智能化醫(yī)藥冷庫(kù)管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)低溫醫(yī)藥市場(chǎng)的迅速發(fā)展，冷藏藥品的年度增長(zhǎng)率已高達(dá)15%[1]，醫(yī)藥冷庫(kù)具有廣闊的市場(chǎng)前景，但同時(shí)也面臨著一些問(wèn)題。一方面，醫(yī)藥冷庫(kù)自動(dòng)化、信息化程度較低，由于藥品名多為復(fù)雜的專業(yè)名稱，人工記錄時(shí)效率低，易出錯(cuò)；而且傳統(tǒng)醫(yī)藥冷庫(kù)需要操作員進(jìn)入冷庫(kù)中進(jìn)行藥物的存取和盤點(diǎn)，低溫環(huán)境會(huì)給操作員帶來(lái)安全隱患。另一方面，現(xiàn)有的醫(yī)療信息系統(tǒng)，如LIS系統(tǒng)[2]，其中的數(shù)據(jù)庫(kù)僅用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，并不涉及運(yùn)動(dòng)過(guò)程的控制調(diào)度，因此信息系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相互獨(dú)立，彼此之間無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息傳輸，管理人員不能及時(shí)根據(jù)冷庫(kù)狀態(tài)作出調(diào)整，可能會(huì)對(duì)企業(yè)造成嚴(yán)重?fù)p失。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了將數(shù)據(jù)庫(kù)作為“大腦”的智能醫(yī)藥冷庫(kù)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)藥品、用戶以及倉(cāng)位等的基本信息并產(chǎn)生流程調(diào)度所需的中間參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)送藥品的自動(dòng)控制；同時(shí)通過(guò)瀏覽器或微信平臺(tái)可以遠(yuǎn)程訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷庫(kù)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

本系統(tǒng)以LabVIEW作為上位機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用串口和無(wú)線通信將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、冷庫(kù)溫濕度和冷庫(kù)藥品等詳細(xì)信息通過(guò)CAN總線傳遞至上位機(jī)，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。通過(guò)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)多線程指令對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的有序化操作，合理調(diào)度各部分運(yùn)作。此外利用Socket網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，通過(guò)對(duì)冷庫(kù)的遠(yuǎn)程多點(diǎn)監(jiān)控，使管理人員及時(shí)獲取信息，提高決策效率，實(shí)現(xiàn)醫(yī)藥冷庫(kù)管理邁向智能化和信息化。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的智能化系統(tǒng)將主要由基礎(chǔ)采集層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和用戶層四部分構(gòu)成，關(guān)于系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

對(duì)于智能醫(yī)藥冷庫(kù)系統(tǒng)各層次主要功能介紹如下：

1）基礎(chǔ)采集層：由條碼識(shí)讀儀、各類傳感器和A/D轉(zhuǎn)換模塊組成。根據(jù)上層指令完成對(duì)藥品、溫濕度、機(jī)器人運(yùn)行參數(shù)和工作畫面的采集。利用CAN總線將系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸至通信轉(zhuǎn)換模塊，并采用串口和無(wú)線通信將信息傳遞至上層工控機(jī)。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

2）數(shù)據(jù)層：一方面實(shí)時(shí)存儲(chǔ)用戶信息、藥品信息、冷庫(kù)內(nèi)溫濕度等大量基礎(chǔ)信息，另一方面存儲(chǔ)機(jī)器人運(yùn)行的中間參數(shù)，用于實(shí)現(xiàn)流程有序調(diào)度。

3）應(yīng)用層：分為系統(tǒng)后臺(tái)管理部分和用戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)平臺(tái)。系統(tǒng)后臺(tái)管理部分包括系統(tǒng)對(duì)各類信息調(diào)用和用戶訪問(wèn)的接口，用戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)平臺(tái)能夠響應(yīng)用戶的訪問(wèn)需求，實(shí)現(xiàn)不同用戶階層下的功能。

4）用戶層：智能醫(yī)藥冷庫(kù)是為醫(yī)院、制藥企業(yè)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的。面向的用戶有：患者、醫(yī)生、冷庫(kù)管理員及疫苗安全管理專員。

2 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

2.1 功能設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際要求進(jìn)行需求分析，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。通過(guò)調(diào)查研究，確定了用戶對(duì)醫(yī)藥冷庫(kù)的需求并對(duì)功能進(jìn)行劃分，圖2為系統(tǒng)功能圖。

圖2 系統(tǒng)功能圖

1）藥品管理自動(dòng)化。藥品的入庫(kù)、出庫(kù)和庫(kù)存盤點(diǎn)由上位機(jī)控制機(jī)器人完成。以藥品入庫(kù)為例，ERP系統(tǒng)中的采購(gòu)清單直接導(dǎo)入系統(tǒng)，在LCD屏上顯示入庫(kù)清單，機(jī)器人按照入庫(kù)清單依次執(zhí)行入庫(kù)任務(wù)；

2）監(jiān)控管理多點(diǎn)化。本系統(tǒng)中的監(jiān)控主要是對(duì)冷庫(kù)溫濕度、機(jī)器人狀態(tài)和藥品庫(kù)存量這三部分進(jìn)行的監(jiān)控。遠(yuǎn)程用戶能隨時(shí)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)或微信公眾平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)冷庫(kù)的監(jiān)控：實(shí)時(shí)顯示溫濕度信息，超限報(bào)警；實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人正在執(zhí)行的任務(wù)進(jìn)程以及各倉(cāng)位中藥品的存量及有效期[3]；

3）系統(tǒng)安全性。對(duì)不同角色設(shè)置了對(duì)系統(tǒng)的不同操作權(quán)限，通過(guò)用戶登錄和注冊(cè)界面保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

在本智能冷庫(kù)管理及控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫(kù)處于核心位置。人機(jī)界面、機(jī)器人和遠(yuǎn)程終端都與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行信息交互，從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得下一步動(dòng)作的狀態(tài)參數(shù)，在此過(guò)程中，可能會(huì)同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)操作數(shù)據(jù)庫(kù)的指令。所以，在設(shè)計(jì)過(guò)程中面臨如何建立數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性和解決流程調(diào)度的難點(diǎn)。

圖3 入庫(kù)時(shí)數(shù)據(jù)關(guān)系圖

首先應(yīng)明確各階段對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作步驟。冷庫(kù)對(duì)藥品的操作分為入庫(kù)、出庫(kù)和庫(kù)存盤點(diǎn)，我們以藥品入庫(kù)過(guò)程為例，如圖3所示。當(dāng)有藥品入庫(kù)時(shí)，查詢冷庫(kù)中是否已有此藥品，如果庫(kù)中已有，則在子界面上顯示此藥品的關(guān)鍵信息，便于操作員確認(rèn)；如果此藥品是新藥品，則將藥品的具體信息新增至藥品信息庫(kù)。藥品供應(yīng)商的操作與此相同。隨后，根據(jù)倉(cāng)位分配算法如遺傳算法等自動(dòng)選擇最優(yōu)倉(cāng)位，生成入庫(kù)清單。為了保證后續(xù)倉(cāng)位分配計(jì)算的準(zhǔn)確性，設(shè)置虛擬的預(yù)設(shè)庫(kù)存，把入庫(kù)量先計(jì)入庫(kù)存信息中。同時(shí)，具體入庫(kù)信息存入入庫(kù)表中。接著向機(jī)器人發(fā)送帶有倉(cāng)位信息的入庫(kù)任務(wù)列表，機(jī)器人逐條執(zhí)行，每次執(zhí)行完成后向上位機(jī)返回完成信號(hào)，入庫(kù)表中的入庫(kù)標(biāo)志位和庫(kù)存表中實(shí)際庫(kù)存量隨之改變。這樣，以下位機(jī)反饋的信號(hào)來(lái)判斷藥品是否真實(shí)入庫(kù)，可以避免因機(jī)器人故障而引發(fā)的庫(kù)存記錄錯(cuò)亂。

為了在數(shù)據(jù)之間建立清晰的關(guān)聯(lián)，需建立多張表對(duì)信息進(jìn)行分類存儲(chǔ)和處理。不僅同一庫(kù)中的表具有數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性，不同數(shù)據(jù)庫(kù)間的數(shù)據(jù)也具有一定的聯(lián)系性[4]。

圖4 入庫(kù)E-R模型圖

本文通過(guò)將藥品、供應(yīng)商、庫(kù)存信息和入庫(kù)信息實(shí)體化，建立基于有向數(shù)據(jù)流的E-R模型，如圖4所示。入庫(kù)時(shí)庫(kù)存和入庫(kù)之間首先具有n:1的聯(lián)系，當(dāng)收到機(jī)器人入庫(kù)完成指令后，根據(jù)入庫(kù)表更改庫(kù)存表中的實(shí)際庫(kù)存，此時(shí)二者之間的聯(lián)系是1:1。該模型可以明確實(shí)體屬性和彼此聯(lián)系，幫助我們創(chuàng)建和設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)庫(kù)[5]。

據(jù)此我們可以建立供應(yīng)商字典、藥品字典、入庫(kù)表、庫(kù)存表等。系統(tǒng)中共建立9張數(shù)據(jù)表，在此僅列出入庫(kù)表，如表1所示。值得注意的是，入庫(kù)表和出庫(kù)表實(shí)質(zhì)上也是機(jī)器人任務(wù)的記錄表，由此建立了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和數(shù)據(jù)庫(kù)操作之間的關(guān)聯(lián)。

可看出本系統(tǒng)中智能化的數(shù)據(jù)庫(kù)不僅作為“信息倉(cāng)庫(kù)”對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，還作為“大腦”實(shí)現(xiàn)動(dòng)作跳轉(zhuǎn)和流程調(diào)度。記錄了當(dāng)前機(jī)器人的動(dòng)作狀態(tài)，是自動(dòng)化過(guò)程的參與者和記錄者。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 機(jī)器人模塊硬件

在本系統(tǒng)中，機(jī)器人模塊是冷庫(kù)自動(dòng)化的關(guān)鍵模塊。硬件設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

圖5 機(jī)器人模塊硬件示意圖

運(yùn)動(dòng)控制部分主要由GALIL運(yùn)動(dòng)控制卡組成，運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)串口與通訊轉(zhuǎn)換模塊通信，實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)與CAN報(bào)文數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換，并采用實(shí)時(shí)性強(qiáng)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)經(jīng)由通訊轉(zhuǎn)換模塊與上位機(jī)管理層通信?？紤]到工藝及位置精度要求，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用半閉環(huán)伺服控制，表2為機(jī)器人模塊主要硬件索引表。

表1 入庫(kù)表

表2 主要硬件索引表

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)，使用圖形化的G語(yǔ)言進(jìn)行編程，大大縮短開(kāi)發(fā)周期。為了便于系統(tǒng)在“互聯(lián)網(wǎng)+”的大背景下擴(kuò)展新功能，將系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、機(jī)器人模塊、遠(yuǎn)程終端模塊和界面模塊4個(gè)模塊。

3.2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊設(shè)計(jì)

每個(gè)模塊都作為一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的線程，并且這種多線程的形式是實(shí)際流程中的客觀需要。但是，涉及數(shù)據(jù)庫(kù)的線程彼此之間互不通訊，而且在運(yùn)行過(guò)程中，不同線程產(chǎn)生的操作數(shù)據(jù)庫(kù)的指令是無(wú)序的，為了保證流程有序執(zhí)行，編程時(shí)采用LabVIEW中“生產(chǎn)者—消費(fèi)者”模型[6]，即將其他模塊作為指令的生產(chǎn)者，數(shù)據(jù)庫(kù)模塊作為消費(fèi)者，通過(guò)隊(duì)列作為緩存，使指令在進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)線程時(shí)自動(dòng)排序，解決了多線程的指令沖突問(wèn)題。

多源指令串行進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)后，數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)已有的信息和指令的排列順序進(jìn)行判斷，調(diào)用相應(yīng)子VI實(shí)現(xiàn)功能。編程時(shí)采用子VI的方式實(shí)現(xiàn)模塊化，每個(gè)子VI內(nèi)封裝一種對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的具體操作，如查詢、插入、刪除等。這樣使程序結(jié)構(gòu)清晰，提高了程序的重用性和可擴(kuò)展性。

數(shù)據(jù)庫(kù)使用了在Web應(yīng)用中廣泛使用的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。建立LabVIEW與MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接時(shí)采用ODBC數(shù)據(jù)源連接的方式：從LabVIEW自帶的LabSQL工具包中選取ADO Connection Create、ADO Connection Open、SQL Execute和ADO Connection Close，訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的框架。將標(biāo)準(zhǔn)的SQL語(yǔ)句從SQL Execute輸入端輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作。

3.2.2 機(jī)器人模塊設(shè)計(jì)

在機(jī)器人模塊中，主要任務(wù)就是將數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)來(lái)的任務(wù)列表轉(zhuǎn)換為下位機(jī)能識(shí)別的機(jī)器語(yǔ)言，并通過(guò)串口通信將任務(wù)逐條發(fā)送至下位機(jī)。

數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)送的任務(wù)列表進(jìn)入機(jī)器人線程中后，首先通過(guò)LabVIEW中函數(shù)->編程->結(jié)構(gòu)->條件結(jié)構(gòu)來(lái)判斷任務(wù)的種類，即入庫(kù)、出庫(kù)、暫停、啟動(dòng)等，之后根據(jù)任務(wù)種類進(jìn)行翻譯，表3為入庫(kù)時(shí)發(fā)送至下位機(jī)的指令格式。其中字節(jié)數(shù)表示除去幀頭的字節(jié)個(gè)數(shù)，ID表示CAN地址和電機(jī)地址，16進(jìn)制的命令字0X49表示入庫(kù)“I”，X、Y、Z表示目標(biāo)倉(cāng)位的坐標(biāo)，即三個(gè)電機(jī)軸運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)坐標(biāo)。

表3 入庫(kù)時(shí)上位機(jī)發(fā)送的通訊格式

串口通信使用LabVIEW中的VISA函數(shù)實(shí)現(xiàn)，配置波特率為19200，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1，循環(huán)讀取串口數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為100ms。

3.2.3 遠(yuǎn)程終端模塊設(shè)計(jì)

手機(jī)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，使得移動(dòng)終端越來(lái)越便捷，通過(guò)手機(jī)等移動(dòng)終端遠(yuǎn)程監(jiān)控冷庫(kù)已成為企業(yè)的強(qiáng)烈需求[7]。遠(yuǎn)程終端模塊包括由LabVIEW編寫的客戶端以及由PHP編寫的服務(wù)器端。采用了Socket網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程移動(dòng)終端對(duì)冷庫(kù)信息查詢，更新，錄入等功能，利用網(wǎng)絡(luò)端口Socket將操作指令由服務(wù)器端發(fā)送至客戶端線程，再按照指令協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的相應(yīng)操作，最后將所需數(shù)據(jù)信息打包成規(guī)定格式的字符串再由Socket端口返回遠(yuǎn)程端。同時(shí)，將PHP與網(wǎng)頁(yè)前端技術(shù)結(jié)合編寫了用戶注冊(cè)、登錄和操作界面，在微信公眾開(kāi)發(fā)平臺(tái)建立了用于查詢，更新和錄入的服務(wù)公眾號(hào)，并為不同用戶提供了不同的操作界面。

3.2.4 界面模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)功能需求，設(shè)計(jì)了初始化界面、入庫(kù)界面、監(jiān)控界面等多個(gè)人機(jī)交互友好的界面。

編程時(shí)先根據(jù)選項(xiàng)卡控件判斷在哪個(gè)界面上，接著利用LabVIEW中的事件結(jié)構(gòu)，通過(guò)鼠標(biāo)操作的不同事件的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)對(duì)子界面、數(shù)據(jù)庫(kù)的相應(yīng)操作。

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

本文提出的智能醫(yī)藥冷庫(kù)信息管理及控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于蘇州市某生物科技公司，實(shí)現(xiàn)了低溫藥品自動(dòng)化存儲(chǔ)，解決了企業(yè)管理自動(dòng)化程度低、信息交互不及時(shí)等問(wèn)題。

圖6是冷庫(kù)管理員在手機(jī)微信端的操作界面，冷庫(kù)管理員可以查詢、修改藥品余量、是否過(guò)期等信息，也可以查看由歷史數(shù)據(jù)制作的進(jìn)出藥品量報(bào)表。圖7中(a)圖是系統(tǒng)入庫(kù)界面圖，藥品的入庫(kù)清單中包含了藥品信息，所存放的倉(cāng)位等信息，已經(jīng)入庫(kù)完成的顯示灰色，正在入庫(kù)的顯示綠色，操作員可以對(duì)還沒(méi)有入庫(kù)的項(xiàng)目進(jìn)行修改或刪除。圖7中(b)圖是監(jiān)控平臺(tái)，監(jiān)控冷庫(kù)溫濕度、機(jī)器人運(yùn)行和庫(kù)存量等，如果有異常情況，報(bào)警燈亮，同時(shí)會(huì)向遠(yuǎn)程微信端推送或短信向管理員報(bào)警信息。操作員可在此界面中迅速定位異常來(lái)源，并通過(guò)記錄詳細(xì)數(shù)據(jù)的子界面分析故障具體原因。

圖6 冷庫(kù)管理員界面

從圖6和圖7可以看出，該系統(tǒng)將自動(dòng)化冷庫(kù)中的貨品數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)都實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了信息實(shí)時(shí)交互。當(dāng)冷庫(kù)出現(xiàn)異常時(shí)操作人員可以根據(jù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)及時(shí)定位故障點(diǎn)，保障冷庫(kù)藥品的安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)醫(yī)藥冷庫(kù)的實(shí)際工作需求，設(shè)計(jì)完成了一套以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心的智能醫(yī)藥冷庫(kù)管控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)龐大冷庫(kù)信息的管理、對(duì)機(jī)器人運(yùn)送藥品的自動(dòng)化控制，以及通過(guò)瀏覽器或微信平臺(tái)對(duì)冷庫(kù)狀態(tài)的監(jiān)控。系統(tǒng)簡(jiǎn)潔易操作，穩(wěn)定性強(qiáng)，在企業(yè)冷庫(kù)管理中能發(fā)揮巨大作用。蘇州市某生物科技公司引入此系統(tǒng)后，無(wú)需操作人員進(jìn)入冷庫(kù)，藥品平均入、出庫(kù)時(shí)間比之前大大縮短，故障診斷的準(zhǔn)確度也大幅提升。并且，企業(yè)管理人員可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在遠(yuǎn)程端看到冷庫(kù)相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，為企業(yè)管理增加了智慧元素，提高了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

圖7 系統(tǒng)操作界面

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