一種基于云技術(shù)的家用智能醫(yī)藥工具箱

李浩千，陶永新，薛士杰，陳波，陳柏沅，錢韋廷

( 合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009 )

0 引言

國務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見于2015年正式公布，提出大力發(fā)展以互聯(lián)網(wǎng)為載體、線上線下互動的新興消費(fèi)，加快發(fā)展基于互聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療、健康、養(yǎng)老、社會保障等新興服務(wù)。近年來在醫(yī)療領(lǐng)域出現(xiàn)較多智能化工具，但這些智能工具相對單一和封閉，尚不形成完整的系統(tǒng)，缺乏線上線下交互，沒有充分利用線下收集信息的價值。本文主要介紹一種基于云技術(shù)的家用智能醫(yī)藥工具箱，其利用智能傳感、單片機(jī)、藍(lán)牙通信等多種有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)感知，傳輸和應(yīng)用處理領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，融合智能手機(jī)終端軟件和云技術(shù)實現(xiàn)醫(yī)療貼身私人化、醫(yī)療數(shù)據(jù)社區(qū)化的方案。

1 概述

家用智能醫(yī)藥工具箱系統(tǒng)主要包括：線下智能醫(yī)藥工具箱，智能手機(jī)終端APP，線上云平臺，其系統(tǒng)框架見圖1。

由圖1可知，通過安裝在藥箱里的單片機(jī)及其附加設(shè)備對用戶的體征參數(shù)例如體溫、脈搏進(jìn)行測量，通過單片機(jī)的藍(lán)牙功能上傳至手機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。

圖1 家用智能醫(yī)藥工具箱系統(tǒng)框架

2 架構(gòu)方案

智能醫(yī)藥工具箱利用紅外指尖脈搏以及體溫測量模塊對人體體征進(jìn)行測量，采用51單片機(jī)對體征測量模塊進(jìn)行控制。STM32單片機(jī)作為51單片機(jī)的上位機(jī)，通過串口通信，采集體征數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。同時，STM32控制藥品的掃碼，將藥品條形碼中的保質(zhì)期、藥品名稱等信息進(jìn)行讀取并通過藍(lán)牙模塊將其與體征數(shù)據(jù)以及用戶用藥情況上傳手機(jī)APP。APP作為用戶管理終端可將用戶體征數(shù)據(jù)、用藥情況同步至云端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)可以作為一種“電子病歷”，在就診時供醫(yī)生參考。進(jìn)一步的發(fā)展也可考慮利用大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)對云端數(shù)據(jù)應(yīng)用于醫(yī)療相關(guān)研究。同時，APP設(shè)有定時提醒用藥、一鍵報警等功能。

2.1 體征采集系統(tǒng)

采集系統(tǒng)由透射式指尖脈搏和體溫測量組成，負(fù)責(zé)測量人體心率和體溫信息采集，經(jīng)51單片機(jī)與STM32間串口通信傳輸至上位機(jī)以備上傳手機(jī)。

指尖脈搏： 手指血液的飽和程度隨著心臟跳動有節(jié)奏周期性變化，對光路的阻擋作用也因此周期變化。系統(tǒng)利用紅外線發(fā)射二極管發(fā)射紅外線，接收三極管接收透過指尖的紅外線。因接收的光強(qiáng)度變化，三極管的電流隨之改變，將三極管的輸出脈沖信號放大、濾波、整形后輸出，處理后的脈沖信號作為51單片機(jī)外部中斷信號。51單片機(jī)作為處理器對脈沖進(jìn)行計數(shù)，通過計算得出人體心率。對指尖脈搏脈沖有兩種處理方法。一種是記錄一段時間內(nèi)例如10 s內(nèi)脈沖數(shù)，按比例換算出每分鐘心臟跳動次數(shù)，其缺點(diǎn)是所花時間較長。另一種是計量脈沖頻率，進(jìn)而計算出結(jié)果。優(yōu)點(diǎn)是時間較短但其結(jié)果受擾動影響大。

外部干擾可導(dǎo)致兩次脈沖間隔時間短，從而使心率結(jié)果偏大。通過硬件電路加濾波電路和軟件程序增加延時可達(dá)到抗干擾目的。

體溫測量：利用熱敏電阻阻值隨溫度變化的原理，將溫度信號轉(zhuǎn)化為與溫度負(fù)相關(guān)的模擬電壓信號，處理電路如圖2所示。利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809在51單片機(jī)的控制下將模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。51單片機(jī)根據(jù)模塊溫度和輸出電壓的線性關(guān)系將數(shù)字電壓信號轉(zhuǎn)化為示溫度大小的數(shù)字信號。

圖2 溫度信號處理電路

2.2 藥品掃碼系統(tǒng)

藥品追溯碼由20位數(shù)字加密編碼采用code128c一維條碼和數(shù)字字符體現(xiàn)，其中包含了藥品名稱、生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)日期等信息。目前，藥品追溯碼的監(jiān)管工作還在整合期，阿里云僅整合了部分藥品追索碼?？紤]到藥品條碼識別和藥品管理權(quán)限等難題故用模擬識別來替代該功能。具體是由4路紅外黑白識別模塊模擬條形碼識別模塊，通過掃描模擬條形碼輸出4位數(shù)據(jù)來模擬追溯碼。圖3為識別模塊電路圖。

圖3 識別模塊電路

如圖3所示，GND接地，VCC接電源正極，每一路傳感器的紅外發(fā)射管不斷發(fā)射紅外線。當(dāng)發(fā)射管對準(zhǔn)黑條時，發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來，紅外接收管處于關(guān)斷狀態(tài)。此時模塊的TTL輸出端為高電平，相應(yīng)指示二極管處于熄滅狀態(tài)；紅外發(fā)射器對準(zhǔn)白條時，紅外線被反射回來，紅外接收管導(dǎo)通，此時模塊的TTL輸出端為低電平。四路輸出DO1-DO4為TTL信號，可直接連接單片機(jī)的IO口PB5-PB8，單片機(jī)通過IO口讀取模擬條碼數(shù)據(jù)（IO口采用上拉輸入）。單片機(jī)通過與模擬藥品庫數(shù)據(jù)比對后確定藥品，由此完成模擬藥品的掃碼識別。識別模塊見圖4。

圖4 識別模塊

2.3 藍(lán)牙通訊

本設(shè)計中采用HC05嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊，具有自動連接工作模式和命令響應(yīng)工作模式，在自動連接工作模式下模塊可作為主、從和回環(huán)三種工作角色。當(dāng)模塊處于自動連接工作模式時，將自動根據(jù)事先設(shè)定的方式連接數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時，可執(zhí)行下述所有AT命令，用戶也可向模塊發(fā)送各種AT指令，為模塊設(shè)定控制參數(shù)或發(fā)布控制命令。通過控制模塊外部引腳（PIO11）輸入電平，可實現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的動態(tài)轉(zhuǎn)化。

2.4 健康助手APP

系統(tǒng)APP設(shè)計與開發(fā)選用App inventor平臺。App inventor是一款可視化編程工具，它提供了基于Web圖形的用戶界面設(shè)計工具，分為UI設(shè)計界面和邏輯界面。UI設(shè)計界面可有序排列APP組件，邏輯界面可進(jìn)行邏輯功能設(shè)定。在本系統(tǒng)的APP中，主要設(shè)計服藥提醒功能以及數(shù)據(jù)接收與上傳功能。

服藥提醒功能中，邏輯設(shè)計為：打開屏幕，APP自動讀取當(dāng)前時間。此時設(shè)定提醒時間，計時器開始工作，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定時間時，屏幕出現(xiàn)提示字幕，鈴聲響起。

數(shù)據(jù)接收與上傳功能中，邏輯設(shè)計為：單片機(jī)藍(lán)牙模塊作為服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)，手機(jī)藍(lán)牙作為客戶端接收數(shù)據(jù)。App inventor具備藍(lán)牙單元，將手機(jī)端配置為客戶端即可，點(diǎn)擊“連接智能醫(yī)藥工具箱”按鈕時出現(xiàn)連接表，選擇適應(yīng)的藍(lán)牙設(shè)備即可連接。

軟件的邏輯實現(xiàn)是預(yù)先設(shè)置計時器1——初始化全局變量global liebiao——初始化全局變量global時間和初始化全局變量global數(shù)據(jù)庫。APP初始化時，計時器1不啟用，點(diǎn)擊“連接智能醫(yī)藥工具箱”且成功連接計時器1開始計時，進(jìn)行邏輯判斷——藍(lán)牙連接且接收到藍(lán)牙發(fā)送的字節(jié)數(shù)不為零，收到藍(lán)牙數(shù)據(jù)記入全局變量global liebiao。將系統(tǒng)時間記入全局變量global，將兩個全局變量寫入微數(shù)據(jù)庫1中保存，通過全局變量global 數(shù)據(jù)庫調(diào)用微數(shù)據(jù)庫中實時保存的數(shù)據(jù)。此時，數(shù)據(jù)顯示在APP屏幕上，輸入數(shù)據(jù)并保存后，計時器請求當(dāng)前時間，連同輸入數(shù)據(jù)發(fā)送至設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，完成數(shù)據(jù)上傳。

2.5 云平臺

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫較好地實現(xiàn)了“互聯(lián)網(wǎng)+”這個功能。通過平臺提供的網(wǎng)址進(jìn)行申請即可構(gòu)建專用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，當(dāng)接收到APP傳遞的數(shù)據(jù)時，按設(shè)計序列將用戶名及其數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建了模擬的“醫(yī)療社區(qū)”，將多個數(shù)據(jù)采集終端聯(lián)合起來，可實現(xiàn)用戶個人的電子數(shù)據(jù)檔案，方便就醫(yī)時時參考，同時也為用戶提供了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測管理功能，在一定情況對應(yīng)急救助有較大幫助。另外，如引入大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，對相關(guān)的醫(yī)學(xué)研究也可提供輔助樣本。

3 結(jié)語

通過硬軟件調(diào)試，智能醫(yī)藥工具箱基本實現(xiàn)了上述功能，在一定程度上實現(xiàn)了家用醫(yī)療設(shè)備的多功能化、智能化。平臺大數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)正全方位改變著人們的生活，本文設(shè)計將線上云平臺及線下醫(yī)療檢測設(shè)備通過大面積普及的智能手機(jī)終端連接，充分挖掘醫(yī)療硬件數(shù)據(jù)的潛力，通過軟件和云平臺促使醫(yī)療歷史去紙化、醫(yī)療數(shù)據(jù)管理精細(xì)化，對個人醫(yī)療服務(wù)，廣泛醫(yī)療研究有著積極意義。

[1]申康．藍(lán)牙技術(shù)的特點(diǎn)及實施[J]．微電子技術(shù)，2001(05)．

[2]傅佳慧．基于單片機(jī)的脈搏測量儀設(shè)計[D]．浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，2009．

[3]WolberD,SpertusE,AbelsonH,LooneyL.App inventor2:create your own android apps[M]．金從軍，譯．北京：人民郵電出版社，2016．

[4]彭永富，楊潔，枉前，等．藥品基本信息標(biāo)準(zhǔn)化研究 [J]．中國藥房，2003(01)．

[5]歐陽俊，謝定．基于BL-410的指端脈搏波采集系統(tǒng)應(yīng)用研究[J]．實用預(yù)防醫(yī)學(xué)，2004(11)．

[6]裘影萍．藥品“身份證”緣何難進(jìn)醫(yī)院藥房[N]．醫(yī)藥經(jīng)濟(jì)報，2009(03)．

[7]呂美丹，祝錫永，傅慧，等．基于GAE云計算的區(qū)域移動醫(yī)療服平臺[J]．計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2013(06)．

[8]季磊，郭旭，施華宇．移動醫(yī)療終端通訊系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．中國醫(yī)療器械雜志，2013(01)．

[9]明東，柯余峰，何峰，等．基于生理信號的腦力負(fù)荷檢測及自適應(yīng)自動化系統(tǒng)研究：40年回顧與最新進(jìn)展[J]．電子測量與儀器學(xué)報，2015(01)．