智能家用医药箱控制系统设计

引 言

随着经济的发展和科技水平的提高，人们的健康意识不断增强，目前家庭普遍都会储备家庭常用药。由于缺乏专业的指导，药物市场药品类别繁多，以及病理的复杂性和多样性，患者在自行判别疾病治疗时经常出现用药不当，服用过期药物等情况 [1]。而目前主流市场上出现的智能医药箱 [2] 功能单一，无法对患者进行有效的用药指导，同时由于价格昂贵以及所占空间过多，导致其未能在普通家庭中普及。

本文针对该现象设计一种智能家用医药箱控制系统。该设计采用了成本较低的树莓派和 STM32 控制器，融合录入语音交互技术以及图像识别技术，配合手机 APP 的控制，实现家用智能医药箱用药指导，以及药物储藏管理，保证用户的用药安全。同时本设计在外观上采用抽屉储藏方式，可合理对药品进行分区，避免药物之间的相互接触。在使用上给用户提供更加安全可靠且经济实惠的帮助。医药箱设计外观如图 1 所示。

1 系统总体结构

本文设计以树莓派作为主控部分，使用麦克风、摄像头和电容屏采集信息，通过互联网进行语音交互、图像识别等。同时，树莓派和 STM32 之间进行通信，传送数据。STM32 作为执行单元，是数据传输的桥梁和整个系统的中转站。麦克风和摄像头用于实现语音交互技术和图像识别技术。WiFi 模块采用 ESP8266[3] 将医药箱的数据上传和下载到云端服务器，用户手机的 APP 同样连接云端服务器，实现医药箱与手机的通信。显示器模块作为医药箱交互界面，完成人机交互功能以及对手机 APP 功能的补充。健康状况检测部分主要采用心率监测模块测量使用者的心率 [4]，并实时反馈数据。药箱储藏环境调节部分主要是针对医药箱的药品储藏环境进行温度调节，以及采用紫外消毒灯给医药箱杀菌消毒。温度检测模块用于检测医药箱内部温度。舵机模块 [5] 采用 MG996R 控制抽屉的开关。该系统结构如图 2 所示。

2 功能设计实现

2.1 药物环境监控调节功能设计

为了防止家庭常用药药物软化变形、潮解等问题 [6]，需要将其储存在 20 ～ 30 ℃。对此，本设计通过温度检测与调节来使医药箱内部维持在 20 ～ 30 ℃。温度检测模块采用DS18B20 对药箱储药环境温度进行实时检测。若系统检测到医药箱内的温度不适合药物储存，医药箱就会启动温度调节模块对药箱温度进行控制，使医药箱温度保持在合理范围内。同时也会启动紫外线消毒灯对药箱内药品由于自然分解产生的气体进行处理。此外，本次设计还可以通过手机 APP 对药箱环境的温度以及气体环境进行调节 [7]。

2.2 用药指导功能设计

本设计的用药指导功能采用语音交互技术 [8]，包括语音唤醒 [9]、语音识别 [10]、数据处理、语音合成等技术。用户通过麦克风用语音与药箱进行交互，了解药物的用法、用量等， 实现医药箱的用药指导功能。

(1) 语音唤醒 ：该技术使用的是 Snowboy，KITT.AI开发的人工智能软件工具包，用户想了解药品或者用药时，通过麦克风说出关键字，药箱即可被唤醒，药箱唤醒后，可以询问用什么药、如何用药等。

(2) 语音识别 ：该技术是将语音转化为文字，使用的是百度 AI 开放平台提供的语音服务技术。

(3) 数据处理 ：该技术是将语音识别到的文字传送给北京光年无限科技旗下的个性化人工智能机器人开放平台，通过图灵机器人开放平台，可以实现普通的聊天，可以咨询任何问题，还可以录入购买的药品信息以备下次使用。

(4) 语音合成 ：该技术使用的是百度 AI开放平台提供的语音服务技术，将处理好的数据转化为流畅自然的语音， 并且可以根据用户的需要调整语速、音调、音量等。

2.3 药物分类功能设计

药物分类功能主要采用图像识别技术，将拍摄的照片的文字提取出来。本设计使用的是百度 AI 开放平台提供的图片识别服务技术 [11]。

摄像头拍照获取照片后，树莓派会自动将照片上传到百度 AI 开放平台，通过百度 AI 开放平台的图片识别技术将所有文字提取出来，再通过 Python 的正则表达式进行关键字提取，以获得需要的信息。

3 软件设计

医药箱的交互框架如图 3所示。其主要是由手机 APP以及医药箱自带的显示器来进行交互，在不同使用环境下用户 可以选择不同的交互方式。用户可以通过 WiFi让自己的手机和医药箱进行通信，进入 APP，对医药箱进行对应的操作 ； 同时也可以使用医药箱上的显示器，通过显示器上的按键对 医药箱下达相应的指令。

3.1 手机 APP设计

手机 APP 使用 ESP8266 WiFi 模块结合 TCP 应用进行二次开发，以云服务器和 WiFi 模块为中枢进行数据的发送和接收，可读取医药箱信息和控制医药箱的紫外线消毒，开关药箱和心率检测以及箱内温度的读取等。其界面如图 4 所示。

1. 手机 APP可对药箱进行交互操作。当点击心率检测按钮时，用户可以开始测量心率，检测完毕便可在界面看到测量的心率值。同时可以通过手机 APP界面上的按钮选择开启需要的药箱，箱内的温度调节也可通过手机 APP进行调控。

2. 手机 APP可以实时显示即将过期的药品确保用户的用药安全。同时，药箱的使用会将每一次用药记录发送到手机 APP，用户可以实时了解自己的用药情况。

3.2 显示器界面设计

显示器作为医药箱上的操作面板，采用 Python Tkinter 进行制作，是使用者与医药箱进行交互的一个平台。其界面如图 5 所示。

图 5 显示器界面

(1) 用户可以点击显示器的拍照功能进行图像识别提取药物包装盒上的名称、功能、有效期等信息并实时显示在文本框内。

(2) 用户可以通过交互界面查找自己的用药记录以及心率监测记录，方便用户了解自身身体状况，进行合理用药。

(3) 用户可以通过显示器的交互界面了解当前药物储藏环境，并可通过消毒按键调节药箱储药环境。

4 结 语

随着社会的进步与生产力的提高，人们越来越注重身体健康，应用于医疗保健的物联网技术也在迅速发展。本文设计的智能医药箱通过环境监测、语音识别和图像处理技术实现药物管理，引导正确用药功能，降低用户用药风险。最大程度地解决了日常家庭常出现的用错药、无定期用药、用药过量等问题。与市面其他智能药箱对比，本设计具有成本低、