四、药仓状态检测算法：基于重量传感器的药量检测、基于红外对管的药片掉落检测

各位同学，咱们今天聊点实在的。

药盒里的药到底还剩多少？病人有没有按时吃药？这两个问题，是智能药盒最核心的痛点。你想想看，如果连药量都测不准，那所谓的“智能”就是个摆设。

我个人习惯把药仓状态检测分成两大流派：称重派和光感派。前者告诉你“还剩多少”，后者告诉你“刚才有没有掉下来”。两者结合，才能做到心里有数。

4.1 基于重量传感器的药量检测

重量传感器，说白了就是个高精度的电子秤。但放在药盒里，它有几个坑要特别注意。

4.1.1 传感器选型与原理

我建议用电阻应变式压力传感器，也就是我们常说的称重传感器。它的原理很简单：金属丝受力变形，电阻值跟着变。通过惠斯通电桥把电阻变化转成电压信号，再经过ADC采样，就能算出重量。

选型时重点关注三个参数：

• 量程：一般药盒单仓装药量在50g~200g之间，选500g量程比较安全。别选太大，否则小药片的变化量测不出来。
• 精度：至少0.1g分辨率。有些缓释片一颗就0.5g，精度不够直接废掉。
• 温漂：这个我吃过亏。有一次项目在北方冬天测试，室温从25℃降到5℃，传感器读数漂了2g多。后来加了温度补偿算法才搞定。

4.1.2 标定与校准流程

每一颗传感器都不一样，必须做标定。我的做法是：

1. 零点标定：空仓时记录ADC值，作为基准。
2. 满量程标定：放一个已知重量的标准砝码（比如100g），记录ADC值。
3. 多点标定：如果要求高，就做5~10个点的曲线拟合。我一般用最小二乘法做线性回归。

嗯，这里要注意：标定砝码一定要用标准件。我曾经有个同事用硬币代替，结果不同年份的硬币重量不一样，标定出来全是错的。

4.1.3 滤波与去抖算法

重量传感器的数据天生带噪声。振动、气流、甚至病人呼吸都能让读数跳来跳去。我常用的滤波策略：

// 滑动平均滤波 - 我项目里最常用的
#define FILTER_WINDOW 8
static uint16_t buffer[FILTER_WINDOW] = {0};
static uint8_t index = 0;

uint16_t weight_filter(uint16_t raw_value) {
    uint32_t sum = 0;
    buffer[index++] = raw_value;
    if (index >= FILTER_WINDOW) index = 0;
    
    for (int i = 0; i < FILTER_WINDOW; i++) {
        sum += buffer[i];
    }
    return (uint16_t)(sum / FILTER_WINDOW);
}

除了滑动平均，我还推荐中值滤波。特别是当药盒被不小心碰了一下，出现一个尖峰噪声时，中值滤波能完美干掉它。滑动平均反而会把噪声扩散到好几个采样点。

4.1.4 药量计算与余量预警

有了稳定的重量值，药量计算就简单了：

// 单颗药片重量已知，比如0.5g
float pill_weight = 0.5;  // 单位：克
int pill_count = (int)(current_weight / pill_weight);

// 余量预警逻辑
if (pill_count <= 3) {
    // 触发低药量告警
    alert_low_medication();
}

但这里有个坑：药片重量不是绝对均匀的。同一批药片，每颗可能差个0.02g。如果药盒里只有几颗药，误差会被放大。我建议在算法里加一个置信度判断：当计算出的药片数量小于5颗时，直接显示“余量不足”，而不是显示具体数字。

4.2 基于红外对管的药片掉落检测

重量检测告诉你“还剩多少”，但病人到底有没有把药吃下去？这就需要红外对管来确认了。

4.2.1 红外对管的工作原理

红外对管由发射管和接收管组成。发射管持续发出红外光，接收管检测光强。当药片从中间掉落时，光线被遮挡，接收管信号会瞬间下降。

说白了，这就是个光栅。药片穿过光路，产生一个脉冲信号。我们通过检测这个脉冲，就能确认“有一颗药掉下去了”。

4.2.2 信号调理与阈值判断

接收管的输出是模拟信号，需要经过比较器转成数字电平。我常用的电路设计：

• 接收管输出接一个电压比较器（比如LM393）
• 比较器的参考电压设为遮挡时信号幅度的50%
• 输出端加一个施密特触发器，防止抖动

软件上，我建议做动态阈值。因为红外管会老化，发射功率会慢慢下降。固定阈值用久了就不准了。

// 动态阈值更新算法
#define THRESHOLD_RATIO 0.6  // 阈值设为背景光强的60%

uint16_t background_level;  // 无遮挡时的背景光强
uint16_t threshold;

void update_threshold(void) {
    // 每次检测到药片掉落结束后，更新背景值
    threshold = (uint16_t)(background_level * THRESHOLD_RATIO);
}

bool detect_pill_fall(uint16_t current_level) {
    if (current_level < threshold) {
        // 光线被遮挡，检测到药片
        return true;
    }
    return false;
}

4.2.3 防误触发与去抖处理

红外对管最怕什么？误触发。灰尘、手指、甚至一只小飞虫飞过，都可能产生遮挡信号。

我的避坑方案：

1. 脉冲宽度判断：药片掉落的时间是固定的（比如10~30ms）。如果遮挡时间小于5ms或大于100ms，直接忽略。
2. 连续确认机制：连续采样3次都检测到遮挡，才认为是一次有效掉落。
3. 互斥逻辑：如果重量传感器没有检测到重量变化，红外检测到的掉落也暂时不确认。两者互相印证。

4.2.4 双传感器融合策略

重量传感器和红外对管，单独用都有缺陷。重量传感器测不准单次掉落（因为药片太轻，变化量小），红外对管容易误触发。但两者结合，效果1+1>2。

我设计的融合逻辑：

重量变化	红外检测	结论	动作
有变化	有掉落	确认吃药	记录+更新药量
有变化	无掉落	可能误触或漏药	触发异常告警
无变化	有掉落	红外误触发	忽略，不记录
无变化	无掉落	正常待机	无操作

这个表格看起来简单，但实际实现时要注意时间窗口对齐。重量变化有延迟（因为滤波），红外检测是实时的。我一般设一个500ms的时间窗口，在这个窗口内同时满足两个条件，才算一次有效吃药。

4.3 实际项目中的避坑指南

最后，分享几个我亲身踩过的坑：

• 震动干扰：药盒放在桌子上，病人取药时手一抖，重量数据就跳。我后来加了加速度传感器，检测到震动时暂停重量采样。
• 药片粘连：有些药片表面有糖衣，容易粘在一起。红外检测可能只看到一个遮挡信号，但实际掉下去两颗。我建议在结构上增加一个振动机构，让药片分离。
• 电池电压影响：红外管的发射功率和电池电压直接相关。电池快没电时，发射光变弱，接收信号也变弱。我做了电压补偿，实时调整阈值。

好了，这一章的内容就到这里。药仓状态检测，说白了就是“称重+光感”的组合拳。下一章我们会聊药盒的通信协议设计，到时候见。