Smart Pill Dispenser: Intelligente Medikamentenverwaltung mit AWS Cloud

Komponenten und Zubehör

Komponente	Menge
Microchip AVR-IoT WA Development Board	1
Arduino Mega 2560	1
SG90 Mikro-Servomotoren	4
Nextion NX8048T070 7" HMI Touch-Display	1
Adafruit 16-Kanal 12-Bit PWM/Servo Driver (I²C)	1
Lautsprecher 0,25 W, 8 Ω	1
Adafruit IR-Fototransistor	4
Adafruit 5 mm IR-LED 940 nm	4
Ultraschallsensor HC-SR04	1
Parallax Feedback 360° High-Speed Servo	1
Adafruit 5V 2A Netzteil	1

Werkzeuge

• 3D-Drucker (PLA)
• Lötkolben & bleifreies Lot

Apps & Cloud-Dienste

• Microchip MPLAB X IDE
• Arduino IDE
• Autodesk Fusion 360
• AWS IoT Core, DynamoDB, API Gateway, Lambda, S3
• Microsoft VS Code

Motivation

Aktuelle Pillendosierer sind entweder nicht-elektronisch oder automatisch, aber beide erfordern manuelles Befüllen durch Dritte – Patienten sind abhängig. Besonders in der Covid-19-Zeit haben Angehörige/Betreuer weniger Zeit. Ziel: SmartPill – autonomes Befüllen, barrierefreie Bedienung (großes Display, Audio-/Lichtfeedback), Cloud-Anbindung für ferngesteuerte Dosierungskonfiguration.

Funktionsweise

Zwei Subsysteme:

• SmartPill Dispenser: Physisches Gerät – organisiert, lagert, gibt Pillen aus. Hauptinterface für Patient.
• SmartPill Web App: Web-UI für Arzt/Betreuer – konfiguriert bis zu 4 Medikamente × 3 Einnahmezeiten/Tag, ändert Dosierung remote.

Barrierefrei: Großes Display für Befüllhilfe, Audio/Licht-Erinnerung. Smarter Mechanismus verteilt Pillen intern und dosiert zur richtigen Zeit. WLAN via AVR-IoT → AWS Cloud → Web-App. App protokolliert Einnahmen, benachrichtigt bei Ausbleiben.

SmartPill Dispenser – Hardware

Ausgabemechanik (3D-gedruckt, PLA)

1. Basis: Träger, Öffnungen für Ultraschallsensor, Klappe zur Ausgabeschale.
2. Slider: Trägt Pillenbehälter; innen Rampe zur Klappe; Fach für Elektronik.
3. Seitenwände: Schutz vor Feuchtigkeit, Schmutz.
4. Nextion 7" Touch-Display: Patientenschnittstelle.
5. Obere Abdeckung: Schutz (oben) + Trennung Trommel/Behälter (unten).
6. Parallax 360°-Servo: Positioniert Trommel.
7. Trommel: Verbindet Außenöffnung mit jeweiligem Pillenbehälter.
8. Hintertür: Entnahme/Einsetzen der Behälter mit Slider.
9. Lautsprecher: Sprach-/Signalausgabe.
10. HC-SR04 Ultraschall: Erkennt Entnahme der Ausgabeschale.
11. 4 Pillenbehälter: Je ein SG90-Servo für Dosierung. Erweiterbar.

STL-Dateien für alle Teile sind open-source auf Thingiverse (siehe CAD-Bereich).

Montage-Schritte

• Slider in 3 Teile gedruckt → Muttern einpressen → verschrauben → Elektronik einbau → Deckel drauf.
• Pillenbehälter: Teil 1+7 verbinden, SG90 an Teil 7, Teil 3+4 (Lager) + Teil 2 → an Slider-Oberseite schrauben.
• Display an Seitenwand schrauben, Stecker verbinden. Seitenwände an Basis klicken.
• Obere Teile: Muttern einpressen, Trommel + Parallax-Servo dazwischen, verschrauben.
• Hintertür an Oberteil schrauben.

Elektronik

Arduino Mega als Zentrale: Servo-Steuerung (PWM), Nextion-Display, RTC (I²C), Sound, AVR-IoT-Kommunikation (Serial UART). IR-Lichtschranken (Pillen-Erkennung) an Analog-Pins. Aufbau auf Lochraster/PCB, empfohlen auf Holzplatte montiert.

SmartPill Web App (Ionic + Angular)

Ziele: Einfaches Setup (Patient, Medikamente, Dosierung, Zeiten), Einnahme-Überwachung.

Tech-Stack: Backend: AWS API Gateway (HTTP REST) + Lambda. Frontend: Ionic & Angular (NodeJS, HTML/CSS/JS). Ionic bietet native UI-Komponenten für iOS/Android.

Projektstart

$ npm install -g @ionic/cli
$ ionic start smartpill-webui blank
$ cd smartpill-webui && ionic serve

Wichtige Dateien & Struktur

• app-routing.module.ts: Routen (Login, Config, Status, Edit-Pill, Logs) mit Parameter-Übergabe.
• post.service.ts: API-Kommunikation (GET/POST/DELETE/PUT), Interfaces Post, Dep, Log.
• page-config: Liste aller Pillenkonfigurationen; FAB-Button für Neu, Edit-Button pro Eintrag.
• page-edit-pill: Erkennt per Route-Parameter (:postId) ob Neu oder Bearbeiten. Nutzt Ionic UI: Multi-Select für Zeiten (Morning/Afternoon/Night), Input für Pillenname.
• page-status / logs: Laden per Lifecycle-Hooks (ionViewWillEnter), Anzeige mit Icons nach Tageszeit.

Amazon Web Services – Serverless Architektur

Komponenten:

• AVR-IoT Board → AWS IoT Core (MQTT, bidirektional). Topic dispensepill (Cloud→Gerät), confirmationpill (Gerät→Cloud).
• Frontend (Ionic) → Kompiliert → S3 Static Website Hosting.
• Backend → API Gateway (HTTP API) → Lambda → DynamoDB (Tabellen: smartpill-history, smartpill-pills).
• EventBridge (Cron) → 3 Rules (Morning/Afternoon/Night, UTC) → Lambda smartpill-dispensepill → sucht fällige Pillen → sendet MQTT an IoT Core → Dispenser.

AWS IoT Core – Thing einrichten

AVR-IoT Board mit AWS-Konto verbinden (Microchip IoT Developer Guide). Im IoT Core unter Manage → Things sichtbar. WLAN-Zugangsdaten auf Board konfigurieren (Getting Started Guide).

DynamoDB Tabellen

Zwei Tabellen anlegen (id als Primary Key): smartpill-history (Logs), smartpill-pills (Konfiguration).

Lambda Functions

Je Funktion eigene Execution Role mit AmazonDynamoDBFullAccess (nur Tutorial!). Code aus GitHub-Repo (smartpill-lambda) deployen. In IoT Core Rules anlegen: Topic confirmationpill → Lambda smartpill-confirmationpill.

EventBridge Scheduler

3 Cron-Regeln (UTC-Zeit!) für Morning/Afternoon/Night → Target: Lambda smartpill-dispensepill.

API Gateway

HTTP API „smartpill-webui“, alle Lambdas als Integrationen, Routen gemäß Tabelle anlegen, deployen → HTTPS-Endpoint. Alternativ smartpill-api.json importieren.

S3 Static Hosting

Bucket anlegen, Static Website Hosting aktivieren (index.html), Angular-Build-Artifacts hochladen, DNS-Name nutzen.

AVR-IoT Board Firmware

Basiert auf Microchip-Beispiel, erweitert:

• CLI auf USART1 (RX/TX-Pins) statt USART2 (Debugger) – für externe Kommunikation.
• Custom CLI-Command pill + Callback pill_command() → sendet JSON-Confirmation an Topic confirmationpill.
• MQTT-Subscription dispensepill mit JSON-Parser → Callback receiveddispenseFromCloud() extrahiert Daten.
• Header IoTPill.h definiert Datenstrukturen.

Protokoll (Bidirektional)

dispensepill (AWS → IoT → Arduino):

{
  "cmd": "dispensepill",
  "npills": 2,
  "intake": { "time": "morning" },
  "pills": {
    "1": { "pill": "Ibuprofen", "qty": 1, "deposit": 1, "weight": 200 },
    "2": { "pill": "Paracetamol", "qty": 2, "deposit": 2, "weight": 500 }
  }
}

IoT Board sendet per USART an Arduino: D Ibuprofen 1 1 200 D Paracetamol 2 2 500 \n

confirmationpill (Arduino → IoT → AWS):

Arduino sendet: pill 1 (1 = OK). IoT Board verarbeitet mit vorherigem Intake-Time → JSON an AWS: {"time":"morning","state":"ok"}. Lambda loggt in DB & Web-App.

Code-Repositories

• SmartPill Web App (Frontend)
• Backend Lambda Functions
• AVR-IoT Firmware
• Arduino Mega Firmware

CAD / 3D-Druck

Thingiverse-Repo: Mechanik, Gehäuse, Vollassembly (STEP, bearbeitbar).

Schaltplan

Hardware-Verkabelung im Repository.