèi)溫度的讀取等。其界面如圖 4 所示。

1. 手機 APP可對藥箱進行交互操作。當點擊心率檢測按鈕時，用戶可以開始測量心率，檢測完畢便可在界面看到測量的心率值。同時可以通過手機 APP界面上的按鈕選擇開啟需要的藥箱，箱內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)也可通過手機 APP進行調(diào)控。

2. 手機 APP可以實時顯示即將過期的藥品確保用戶的用藥安全。同時，藥箱的使用會將每一次用藥記錄發(fā)送到手機 APP，用戶可以實時了解自己的用藥情況。

3.2 顯示器界面設(shè)計

顯示器作為醫(yī)藥箱上的操作面板，采用 Python Tkinter 進行制作，是使用者與醫(yī)藥箱進行交互的一個平臺。其界面如圖 5 所示。

圖 5 顯示器界面

(1) 用戶可以點擊顯示器的拍照功能進行圖像識別提取藥物包裝盒上的名稱、功能、有效期等信息并實時顯示在文本框內(nèi)。

(2) 用戶可以通過交互界面查找自己的用藥記錄以及心率監(jiān)測記錄，方便用戶了解自身身體狀況，進行合理用藥。

(3) 用戶可以通過顯示器的交互界面了解當前藥物儲藏環(huán)境，并可通過消毒按鍵調(diào)節(jié)藥箱儲藥環(huán)境。

4 結(jié) 語

隨著社會的進步與生產(chǎn)力的提高，人們越來越注重身體健康，應(yīng)用于醫(yī)療保健的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在迅速發(fā)展。本文設(shè)計的智能醫(yī)藥箱通過環(huán)境監(jiān)測、語音識別和圖像處理技術(shù)實現(xiàn)藥物管理，引導正確用藥功能，降低用戶用藥風險。最大程度地解決了日常家庭常出現(xiàn)的用錯藥、無定期用藥、用藥過量等問題。與市面其他智能藥箱對比，本設(shè)計具有成本低、