家庭化智能安全用药提醒装置的概念设计

李辉 福建医科大学附属第一医院设备与医用材料管理处 （福建 福州 350004）

内容提要： 文章概念设计了一种家庭化的智能装置，可以提醒老年人按时吃药，并与其他亲属绑定。该装置充分考虑受众需求和人文关怀，为新时代的医疗保障提供了智能化的新型思路。

随着我国人口老龄化趋势，以及慢性疾病患者数量的增长，家庭用药安全直接影响患者的治疗效果。尤其是老年人，身体功能逐渐衰退，患病率大幅升高，往往需要长期用药，而与此同时老年人的记忆力也日渐衰退，常常忘记按时服药[1,2]。基于此，本装置针对老年群体特点，结合老年群体需求，实现定时、定量提醒老人吃药，并设置药柜消毒、服药记录、未服药通知、药品过期通知等功能，并可多用户同时使用，具有操作简单、快捷实用、安全卫生等特点[3,4]。

1.设计目标

通过本装置，达到提醒用户按时、按量服药的目标，充分考虑老人和其他家人的需求。提示数字明显易读，提示音清晰明朗，操作简单便捷，以人性化服务保障安全用药，督促用户正常作息。设计目标见图1。

图1.家庭化智能安全用药提醒装置的设计构思示意图

2.报告概述

本报告对“家庭化智能安全用药提醒装置”（主要面向家中老人）的各项需求进行了概念设计，提出了相应的技术实现方法和手段，为进一步的技术设计提供指导。

3.技术实现方案

3.1 针对定时提示的功能

装置需要在特定时间进行提醒，获取时间的方法有3种：①利用单片机内部晶振进行定时。单片机内部置有晶振，通过编写程序，实现数字时钟的功能。优点：无需外部元件。缺点：需要通过键盘等手动设置时间，且单片机为单线执行，计时过程占用单片机资源，在执行其他较复杂功能时，计时可能出现偏差。②利用时钟芯片获取时间。集成的时钟芯片能够显示出年、月、日、星期、时、分、秒7个基本时间单位。优点：接口简单、成本低、使用方便。缺点：属于外部接入芯片，增加电路复杂度。③通过WiFi获取网络时间。通过WiFi模块从NTP server获取网络时间。优点：时间精准，出现误差的概率较小。缺点：需要网络[5]。

综合考虑，本项目采取时钟芯片与WiFi模块相结合的方法，以时钟芯片进行定时，每天在闲时（比如：深夜）通过WiFi模块对时间进行校准，实现精准定时。

3.2 针对定量提示的功能

本装置需要对服药的数量进行提示，有以下3种方法：①语音提示。通过语音播报提示各种药品的服药数量。优点：直接表述、易于理解。缺点：听力不好的老人可能难以获取信息；服药种类多时，语音太长，难以在长时间内保持注意力高度集中。②LCD显示。在LCD上显示各药品的服药数量。优点：可反复阅读，显示清晰。缺点：成本高，阅读时间长。③数码管显示。在各个隔间外部放置数码管，显示该隔间药品需服的数量。优点：成本低，显示直观，易于理解。缺点：需要多组数码管实现各个隔间的提示[6]。

综上分析，本装置采取在各个隔间上放置数码管显示该隔间药品应服数量，以实现定量提醒用户服药的功能。

3.3 针对可提前取药的功能

在外出时，需要提前取出药品。解决方案：①App操作；②按键。给出指令后提醒下一次应服药的时间、各药品的数量。本装置结合以上2种方法，方便用户操作。

3.4 针对提醒的功能以及音量大、提示清晰的性能

检测到达特定时间后通过特定方式提醒用户服药，有以下方法：①蜂鸣器提醒。优点：成本低。缺点：声音单一尖锐，易引起反感。②扬声器播放语音。优点：可根据情境播放不同语音，具有多样性；更加人性化。缺点：实现较为复杂。③LED提示灯。到达特定时间后，需要服药的隔间LED提示灯更换颜色（例如：黄色），并同步闪烁，判断已服药后，LED停止闪烁，并更换颜色（例如：绿色）。优点：视觉刺激，提示明显。缺点：实现较为复杂。

综上，本装置采用扬声器和LED相结合的方式，通过语音和提示灯提示用户服药[7]。

3.5 针对检测是否服药的功能

检测到用户已经服药后，停止语音提示，切换LED提示模式，并记录服药时间。有以下2种实现方案：①重量检测。服药后隔间的药品重量降低，通过重量判断是否服药。优点：准确。缺点：不同药品的单位重量不同，对每个隔间的压力进行实时监控，算法复杂度高。②检测隔间开合。当隔间被拉开后合上则认为，该药品已被服用。优点：原理简单，算法简单。缺点：拉开抽屉未必服用了药物，存在操作性问题[8]。

具体的实现方法有如下几种：光电传感器检测光强变化判断隔间开合；压力传感器判断隔间开合；通过红外发射管以及红外传感器检测抽屉开合。其中，光电传感器的检测原理最简单，算法简单，无需额外的光源，位置较为自由，但在无光条件下，将无法工作；而压力传感器算法较为复杂，容易误判断；红外检测原理复杂，算法复杂。

综上，无光操作环境发生概率较低，本装置采用光电传感器实现用户是否服药的判断。

3.6 针对药柜消毒功能

非接触式消毒目前有两种方法，如下：①紫外消毒。紫外线消毒是通过抑制各种病原体、病菌、真菌的DNA复制，从内部进行破坏，从而让有害物质致死。优点：无臭无味；缺点：穿透性差。②臭氧消毒。臭氧具有很强的氧化作用，通过氧化细菌内部的酶，破坏其新陈代谢最终导致死亡。优点：弥散整个空间，无死角，消毒能力强。缺点：会产生浓重的臭氧味道，装置需要很高的密闭性。

综上，本装置采用紫外进行消毒，针对其穿透性差的缺点，装置内的隔间后部可采用透明式或架空设计，使得紫外线对药柜充分消毒。

3.7 针对装置与手机客户端的通讯设计

本装置能够通过手机App进行设置，因而需要在手机端与硬件设备端进行通讯，主要通讯手段有2种：①蓝牙通讯。优点：低成本，低功耗。缺点：通信距离短，通讯速度慢。②WiFi通讯。优点：通讯距离长，速度快，连接WiFi后可通过服务器进行远程通讯。缺点：成本高，功耗大，需要单独网卡，需要路由器或接入点设备[9]。

综上，为实现装置与手机端（家人）的远程控制和通讯，本装置采用WiFi模块。

3.8 针对设定需服药品、频率/时间、服药记录查询、未服药提醒、药品过期提醒等功能

通过软件设计实现，设计面向Android用户和IOS用户的App。

3.9 针对提示字大、对比明显、按键简单舒适、指示清晰、外观简洁舒适、App操作简单等性能，药盒卡住的风险

属于工程设计问题，在产品外观设计和软件界面设计时充分考虑这些因素。

3.10 针对触电、药品受潮污染、紫外辐射的风险

装置采用绝缘、隔水性好、防辐射的材料进行设计。

3.11 针对无卫生死角的性能、用户磕碰受伤的风险

放置药品的隔间和装置外均采用圆角设计。

3.12 针对网络连接稳定的性能、喇叭、LED故障的风险

采用质量高的通讯模块、扬声器、LED，做好售后服务，可在App上一键报修。

3.13 针对网络连接失败的风险

算法实现，无需另加芯片。设置单独的信号灯提示网络连接情况，并在App内反馈提醒与药盒的实时连接情况。

3.14 针对App与药盒配对错误的风险

增加自测功能，App和设备联合测试并修正配对情况。例如：编写程序，使得App端控制设备顺序显示隔间信号灯，以及隔间上的数码管显示特定数字，观察App与设备配对是否正确。

3.15 针对法律法规

设计时严格按照法律法规执行。

4.系统构成及工作过程

4.1 系统结构

本装置包括：由绝缘、防辐射、防水、食品级材料构成的外壳和隔间，中央处理器（Central Processing Unit，CPU），时钟芯片，WiFi，扬声器，彩色LED灯，数码管，光电传感器，紫外杀菌灯管，“电源”键和“提前取药”按键，电源，以及与装置相对应的Android和IOS的App等。原理框图见图2[10]。

图2.家庭化智能安全用药提醒装置的原理框图

4.2 系统工作过程

整个系统采用220V交流电源供电，以CPU为主体，基于WiFi无线传输功能，实现App终端设置，机体按键辅助操作，控制LED、扬声器等器件，以实现提醒用户按时定量服药的功能，具体工作过程见图3。

图3.家庭化智能安全用药提醒装置的系统工作过程图

5.系统操作

电源供电：220V交流供电。接通电源后，打开机体上电源键，机体上所有灯光闪烁两次，代表启动成功。

配对设置：家用WiFi与机体配对后（此操作只需要在初次使用时完成即可），打开手机客户端App，设置不同置药隔间的各项信息，包括：存放药品名称，生产日期和保质期。建立服用人姓名或代号，确定该人所服药品、服用时间以及服用数量。设置完成后，机体灯光将闪烁三次，以表示设置成功。

定时播报：系统时间到达设定的时间后，系统将调用语音包，提醒用户（设定的名字或代号）服药。与此同时，对应隔间的LED灯开启并闪烁，盒外数码管显示大字号的一个数字，代表服药数量。服药完成后，手动推回隔间，LED灯变换颜色（例如：绿色），当所有隔间都服药完成后LED灯熄灭[11]。

应急机制：每次播报次数为3次，3次过后，若没有完成服药，将间隔5min再次提醒，若30min后依然没有完成全部服药，系统将发送信息于手机客户端上，提醒家人查看。此外，若机体与网络断开连接，系统在保持最新设定的前提下，会发送信息于手机客户端予以提醒。

用户和家人的主要操作流程见图4、图5。

图4.家庭化智能安全用药提醒装置的主要操作流程䯒管理用户端/家人端䯓

图5.家庭化智能安全用药提醒装置的主要操作流程䯒服药用户端/老人端䯓

其他情况：①多名用户同时服药：语音提示包含称呼，装置上显示现在的用户名称。前1人服药完成后，才进行下一个人的提醒工作。在“提前取药”模式下，需先选择取药的用户；②用户未服药：0.5h内未服药则停止语音提醒，发相应提示信息给绑定设备；③用户要长时间出门：按“提前取药”键即可语音提示服药时间，显示取药量，并取消下一次提醒；④对药柜消毒：按下“消毒”键，即可对药柜进行消毒；⑤家人查询服药记录：在App内查阅服药时间、种类记录[12]。

6.报告总结

本报告对“家庭化智能安全用药提醒装置”的功能、性能和风险等因素提出了相应的解决方案，建立了系统框架，明确了系统工作流程和操作步骤，为下一步的技术实现提供了指导。以面向家中老人的需求为例，给予了相关装置设计上的人文关怀与科研思路。