您的健康我来守护——爱心智能药盒

       随着社会老龄化形势明显，老年人体质弱，易患病，他们对药物需求增加，药箱的需求增加则成为必然，另外，因为认知、或视力或记忆力的退化，老人们不时地会发生错误服药的情形而影响治疗效果，严重的甚至引起事故。因此，为保障人体对药效的最大吸收，按时服药成为了我们需要重视的问题。

       本文中提出一个针对中老年人群，按时服药提醒的便携家居保健装置。

       这个智能药盒采用3D建模+3D打印的方式构建了外形。结构上主要包括控制箱和药盒主体两部分。

       控制箱包括控制箱底座、盖板和复位按键3部分。其中存放了Arduino Uno、扩展板、语音合成模块以及电池等控制元件。

       药盒主体包括底座、盖板、转子药盒等部分。其中，底座上安装有限位器、光电传感器。电机和主动轮则安装在盖板上。为了增加转子药盒转动的流畅性，在底座和盖板上都添加了微型轴承。

       这个智能药盒的名字是“小亮”。开机时会小亮会与用户打招呼，祝用户身体健康，早日康复。给用户带去心灵上的温暖。

       小亮会定时提醒用户吃药。同时将药盒转动到对应的格子，提醒用户吃几颗。用户吃完后，则关闭药盒。

       当用户吃完所有的药之后，小亮会提醒用户已经吃完了这个疗程的药，祝用户早日恢复健康。

图1 硬件接线图

       1、 限位器OUT端口接入Arduino扩展板的D2口。

       2、 光电传感器的OUT端口接入Arduino扩展板的A0口。

       3、 电机的负极接D4，正极接D5。

       4、 语音合成模块的C口接I2C的SCL接口，D口接I2C的SDA接口。

智能药盒装配图

图2 智能药盒装配图

       智能药盒主体部分我们采用3D建模、3D打印的方式制作，使用了PLA和TPU等材料。智能药盒主要分为药盒、控制箱两部分。其中药盒部分包括底座、转动箱、药盒盖、限位器、光电传感器、驱动电机和驱动轮。

       第一步：硬件连接

图3 硬件接线实物图

       根据图1中的连线方式连接好各个硬件。如图3所示。注意，电机线可能会导致主板无法安装进主板容纳盒。此时需要切开D4、D5背面的塑料部分，从背面插入电机线。

       第二步：底座和盖板上分别压入小轴承

图4 小轴承安装

       第三步：安装光电传感器

图5 光电感应器安装

       如图5所示，使用M3x6螺丝固定光电传感器，如果感觉光电传感器蹭到转子药盒，可以在打印体和光电传感器之间加入1mm厚的垫片。

       第四步：安装限位器

图6 限位器安装

       先将2颗M3和2颗M2螺母压入底座。然后将限位器用M3x6和M2x10的螺丝与底座固定。限位器前后位置可以微调。可以根据实际情况调节限位器的位置。

       第五步：安装电机和主动轮

图7 电机和主动轮安装

       先将电机插入盖板的方孔内。方孔比较小，需要一定的力才能顺利插入。然后将主动轮中部安装到电机轴，最后将主动轮外圈套在主动轮中部外。可以使用502或者PLA抛光液固定中部和外圈。

       第六步：将电池、语音合成模块装入控制箱。

图8 电池语音合成模块的安装

       第七步：将Arduino和扩展板装入控制箱，同时拧上固定螺丝。

图9 Arduino及扩展板的安装

       将Arduino及扩展板装入主板容纳盒中。用4颗M3x22的螺丝固定Arduino和主板容纳盒。

       第八步：固定语音合成模块。

图10 语音合成模块的固定

       用2颗M3x14的螺丝及2颗M3的螺母固定语音合成模块。

       第九步：连接药盒、控制箱两部分。

图11 连接药盒与控制箱

       在连接部分留有多个空位，用多颗M1.5x8的自攻螺丝固定药盒与控制箱两部分。

       第十步：安装转子药盒及盖板

图12 安装转子药盒及盖板

       将2颗M4x5单头六角铜柱插入转子药盒的上下端，然后将突出的螺柱插入底座和盖板的轴承中。使用M1.5x5和M1.5x8的自攻螺丝固定底座和盖板。

流程图：

图13 软件流程图

1、 文件结构

       由于智能药盒源码有一定复杂度，如果所有代码都发在info文件中不易维护。所以将某些功能模块放在单独的文件中。下图是智能药盒源码的结构文件：

图14 源码结构文件

gapchecker.cpp文件中实现了两个接口:

        InitChecker：初始化计数器，同时设置目标药格。

        IsTargetReached：当转动到目标药格，则返回true，否则返回false。

        motor.cpp文件中实现了四个接口：

        InitMotor：初始化电机模块，只运行一次

        StartMotor：电机正转

        ReverseMotor：电机反转

        StopMotor：电机停转

        zerobtn.cpp文件中实现了一个对外接口：

        IsZerobtnClicked：当限位按键被按下时返回true，否则返回false。

2、 代码逻辑

       智能药盒的逻辑代码涉及到多个状态间的切换有一定的复杂度，所以在loop()函数中实现了一个简单的状态机。该状态机主要包含如下状态：

       ZeroDevice：归零状态，让电机反转，直到接触到限位按键。

       WaitMedicineState：等待状态，当未达到吃药时间时，设备处于该状态。

       RotateBoxState：盒子转动状态，当到了吃药时间，设备会转动转子药盒。

       EndTip：结束提醒状态，当吃完所有的要，设备会提醒用户药已吃完。

       EndIdle：当以上所有状态都结束，设备会处于这个节电模式。

       每一种药都有一些特有的信息，比如药的名称、吃药的时间、每次要吃的量、所在的药格等等。因此源码中建立了一个结构体用于记录这些信息。

       由于用户可能不止吃一种药，因此用户需要吃的所有的药需要用一个数组来表示。

       本项目实施后，对于需要经常吃药的老年人有非常大的帮助，可以真正做到让老年人不漏吃，不错吃药。从而有效避免了因为错吃漏吃药引起的事故。同时小亮的关心也为老年人带去了温暖，有助于老人保持心情愉快，早日恢复健康。

       1、由于铜螺柱的直径要比小轴承的内径小，转子药盒的晃动幅度有点大。因此在铜螺柱和小轴承之间添加了1层塑料薄膜，来增加匹配度，减少晃动。

       2、建模时没有考虑到电机线会导致扩展板长度增加。因此正常的安装模式无法压入主板和扩展板。最后的解决方案是将D4、D5接线口的背后塑料部分去除，从后面接入电机线。

       3、主动轮和转子药盒之间的摩擦力问题。如果主动轮也采用PLA打印，则由于PLA之间的摩擦力较小，药盒转动不够顺畅。之后就采用TPU柔性材料打印主动轮。但由于TPU较软，容易变形而无法跟着电机转轴转动。最后的解决方案是，主动轮分成2部分，中间部分用于连接电机转轴，采用PLA打印的六边形。外部则采用柔性TPU材料打印，增加摩擦力。同时TPU采用20%的填充密度，进一步增加TPU的柔软性和摩擦力。最后用PLA抛光液固定PLA六边形和TPU外圈。

       4、光电传感器安装之后会蹭到转子药盒部分，所以添加量1mm的螺丝垫盘，解决了这个问题。

       下一版本智能药盒会加入更多的交互模式，加入语音识别功能和显示功能。方便老年人通过语音等方式录入需要的吃的药以及时间。