王粤龙，项 阳，沙 玲，马骥驰

（上海工程技术大学，上海 201600）

0 引 言

国家统计局统计数据显示，到2018年末，全国总人口为139 538万人，是建国初期54 167万人的2.58倍。其中，我国老年人口的比重快速上升，2018年全国65岁以上人口达16 658万人，占全国总人口的比重为11.94%。根据国际标准：“当一个国家或地区60岁以上老年人口占人口总数的10%，或65岁以上老年人口占人口总数的7%，即意味着这个国家或地区的人口处于老龄化社会”。由此可见，我国目前已进入老龄化社会。同时，由于农村劳动力大量转移，农村的老龄化程度尤为突出。统计年鉴数据表明，2018年，我国人口出生率是建国以来的最低水平，出生人口减少和老龄化日趋严重的问题再次受到广泛关注。老年人缺乏对药物的认知，无规律的服药往往适得其反，对老年人的身体造成了更大危害。老年人往往并不只患一种慢性病，随着身体抵抗力的下降，冠心病、高血压等问题接踵而至，而大部分慢性病用药繁多，大多数患者用药达到5种以上。该药盒操作简单，通过该药盒的拿药、取药操作，可定时提醒老年人吃药并及时向监护人反馈信息[1-3]。

1 智能药盒设计

1.1 功能设计

便携式小药盒造型简单，容量小，不能满足人们的需求，于是，随即又发展出了大容量且功能齐全的药盒。药盒功能逐渐更新完善，造型多样、设计新颖的人性化智能药盒具有易操作、可定时等优点，为更多人带来了便利。此举也拓展了电子药盒的消费对象，扩大了消费群体，提升了电子药盒的使用价值。之前，大多数电子药盒的电路通常由分立的数字电器件组成，功能单一，重量和体积都比较大，尤其功耗大，提高了使用成本，具有很大的局限性，所以轻量级便携式智能药盒成为新的需要。

设计这款智能轻型药盒，重要的是缩小药盒体积，降低药盒重量以方便携带，同时保证药物的容纳。功能如下：

（1）具备传统智能药盒的基本功能，即自动取药、装药，更加人性化，操作便捷，对老年人等更加友好；

（2）定时设置取药时间，到点自动弹出药物，并发出警报提醒老人服药；

（3）创新性加入物联网功能，通过在网页端对该药盒甚至多个药盒实现共同管理。

1.2 结构设计

智能小药盒在外观设计上首先应考虑到药物的用量、用药种类和人们日常生活习惯等，将药盒设计为圆筒状，圆筒内分为6个药仓层，由盒内设置的驱动结构和旋转结构相互配合，将指定药仓推送出来。市面上的智能药盒体积一般比较大，不方便携带，本药盒尽最大可能利用盒内空间，将药盒体积缩小的同时，保证储存药物尽可能多。圆筒状结构可使得药盒轻松放在旅行背包侧袋，方便外出携带[4]。

传统药盒一层药仓平台就需要一个电机来驱动，这不仅大大增加了药盒的重量和体积，不方便携带，更使得药盒的功耗增加，浪费资源。我们创新性设计了一种方案，仅需3个驱动电机，便可控制取出所有药层的药仓，缩小了药盒的体积，减轻了药盒的重量[5]。

药盒外观如图1所示。药盒底部承台的功能是搭载旋转机构、升降机构的驱动电机。底部承台盖在底部承台上，搭载中心轴，将外壳分为上下外壳，方便对药盒装配调试时易拆卸。

图1 药盒外观

图2为药盒内部机械图。升降结构驱动电机上装有与丝杆相互啮合的2个锥齿轮，同时旋转结构驱动电机，对应锥齿轮结构配合旋转轴旋转。升降结构包括升降结构驱动电机、丝杆、固定轴、托盘，托盘上装有螺母与丝杆，所有零件相互配合实现升降功能。旋转结构包括旋转结构驱动电机、锥齿轮和旋转轴，旋转轴有两根，分为奇偶旋转轴，上面套有旋转齿轮和旋转平台，相互啮合，所有构架相互配合实现旋转药仓平台的功能[6]。

图2 药盒内部结构

由于采用的是丝杆结构上升装置，如果药仓平台周边是全齿轮，会导致托盘上升时被药仓平台遮挡，无法正常工作。笔者将药仓平台周边中心对称的8个齿牙剪缺留出空隙，使得托盘能够透过缺口上升，同时为弥补此缺口导致原有齿轮不能啮合带来的问题，将旋转轴上旋转齿轮的一个齿牙突出加大，变成凸齿轮，使其能够配合药仓平台。经过反复实验、调试，啮合情况良好。

底部升降结构驱动电机和丝杆，旋转结构驱动电机与奇偶旋转轴之间的配合我们选择锥齿轮传动配合。锥齿轮优势明显，拥有运转平稳、低噪声、大扭力等优点，并且它运转时具有稳定性能好，90°配合旋转等特点，极大地利用了盒内空间。电机和丝杆90°配合，电机与旋转轴90°配合，使得3个电机位于同一层，高效利用了盒内空间，对于缩小药盒体积有很大的帮助[7]。

1.3 驱动模块设计及功能实现

智能药盒包括升降驱动结构和旋转驱动结构，传统的智能药盒采用X型升降梯式升降结构，该结构不稳定，升至一定高度时便会发生倾斜等状况，导致机械内部受损。我们选择丝杆式升降结构，其包括固定轴、托盘、丝杆，具有稳定、精确度高等优势，3D打印机等高精度机器均采用丝杆式结构。托盘上装有螺母与丝杆，旁边两根光轴放置在丝杆两侧，限制托盘的左右移动，实现驱动托盘上下移动的目的。升降结构如图3所示。

图3 升降结构

旋转结构包括药仓平台与旋转轴，旋转轴上有突齿轮，底部电机旋转驱动旋转轴转动，其上的凸齿轮啮合药仓平台周边齿轮从而带动药仓平台转动，控制指定药仓转向通药口，再与升降结构相互配合，将指定药物推向出药口，实现自动化。旋转结构如图4所示。

图4 旋转结构

若只借助3个电机取出上层所有药仓，需要采用如下运转顺序：

当药盒运行时，若想获得层中某个药仓中的药品，首先丝杆电机会带动托盘上升至该药仓平台的下方一层，接着旋转控制电机带动旋转轴转动，其上的凸齿轮啮合带动药仓平台转动，将指定药仓转动至托盘正上方，升降结构驱动电机转动丝杆带动托盘接住药仓后向上运动一层的距离，即在该取药层的上一层药仓平台中的通药口位置停止，接着药仓平台旋转，当奇数药仓平台的通药口与偶数药仓平台的通药口对齐时，即位于托盘正上方便停止转动，升降结构驱动电机运行带动托盘和托盘上的药仓一同升上出口，取药完成[8]。

升降结构驱动电机运行将托盘下降至取药层的上一层等候，接着旋转控制电机运行，将该药仓的对应位置转至托盘正下方，丝杆电机转动将托盘向下带动直至该奇数层的下一层停止，接着旋转控制电机运行，使通药口位于托盘正上方（即归位，此时所有药仓平台的通药口对齐，且位于托盘正上方），丝杆电机再次运行带动托盘下降至底部，回仓操作完成[9]。

遵循如此顺序，可以将上层所有药仓平台任意位置的药仓取出，这种优选方法使得药盒的容药体积大幅增加。

1.4 物联网控制模块

物联网（Internet of Things, IoT）是一个基于互联网、传统电信网等的信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征。当前，全世界大约有20亿人使用互联网浏览网页、收发信息，使用社交网络应用程序和/或从事其他活动。随着互联网信息技术的发展，物联网已经成为新一轮经济技术发展的战略制高点之一。药盒运行流程如图5所示。

图5 药盒运行流程

本文设计的智能药盒系统以 ESP32单片机作为主要控制模块，是一个集多种操作于一体的智能药盒控制系统。ESP32是一款性价比非常高的WiFi模块，拥有双核32位处理器，主要适用于物联网（IoT）领域的DIY项目。ESP32的优点是超低功耗、高度集成、性能稳定等。

通过ArduinoIDE软件设计的整体页面交互程序分为物联网配置部分、药仓管理部分与信息取阅与修改部分。交互部分程序通过C语言与HTML混编，由ESP32单片机作为HTTP服务器通过无线网络连接与任意客户端进行实时交互。

物联网配置部分的最重要功能是互联网的连接功能。用户在类中继路由器配置页面中输入已知无线路由器名称与密码，并通过网页端提交给ESP32，随后ESP32尝试连接并通过指示灯展示连接状态。指示灯快速闪烁时药盒已连接至互联网，此时网页端会提供一个新的连接地址用于外部互联网连接。在某些特殊情况下，若用户无法连接互联网或不具备相关条件，可选择暂时跳过互联网连接，直接进入管理页面进行相关配置[10]。网页端流程如图6所示。

图6 网页端流程

药仓管理部分的主要功能为取放药与各个药仓状态展示，其中放药部分额外提供了药品名称、备注与提醒时间等的设置。信息取阅与修改部分包括日志读取、时间修改等。给每个药仓命名数字1，2，3，…，便于对药仓进行定位管理。

药盒管理页面如图7所示。

图7 药盒管理页面

2 智能药盒发展的意义

老年人存在由于记性差不按时吃药、不规律吃药、不识字吃错药等问题，而该药盒解决了上述老年人存在的用药问题。就目前调研的情况而言，世界卫生组织有报告指出，全球范围内药物治疗的平均依从率仅为50%。实际生活中，老年人记忆力减退忘事，药物漏服现象时有发生。很多老年人朋友上了年纪后记忆力不断下降，经常容易出现忘记吃药的情况，一旦药物不能够连续服用，就会丧失其原有的药效而无法使病患快速治愈。为了减少此类问题的发生，推动智能药盒发展是关键，将现代技术与传统技术相结合，用科学高效的办法解决一系列问题。

本文设计的智能药盒主要具有如下优势：

（1）与传统的智能药盒相比，本文设计并实现的智能药盒的圆筒盒身轻盈小巧，方便携带，实用性强。该智能药盒所采用的材料为PLA（聚乳酸），PLA是强度高无卷曲，收缩率极低（0.3%）的环保材料，堆肥可100%降解，成型性能优秀，热成型尺度稳定，层与层之间的粘合性好，同时也拥有良好的光泽性。PLA的相容性、可降解性、机械性能和物理性能良好，适用于吹塑、热塑等加工方法，加工方便，应用广泛。

（2）很多老年人面对大量药品时盲目服用，或不按时、按量服药，从而导致病情恶化。而该药盒严格根据规定时间取出药物，让患者能够安心服药、规律服药，有效避免了老年人不按时、不按量服药的问题。

（3）本药盒内部层次分明，具有多层药仓，可高效利用盒内的空间，储存大量药品，出门旅行时方便携带，实用性强。

（4）本智能药盒对网页端控制进行了开发，实现了智能药盒通过网页端进行控制、互联的目标。老年人的子女也可通过网页端设置提醒药物取出，操作简便。

3 结 语

本文设计的智能小药盒可以定时提醒老年人取药，同时每次的取药、放药操作都会有日志记载，在使用时有迹可循，给用户带来了极大方便，在提高生活质量的同时也加强了用户体验。随着老年人逐渐增多，该产品的应用范围将越来越广。本产品具备重量轻、方便操作、方便携带等特性，具有广阔的推广空间。