引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技水平的提高，人們的健康意識(shí)不斷增強(qiáng)，目前家庭普遍都會(huì)儲(chǔ)備家庭常用藥。由于缺乏專(zhuān)業(yè)的指導(dǎo)，藥物市場(chǎng)藥品類(lèi)別繁多，以及病理的復(fù)雜性和多樣性，患者在自行判別疾病治療時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)用藥不當(dāng)，服用過(guò)期藥物等情況 [1]。而目前主流市場(chǎng)上出現(xiàn)的智能醫(yī)藥箱 [2] 功能單一，無(wú)法對(duì)患者進(jìn)行有效的用藥指導(dǎo)，同時(shí)由于價(jià)格昂貴以及所占空間過(guò)多，導(dǎo)致其未能在普通家庭中普及。

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

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)以樹(shù)莓派作為主控部分，使用麥克風(fēng)、攝像頭和電容屏采集信息，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行語(yǔ)音交互、圖像識(shí)別等。同時(shí)，樹(shù)莓派和 STM32 之間進(jìn)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€(gè)系統(tǒng)的中轉(zhuǎn)站。麥克風(fēng)和攝像頭用于實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音交互技術(shù)和圖像識(shí)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(hù)手機(jī)的 APP 同樣連接云端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)醫(yī)藥箱與手機(jī)的通信。顯示器模塊作為醫(yī)藥箱交互界面，完成人機(jī)交互功能以及對(duì)手機(jī) APP 功能的補(bǔ)充。健康狀況檢測(cè)部分主要采用心率監(jiān)測(cè)模塊測(cè)量使用者的心率 [4]，并實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)。藥箱儲(chǔ)藏環(huán)境調(diào)節(jié)部分主要是針對(duì)醫(yī)藥箱的藥品儲(chǔ)藏環(huán)境進(jìn)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(cè)模塊用于檢測(cè)醫(yī)藥箱內(nèi)部溫度。舵機(jī)模塊 [5] 采用 MG996R 控制抽屜的開(kāi)關(guān)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

2 功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

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

為了防止家庭常用藥藥物軟化變形、潮解等問(wèn)題 [6]，需要將其儲(chǔ)存在 20 ～ 30 ℃。對(duì)此，本設(shè)計(jì)通過(guò)溫度檢測(cè)與調(diào)節(jié)來(lái)使醫(yī)藥箱內(nèi)部維持在 20 ～ 30 ℃。溫度檢測(cè)模塊采用DS18B20 對(duì)藥箱儲(chǔ)藥環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。若系統(tǒng)檢測(cè)到醫(yī)藥箱內(nèi)的溫度不適合藥物儲(chǔ)存，醫(yī)藥箱就會(huì)啟動(dòng)溫度調(diào)節(jié)模塊對(duì)藥箱溫度進(jìn)行控制，使醫(yī)藥箱溫度保持在合理范圍內(nèi)。同時(shí)也會(huì)啟動(dòng)紫外線消毒燈對(duì)藥箱內(nèi)藥品由于自然分解產(chǎn)生的氣體進(jìn)行處理。此外，本次設(shè)計(jì)還可以通過(guò)手機(jī) APP 對(duì)藥箱環(huán)境的溫度以及氣體環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié) [7]。

2.2 用藥指導(dǎo)功能設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的用藥指導(dǎo)功能采用語(yǔ)音交互技術(shù) [8]，包括語(yǔ)音喚醒 [9]、語(yǔ)音識(shí)別 [10]、數(shù)據(jù)處理、語(yǔ)音合成等技術(shù)。用戶(hù)通過(guò)麥克風(fēng)用語(yǔ)音與藥箱進(jìn)行交互，了解藥物的用法、用量等， 實(shí)現(xiàn)醫(yī)藥箱的用藥指導(dǎo)功能。

(1) 語(yǔ)音喚醒 ：該技術(shù)使用的是 Snowboy，KITT.AI開(kāi)發(fā)的人工智能軟件工具包，用戶(hù)想了解藥品或者用藥時(shí)，通過(guò)麥克風(fēng)說(shuō)出關(guān)鍵字，藥箱即可被喚醒，藥箱喚醒后，可以詢(xún)問(wèn)用什么藥、如何用藥等。

(2) 語(yǔ)音識(shí)別 ：該技術(shù)是將語(yǔ)音轉(zhuǎn)化為文字，使用的是百度 AI 開(kāi)放平臺(tái)提供的語(yǔ)音服務(wù)技術(shù)。

(3) 數(shù)據(jù)處理 ：該技術(shù)是將語(yǔ)音識(shí)別到的文字傳送給北京光年無(wú)限科技旗下的個(gè)性化人工智能機(jī)器人開(kāi)放平臺(tái)，通過(guò)圖靈機(jī)器人開(kāi)放平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)普通的聊天，可以咨詢(xún)?nèi)魏螁?wèn)題，還可以錄入購(gòu)買(mǎi)的藥品信息以備下次使用。

(4) 語(yǔ)音合成 ：該技術(shù)使用的是百度 AI開(kāi)放平臺(tái)提供的語(yǔ)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(yǔ)音， 并且可以根據(jù)用戶(hù)的需要調(diào)整語(yǔ)速、音調(diào)、音量等。

2.3 藥物分類(lèi)功能設(shè)計(jì)

藥物分類(lèi)功能主要采用圖像識(shí)別技術(shù)，將拍攝的照片的文字提取出來(lái)。本設(shè)計(jì)使用的是百度 AI 開(kāi)放平臺(tái)提供的圖片識(shí)別服務(wù)技術(shù) [11]。

攝像頭拍照獲取照片后，樹(shù)莓派會(huì)自動(dòng)將照片上傳到百度 AI 開(kāi)放平臺(tái)，通過(guò)百度 AI 開(kāi)放平臺(tái)的圖片識(shí)別技術(shù)將所有文字提取出來(lái)，再通過(guò) Python 的正則表達(dá)式進(jìn)行關(guān)鍵字提取，以獲得需要的信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

醫(yī)藥箱的交互框架如圖 3所示。其主要是由手機(jī) APP以及醫(yī)藥箱自帶的顯示器來(lái)進(jìn)行交互，在不同使用環(huán)境下用戶(hù) 可以選擇不同的交互方式。用戶(hù)可以通過(guò) WiFi讓自己的手機(jī)和醫(yī)藥箱進(jìn)行通信，進(jìn)入 APP，對(duì)醫(yī)藥箱進(jìn)行對(duì)應(yīng)的操作 ； 同時(shí)也可以使用醫(yī)藥箱上的顯示器，通過(guò)顯示器上的按鍵對(duì) 醫(yī)藥箱下達(dá)相應(yīng)的指令。

3.1 手機(jī) APP設(shè)計(jì)

手機(jī) APP 使用 ESP8266 WiFi 模塊結(jié)合 TCP 應(yīng)用進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，以云服務(wù)器和 WiFi 模塊為中樞進(jìn)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(kāi)關(guān)藥箱和心率檢測(cè)以及箱內(nèi)溫度的讀取等。其界面如圖 4 所示。

1. 手機(jī) APP可對(duì)藥箱進(jìn)行交互操作。當(dāng)點(diǎn)擊心率檢測(cè)按鈕時(shí)，用戶(hù)可以開(kāi)始測(cè)量心率，檢測(cè)完畢便可在界面看到測(cè)量的心率值。同時(shí)可以通過(guò)手機(jī) APP界面上的按鈕選擇開(kāi)啟需要的藥箱，箱內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)也可通過(guò)手機(jī) APP進(jìn)行調(diào)控。

2. 手機(jī) APP可以實(shí)時(shí)顯示即將過(guò)期的藥品確保用戶(hù)的用藥安全。同時(shí)，藥箱的使用會(huì)將每一次用藥記錄發(fā)送到手機(jī) APP，用戶(hù)可以實(shí)時(shí)了解自己的用藥情況。

3.2 顯示器界面設(shè)計(jì)

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

圖 5 顯示器界面

(1) 用戶(hù)可以點(diǎn)擊顯示器的拍照功能進(jìn)行圖像識(shí)別提取藥物包裝盒上的名稱(chēng)、功能、有效期等信息并實(shí)時(shí)顯示在文本框內(nèi)。

(2) 用戶(hù)可以通過(guò)交互界面查找自己的用藥記錄以及心率監(jiān)測(cè)記錄，方便用戶(hù)了解自身身體狀況，進(jìn)行合理用藥。

(3) 用戶(hù)可以通過(guò)顯示器的交互界面了解當(dāng)前藥物儲(chǔ)藏環(huán)境，并可通過(guò)消毒按鍵調(diào)節(jié)藥箱儲(chǔ)藥環(huán)境。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著社會(huì)的進(jìn)步與生產(chǎn)力的提高，人們?cè)絹?lái)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(jì)的智能醫(yī)藥箱通過(guò)環(huán)境監(jiān)測(cè)、語(yǔ)音識(shí)別和圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)藥物管理，引導(dǎo)正確用藥功能，降低用戶(hù)用藥風(fēng)險(xiǎn)。最大程度地解決了日常家庭常出現(xiàn)的用錯(cuò)藥、無(wú)定期用藥、用藥過(guò)量等問(wèn)題。與市面其他智能藥箱對(duì)比，本設(shè)計(jì)具有成本低、