新型養(yǎng)老環(huán)境下的藥品投送機(jī)器人系統(tǒng)①

曹惠茹,黃曉鋒,許建強(qiáng),邵澤寧,莊健怡

(中山大學(xué) 南方學(xué)院 電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,廣州 510970)

室內(nèi)醫(yī)療保健系統(tǒng)是完整醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)的重要組成部分,近年隨著世界人口結(jié)構(gòu)的不斷變化,室內(nèi)醫(yī)療保健系統(tǒng)成為西方發(fā)達(dá)國家研究的熱點(diǎn)[1].當(dāng)前我國60歲以上人口將是全體人口中增長最快的部分,60歲以上老年人口占總?cè)丝诘谋壤诒臼兰o(jì)末將由1982年的7.63%上升到10.35%,達(dá)到老年型人口結(jié)構(gòu).預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到15.23%,2040年達(dá)到24.28%,即達(dá)到老齡化高峰階段[2].與之同時,大多數(shù)老年人都患有高血壓、糖尿病、腦血栓等常見疾病以及心臟病等突發(fā)疾病,需要得到及時地監(jiān)護(hù).隨著我國人民生活水平的提高和信息技術(shù)進(jìn)步,社區(qū)、居家養(yǎng)老成為當(dāng)前有效解決我國社會養(yǎng)老的關(guān)鍵所在.然而由于缺乏資金扶持,人才儲備不足、醫(yī)療服務(wù)管理系統(tǒng)信息化程度低等諸多原因,導(dǎo)致當(dāng)前我國醫(yī)療系統(tǒng)很難滿足實(shí)際與發(fā)展的需求[3].因此急需構(gòu)建新型室內(nèi)醫(yī)療保健系統(tǒng)與相關(guān)設(shè)備.

國內(nèi)外針對上述問題進(jìn)行了大量研究,Mercuri等人[4]基于嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建了室內(nèi)摔傷救護(hù)系統(tǒng);通過相關(guān)試驗(yàn)證明了方法的可行性.Yu等人[5]設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一種基于室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng);試驗(yàn)結(jié)果表明室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人可以提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能力和家庭監(jiān)控系統(tǒng).國內(nèi),孔維康等人[6]提出了基于ZigBee無線通信技術(shù)的養(yǎng)老院健康監(jiān)護(hù)方案;實(shí)現(xiàn)了實(shí)時監(jiān)測老人的心率、脈搏、血壓.潘永友[7]研究的是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的養(yǎng)老院管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)了針對老人的院區(qū)內(nèi)外定位、摔倒檢測、緊急呼叫、生命體征檢測等看護(hù)管理功能.文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)家庭的監(jiān)護(hù)機(jī)器人,它融合了移動機(jī)器人定位的技術(shù)、語音識別技術(shù)、通信技術(shù),為行動不便者提供簡單且極其重要的監(jiān)護(hù)服務(wù).

盡管國內(nèi)外已有關(guān)于室內(nèi)醫(yī)療保健系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備研究方面,但傾向于監(jiān)測生命體征參數(shù),存在著信息化程度低、遠(yuǎn)程監(jiān)控缺失等不足.為解決上述不足,采用當(dāng)前先進(jìn)計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)提出了基于云技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)智能醫(yī)療看護(hù)系統(tǒng)與藥品投遞機(jī)器人;設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程移動端和PC端管理系統(tǒng);最后對系統(tǒng)與設(shè)備的相關(guān)性能進(jìn)行測試,驗(yàn)證系統(tǒng)的合理性與可行性.

1 物聯(lián)網(wǎng)與云技術(shù)的室內(nèi)醫(yī)療保健系統(tǒng)框架

基于物聯(lián)網(wǎng)與云技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)醫(yī)療保健系統(tǒng)的智能化與信息化.如圖1(a)構(gòu)建分層醫(yī)療保健系統(tǒng),包括感知層技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)、應(yīng)用層技術(shù)和公共技術(shù).其中物理層感知系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集與信息處理;網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)信息的交互與數(shù)據(jù)通信;信息開放平臺、云技術(shù)平臺、其他服務(wù)平臺構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用子系統(tǒng),環(huán)境監(jiān)測、監(jiān)護(hù)系統(tǒng)等組成應(yīng)用層頂端服務(wù).

基于物聯(lián)網(wǎng)藥品投遞智能機(jī)器人系統(tǒng)的功能主要由：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制、線上系統(tǒng)位置顯示、基于RFID的藥品配送、室內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集、云端存儲、用戶端六部分構(gòu)成,其總體設(shè)計(jì)圖如圖1(b).網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制：能夠通過線上手機(jī)端或網(wǎng)頁端控制線下系統(tǒng)對每個房間的配品投送種類和數(shù)量,以及監(jiān)控情況.線上系統(tǒng)位置顯示：系統(tǒng)開始工作時,會在APP端和PC的網(wǎng)頁端顯示系統(tǒng)所處的位置.藥品配送機(jī)器人系統(tǒng)：通過讀取每個房間的節(jié)點(diǎn)信息,決定每個房間的藥物需求情況.室內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集：利用網(wǎng)頁端和APP端實(shí)時顯示養(yǎng)老院的環(huán)境情況.云端存儲：云端作為系統(tǒng)的媒介,用于儲存養(yǎng)老院的環(huán)境數(shù)據(jù),監(jiān)控?cái)?shù)據(jù).用戶端：系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)更加直觀得反饋給用戶,也讓用戶能可視化得控制系統(tǒng).

圖1 物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)體系與功能構(gòu)架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包括室內(nèi)感知節(jié)點(diǎn)、藥品投遞機(jī)器人、網(wǎng)絡(luò)感知節(jié)點(diǎn)等組成.如表1所示,本系統(tǒng)硬件部分由主控多核嵌入式、協(xié)助主控STM32F103RC處理器、MFRC522模塊、各種傳感器、攝像頭等幾部分構(gòu)成.通過數(shù)字接口、SPI、AO、CSI、串口等連接,構(gòu)建如圖2(a)所示的硬件框圖,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需感知、數(shù)據(jù)傳遞、藥品投遞等功能.

表1 系統(tǒng)硬件模塊

2.2 藥品投遞機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)

如圖2(b)所示,本系統(tǒng)采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103RC高性能單片機(jī),其突出優(yōu)點(diǎn)是高性能、低成本、低功耗,內(nèi)置96 K的SRAM,時鐘頻率72 MHz時,從閃存執(zhí)行代碼,功耗低至36 mA,實(shí)際相當(dāng)于0.5 mA/MHz.還采用了性能為1.2 GHz四核Broadcom CEM2837 64 位ARMV8處理器的樹莓派3代,板載BCM43143WIFI模塊等,利用這一高性能的多核嵌入式系統(tǒng)保障了配藥能夠穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn).另外,系統(tǒng)采用RC522模塊來進(jìn)行讀寫卡操作,RC522是應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成度讀寫卡系列芯片中的一員.是NXP公司針對“三表”應(yīng)用推出的一款低 電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片,具有集成度的調(diào)制解調(diào)電路、支持ISO/IEC 14443 Type A和MIFARE®通信協(xié)議、10 Mbit/s的SPI接口、靈活的中斷模式等優(yōu)良性能,有利于系統(tǒng)快速、穩(wěn)定地獲取卡里的信息.藥品配送系統(tǒng)上電后STM32F103RC配置SPI串口驅(qū)動RC522模塊,通過RC522開啟天線發(fā)出13.56 MHZ高頻微波,當(dāng)微波接CSI排線控制攝像頭進(jìn)行監(jiān)控.STM32F103RC處理器上電后,通過USART輸入指令配置WIFI模塊并讓其連上有網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)環(huán)境,通過SPI串口輸入指令配置RC522模塊.然后WIFI模塊通過EDP協(xié)議訪問云服務(wù)器上面的數(shù)據(jù),并返回獲取的信息.如果檢測到返回的數(shù)據(jù)沒有控制命令,則不開啟RC522模塊的天線也不進(jìn)行RFID的讀寫操作;如果檢測到返回的數(shù)據(jù)有控制命令,則開啟RC522模塊的天線和寫卡指示燈,并且把新的數(shù)據(jù)通過ISO14443A寫進(jìn)節(jié)點(diǎn)中.

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

3 基于物聯(lián)網(wǎng)藥品投遞機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)處理與機(jī)器人運(yùn)動感知程序系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖3(a)所示,系統(tǒng)開始啟動時,多核嵌入式充當(dāng)客戶端和STM32F103RC充當(dāng)服務(wù)器并連上對應(yīng)WiFi熱點(diǎn).然后,多核嵌入式開設(shè)多線程通過WiFi模塊用于監(jiān)聽來自STM32F103RC上的動作控制數(shù)據(jù)(如：RC522讀寫情況,傳感器數(shù)據(jù)等).在接收到WiFi模塊的數(shù)據(jù)后,第一時間判斷數(shù)據(jù)類型,如RC522讀取的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),再進(jìn)行判斷決定是否開設(shè)攝像頭,是否配送藥物.如有室內(nèi)環(huán)境傳感器的數(shù)據(jù)就立即上傳云端進(jìn)行儲存,否則沒有收到數(shù)據(jù)就返回等待接收數(shù)據(jù)的狀態(tài).

系統(tǒng)啟動時,STM32F103RC控制電機(jī)的尋跡功能隨即啟動.驅(qū)動傳感器不間斷得采集室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù),并且每4 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)給多核嵌入式數(shù)據(jù)處理中心.動作控制的STM32F103RC先判斷是否有可讀取數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn).若有,即把數(shù)據(jù)存進(jìn)字符串變量中,通過WiFi模塊傳送至數(shù)據(jù)處理中心,然后回到尋跡運(yùn)動中.若無,則返回尋跡運(yùn)動中.具體程序邏輯如圖3(b)所示.

圖3 多核嵌入式程序流程圖與STM32運(yùn)動、感知程序設(shè)計(jì)流程圖

輸入：position_set輸出：Finish_flag1.Initializtion 2.For i= 1：|position_set|3.If robot arrived the ithposition 4.Satus_set[i] = Read (position_set[i]);5.getting M_num[i],M_type[i];6.End if 7.If Satus_set[i] >= Thres_value8.Robot stops and waits for reading message.9.Drive the camera and reading the values from different sensors.10.According the M_num[i],M_type[i] delivering the medicine.11.Finish_flag=1 12.Else 13.Finish_flag= 1;Break;

14.End if 15.End for 16.Return Finish_flag

3.2 基于閾值的藥物投遞算法的設(shè)計(jì)

面向所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的特點(diǎn),提出基于閾值的藥物投遞算法,具體算法設(shè)計(jì)如算法1所示.該算法分為3個部分,首先初始化獲取藥品投遞位置信息position_set.當(dāng)機(jī)器人移動到第i個位置是,讀取IC卡中狀態(tài)信息Satus_set[i];并獲得藥品種類和數(shù)量相關(guān)性M_num[i],M_type[i].然后對裝置值進(jìn)行閾值Thres_value判斷,如果大于等于閾值,移動機(jī)器人當(dāng)前位置停止、完成信息的讀取、圖像采集和藥品的投遞,并將功能狀態(tài)賦值(Finish_flag) 1;否則結(jié)束本次投遞,并將功能狀態(tài)賦值0.最后,算法返回功能狀態(tài)值Finish_flag.

4 試驗(yàn)與實(shí)現(xiàn)

4.1 試驗(yàn)測試與分析

在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了試驗(yàn)環(huán)境對數(shù)據(jù)上傳云服務(wù)時間、藥物配送功能、節(jié)點(diǎn)寫卡等進(jìn)行了測試.系統(tǒng)時刻上傳室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)并儲存在云端,其中根據(jù)儲存數(shù)據(jù)內(nèi)容和上傳時間,對該功能進(jìn)行測試分析.云存儲的環(huán)境參數(shù)內(nèi)容有5項(xiàng),其中最快上傳時間為2.1 s,最慢上傳時間7.5 s,平均上傳時間5.21 s,每項(xiàng)內(nèi)容上傳的時間誤差不超過1 s,并且沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包.說明我們系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸以及云存儲性能比較穩(wěn)定.

系統(tǒng)根據(jù)節(jié)點(diǎn)信息,進(jìn)行不同的配藥動作.其中根據(jù)不同的配藥情況,測量舵機(jī)動作時的電流變化情況,并且記錄配送動作的時間.在配藥動作中,舵機(jī)最大電流可達(dá)到1.923 A,最小電流為：0.131 A,平均運(yùn)行電流為0.77 A.配送藥物的時間根據(jù)配送藥物的數(shù)量決定,配送數(shù)量越多所花的時間就越多,平均每配送一顆藥物所花的時間為4.19 s.

每個特定點(diǎn)都配有一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),用來獲取線上下達(dá)的信息,并將信息寫入原先的M1卡中,讓系統(tǒng)做出相應(yīng)的動作.同樣,在測試中隨機(jī)地抽取了5次實(shí)驗(yàn),并記錄了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成功寫卡的時間.網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成功寫卡的最長時間是50 s,平均寫卡時間為48.3 s.

4.2 面向用戶上位機(jī)端設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上位機(jī)結(jié)合不同用戶需求,特設(shè)計(jì)兩種人性化的終端：PC端和手機(jī)端.PC端采用網(wǎng)站設(shè)計(jì)形式;手機(jī)端基于Android系統(tǒng)構(gòu)建相關(guān)APP監(jiān)控系統(tǒng).兩種終端可以滿足不同人群的需要,用戶可以根據(jù)自己的特性選擇不同的終端,其具體界面如圖4所示.

圖4 用戶上位機(jī)端

5 小結(jié)

我國已經(jīng)進(jìn)入老齡化時代,居家養(yǎng)老成為現(xiàn)實(shí),然而當(dāng)前的醫(yī)療系統(tǒng)不適應(yīng)當(dāng)前需求.基于對當(dāng)前醫(yī)療保健系統(tǒng)的國內(nèi)外調(diào)查,針對不足與現(xiàn)狀提出了一種基于云技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)藥品投遞智能系統(tǒng)框架;采用多核嵌入式系統(tǒng)、RFID、IEEE 802.11通信協(xié)議、開放云云平臺等構(gòu)建了新型室內(nèi)醫(yī)療系統(tǒng)與藥品投送機(jī)器人系統(tǒng);設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程移動端和PC端管理系統(tǒng);構(gòu)建相關(guān)試驗(yàn)環(huán)境,對系統(tǒng)與設(shè)備的相關(guān)性能進(jìn)行測試,驗(yàn)證系統(tǒng)的合理性與可行性.未來需要進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng),構(gòu)建大規(guī)模試驗(yàn)與應(yīng)用.

1 Torkestani SS,Julien-Vergonjanne A,Cances JP.Indoor optical wireless system dedicated to healthcare application in hospital.Proceedings of the 2010 7th International Symposium on Communication Systems Networks and Digital Signal Processing.Newcastle Upon Tyne,UK.2010.542-546.

2 王志寶,孫鐵山,李國平.近20年來中國人口老齡化的區(qū)域差異及其演化.人口研究,2013,37(1)：66-77.

3 韋樟清.養(yǎng)老院老人醫(yī)療保障狀況調(diào)查分析——以福建省為例.社會保障研究,2011,(2)：69-77.

4 Mercuri M,Garripoli C,Karsmakers P,et al.Healthcare system for non-invasive fall detection in indoor environment.In：De Gloria A,ed.Applications in Electronics Pervading Industry,Environment and Society.Cham：Springer,2016.145-152.

5 Yu C,Chen X.Home monitoring system based on indoor service robot and wireless sensor network.Computers &Electrical Engineering,2013,39(4)：1276-1287.

6 孔維康,陶帥,汪祖民.基于ZigBee的養(yǎng)老院健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)測量與控制,2016,24(1)：95-98.

7 潘永友.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的養(yǎng)老院管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[碩士學(xué)位論文].杭州：杭州電子科技大學(xué),2013.

8 郭志強(qiáng).家庭監(jiān)護(hù)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[碩士學(xué)位論文].廣州：華南理工大學(xué),2011.