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摘  要：智能辅助医疗设备在人类医疗保健领域发挥着越来越重要的作用，它为老年病患提供了许多具有不同功能的智能设备。因此，为了使这类患者病情得到有效控制和治疗，本研究提出了一种智能医疗药箱。值得注意的是，语音识别系统和无线控制功能已经智能地集成在所提出的医疗药箱系统中，以取代行动不便的老年人使用的传统辅助工具。这些功能将使所提出的系统更加用户友好、方便和舒适。语音识别系统已经与超声波传感器和光检测技术一起用于系统在药品数量检测以及配药功能中。这些传感器智能地检测药品现存数量和配药种类，然后采取相应的必要行动。

关键词：智能医疗；老年人患者；医疗保健；超声波传感器

0 引言

近年来，智能医疗设备的作用得到了发展，作为辅助和通用的设计技术，它使老年病患能够更加便利地生活同事提高治疗效果。越来越多的学者在医疗陪护设备的智能化研究中取得进展。智能药箱对用户来说变得更高效、更便利、维护成本更低。它在控制、交互、联动、储药等方面为人们提供了更多的帮助。相比之下，普通药箱受到使用者身体状况的限制，并不能很好的帮助患者按时按量服用药物。此外，对于上肢受伤或者手部骨折的患者来说，按键控制效率低下[1]。一些患有四肢瘫痪、多发性硬化症和脑瘫的患者不能自主活动，在陪护人缺少的情况下需要有无接触的控制方式来帮助其完成服药的过程[2-3]。为了为解决此类患者的需求，并获得智能药箱的最大效益，采用了语音识别系统来控制智能药箱的一些功能[4]。

智能药箱是为用户能够按照医嘱合理有效的进行治疗而设计的，这减少了用户忘记服药或者没有自主行动能力等原因带来的治疗效果的降低。智能药箱和其他医疗辅助设备一样在近两年受到了越来越多的关注。当患者需要一些智能化的陪护需求时，这些设备能够起到很大的帮助。

以前，智能药箱对于那些瘫痪患者和大部分时间躺在床上的患者来说没有足够便捷的交互方式。在这项研究中，人类的声音被识别为控制智能药箱动作的命令，声音提供了一个简单的界面，方便患者进行无接触式的操作。本次研究中的智能药箱还配备了药物数量监测系统，减少了没有及时购买药品带来的困扰，另外，本文还对智能药箱的控制系统进行了设计，使系统具有可靠性，对硬件电路和程序进行了调试和验证。经过验证，对于同一人，语音智能药箱的识别率是足够患者使用的，即使在嘈杂的环境中，它也能完美地工作。

1 研究方法和技术路线

智能药箱的目的是提供一些灵活性和帮助，这将极大地帮助活动不便的人群。智能药箱由一个主控制器单元组成，该主控制器单元允许用户以按键或语音命令的形式提供输入。控制器单元然后合成该命令并采取所需的动作。这项工作的总体方法如图1所示。该流程图解释了如何通过有线和无线通信控制智能药箱的功能。方框图中的电机1和电机2主要实现配药及取药功能。

在软件部分，visual studio的内置库用于用户的语音识别。Visual Studio中设计了一个图形用户界面（GUI），为用户提供智能药箱基本功能的视觉交互。目前，实现了在电脑中控制智能药箱工作基本功能，但在未来的项目计划中，将开发一个android应用程序，以方便聋哑人士使用。硬件实现的主要工作是通过有线和无线通信驱动电机的完成相应动作。无线通信的优点是提供了一个远程控制的功能，方便其他人（远程家属）控制智能药箱的动作。特别是，这种智能药箱的无线控制有助于聋哑或不会说话的患者。语音传感器没有针对特定的人进行训练——事实上，它们可以识别在控制器中调试的任何类似的语音。

同时，为了控制智能药箱的动作，智能药箱的机械设计至关重要。药箱内部的取药机构基于电机驱动其他功能由主控制器发出动作指令，包括远程提醒家属、患者身体指标的信息传输，医嘱信息的及时更新等。电机驱动流程图如图2所示。它表明串行通信用于控制或接收来自嵌入式微处理器的数据。MAX232 IC用作双发射机和双接收机，用于转换RX、TX、CTS和RTS信号。该IC用于通信系统（RS232），用于转换TTL设备上的电压电平与PC串行端口和微控制器89c51接口。

2 配药机构的设计

配药机构的组成如图3所示，关键部件有储药仓1、分药盘3、配药电机8、、落药口5，计数器4，取药盒6，出药电机7，配药时配药电机驱动分药盘左移，储药仓中的药粒落入分药盘，落药完毕后电机8反转，将药粒送到落药口，药粒下落，计数器计数，不满足药粒需求则再次配药，配药完成后出药电机驱动出药盒右移，方便用户取药。

该模块根据从控制器接收的指令采取动作，该控制器根据语音信号发送控制命令。在该机械电路中，数据通过虚拟终端串行传输。

3 硬件电路的设计

3.1 电机驱动电路的实现

为了实现智能药箱的控制，设计了一个控制电路来完成主控芯片、驱动电路、通信电路等主要功能。通过PCB板的设计实现了以上功能，其电路连接原理图如下：

本论文中通过H桥来实现对两个直流电机的控制作用，可以控制其正向或者反向运行。将其与微控制器（如Atmel、PIC或Arduino）一起使用，以控制电机[5]。图5表示用于控制智能药箱电机的H桥电路。当它可以控制两个电机正反转时，就很容易制造出一个简单的取药配药机构。

直流电机向后或向前旋转，这取决于如何将正极和负极端子连接到电源。如果H桥闭合开关Q1和Q4，则其正连接到电动机的左侧，负连接到另一侧。电机将开始向一个方向旋转。由于晶体管可以是一个开关，它将能够通过打开和关闭电路中的四个晶体管使电机向任何方向旋转。通常，使用低电压降晶体管，如MOSFET，然后二极管、电阻器或继电器也可以与这些晶体管一起使用，以获得更好的保护。

然后在软件中设计H桥电路，并随后在PCB板上进行设计，以在控制电路上实现，如图7所示，其中使用2个P沟道和2个N沟道MOSFET，分别表示Q1、Q2和Q3、Q4。在H桥电路中使用2个P通道和2个N通道而不是4个N通道，因为它提供了更好的控制（低功率损耗）并提高了速度。

在光耦合器的输入侧，在一个引脚处从电压源提供5V，在第二引脚处从微控制器提供0V，微控制器致动MOSFET的栅极端子。在这里，光耦合器还提供防止反电动势的电隔离。这样就可以避免微控制器的烧坏。因此，当脉冲施加到Q1和Q4的栅极时，电机沿顺时针方向旋转，当脉冲施加到Q2和Q3的栅极后，电机沿逆时针方向旋转。通过这种方式，可以控制电动机的方向。对于电机的速度控制，本文采用PWM（pulse Width Modulation，脉宽调制）进行控制，全部是在微控制器中进行编程。智能药箱取药配药时保持三种速度模式（低速、中速、高速），这提供了低速到全速的运动，为最终用户提供了一些方便。

药品计数由超声波传感器来实现，超声波传感器工作如图6所示。该模块由超声波发射器、接收器和控制单元组成。只要向电路提供12V电压，超声波传感器就会产生并传输。同时，这些波会从障碍物（药粒）反射回来。微控制器通过反馈的信号来确定药品的下落数量，从而控制配药取药机构动作。

3.2 无线串行数据通信

无线串行数据通信是实现远程控制智能药箱的基础。这使得智能药箱在需要进行远程看护时，其他人可以远距离控制患者智能药箱的相应动作。无线系统的设计有两个限制：（1）必须在一定距离内操作；（2）传输一定量的信息。对于串行数据通信板无线，本研究工作使用RF（射频）发射器和接收器，因为根据尺寸，其尺寸非常小。工作电压范围和相应的频率范围分别为3V至12V和3kHz至300GHz。与许多原因相比，它的传输具有比红外更好的质量，即：

当发射器和接收器之间存在障碍物时，信号可以远距离传播。

它使用特定频率进行通信，而IR信号受到其他发射源的影响

串行数据由RF发射器接收，并通过与其连接的天线无线传输数据。在RF模块中，传输速率为1Kbps至10Kbps，两者（发射器和接收器）的频率相同。如图5所示的框图说明了如何传输无线数据。由于RF发射器需要12V才能正常工作，这可能会损坏微控制器电路，因此有必要在RF发射器和微控制器电路之间使用光耦来为微控制器电路提供保护。

当根据语音命令发送字符时，RF发射机中的PT 2262 IC将四位数据编码为一位，并向空中发送。在接收器侧，PT 2272 IC将这一位数据解码为四位，然后将其发送到微控制器以根据所需操作控制电机。为了显示运行操作的目的，七段显示器也与系统接口。

当根据语音命令发送字符时，RF发射机中的PT 2262 IC将四位数据编码为一位，并向空中发送。在接收器侧，PT 2272 IC将这一位数据解码为四位，然后将其发送到微控制器以根据所需操作控制电机。为了显示运行操作的目的，七段显示器也与系统接口。

4 结论

本文介绍了一种智能医疗辅助药箱，该药箱可以通过语音来实现配药取药的功能。本研究中的特定命令的语音识别系统也已成功实现，可以控制系统的动作。该智能系统可为老人或者行动不便的用户提供便捷的服药帮助。语音命令提供了一个简单的操作方式，因为它是一种识别特定用户的语音控制，所以即使用户周围有嘈杂的环境，也能通过适当的输入进行工作。无线通信由RF发射器-接收器完成，这使得在其他地方的陪护人员能够控制智能药箱的动作做。通过使用该系统，用户可以以智能的方式提高其服药依从性从而提高用户的治疗效果，实现智能医疗系统的目标。

参考文献：

[1]辛凯，李普，张震.基于增强型51单片机的智能药箱的设计[J].山西电子技术， 2014（2）：3.DOI：10.3969/j.issn.1674-4578.2014.02.016.

[2]汪岩佳，徐佳音，魏东辉."吃药小助手"多功能智能药箱[J].民营科技， 2017（2）：1.DOI：10.3969/j.issn.1673-4033.2017.02.065.

[3]董志刚，张伟锋.适于家庭用药管理的智能药箱系统：CN 201220038235[P][2024-05-21].

[4]黄奕秋，周成，唐启承，et al.智能家用医药箱控制系统设计[J].物联网技术， 2019， 009（007）：95-96，100.

[5]夏建芳，赵世富.虚拟仪器与单片机串口通信的实现[J].机械工程与自动化， 2006， 000（002）：136-137，142.

地址：兰州市七里河区晏家坪三村200号甘肃建筑职业技术学院13391658029

作者简介：俞晓阳（1992—），男，甘肃兰州人，研究生学历，助教，研究方向：电子信息

基金项目：甘肃省大学生创新创业训练计划项目（项目编号：125112023006）