基于STM32的自動(dòng)取藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪世波 李莉 苗志浩 俞陳建 劉煜 許文丹

摘要：針對(duì)目前大部分醫(yī)院采用人工取藥的方式造成取藥效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并完成了一種基于STM32F103ZET6微處理器的自動(dòng)取藥系統(tǒng)。自動(dòng)取藥系統(tǒng)為自助式操作，由人機(jī)接口（Human Machine Interface，HMI）和人機(jī)交互界面完成藥品的獲取，集成電路卡的（Integrated Circuit，IC）磁卡模塊進(jìn)行最后的確認(rèn)和購(gòu)買(mǎi)。系統(tǒng)可以提高患者取藥的速度、降低取藥的錯(cuò)誤率、保證用藥安全，并且減少醫(yī)務(wù)人員的工作強(qiáng)度、節(jié)約勞動(dòng)成本、增加醫(yī)院賬目透明度、提高患者的滿(mǎn)意度。

關(guān)鍵詞：差錯(cuò)率；自動(dòng)取藥；步進(jìn)電機(jī)；HMI串口屏；嵌入式

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2020）04-68-4

0引言

在當(dāng)前醫(yī)療環(huán)境下，患者候藥時(shí)間是評(píng)價(jià)藥學(xué)服務(wù)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，縮短患者取藥時(shí)間是當(dāng)務(wù)之急。對(duì)于中國(guó)這樣一個(gè)人口大國(guó)，取藥問(wèn)題一直都是一個(gè)難題，自1958年北京市醫(yī)院藥房提出要“千方百計(jì)取消取藥排隊(duì)現(xiàn)象”以來(lái)[1-4]，很多醫(yī)院采用各種方法降低排隊(duì)取藥時(shí)間，諸多學(xué)者提出了多種加快取藥速度的方法，設(shè)計(jì)了各種醫(yī)療器械[5-7]。例如對(duì)于麻醉科特殊藥品，提出了藥箱式管理，一定程度上增加了取藥速度，而藥房取藥機(jī)器人的提出[8-9]，為取藥增加了一種途徑。自動(dòng)化藥房的探索優(yōu)化了傳統(tǒng)藥房的取藥過(guò)程，縮減了時(shí)間。就目前來(lái)說(shuō)，這些醫(yī)療器械對(duì)于取藥速度及步驟的幫助較為片面。而自動(dòng)化取藥不但能加快取藥速度，而且步驟少、流程少，具有廣闊的發(fā)展前景[10-12]。針對(duì)患者取藥困難的問(wèn)題，提出了基于STM32F103ZET6微處理器的自動(dòng)取藥系統(tǒng)。對(duì)比藥房人工取藥時(shí)間，此取藥系統(tǒng)可大大提升取藥效率，并且采用ASTART HMI進(jìn)行調(diào)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性和有效性。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

1.1功能需求分析

自動(dòng)取藥系統(tǒng)需要先在人工選擇狀態(tài)下進(jìn)行全自動(dòng)取藥，所以人機(jī)交互是本系統(tǒng)很重要的一部分，對(duì)于用戶(hù)尋卡成功并通過(guò)人機(jī)交互模塊進(jìn)行人工選擇藥品后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、傳輸，并對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，所以終端處理單元以及電源模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的搭建是本系統(tǒng)的核心。

1.2主控微處理器的選擇

為了保證整個(gè)電路的實(shí)現(xiàn)，必須選擇一款適合電路的控制芯片。

STM芯片上集成32-512 KB的Flash和6-64 KB的SRAM兩種存儲(chǔ)器，調(diào)試模式分為串行調(diào)試（SWD）和JTAG接口，最多高達(dá)112個(gè)的快速I(mǎi)/O端口、11個(gè)定時(shí)器和13個(gè)通信接口。STM32采用ARM Cortex-M內(nèi)核的32位微控制器，具有高性能、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、低功耗和便于低電壓操作等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還易于開(kāi)發(fā)。

STM32單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的能力較強(qiáng)，本次設(shè)計(jì)需要處理的模擬量很多，且從芯片安全度考慮，STM32系列單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全性較高。綜合考慮，決定選用STM32單片機(jī)作為核心處理MCU，具體型號(hào)為STM32F103ZET6。

1.3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

綜合系統(tǒng)的功能需求配合現(xiàn)有技術(shù)，系統(tǒng)主要由MCU電路、電源供電模塊、人機(jī)交互模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和RC522射頻模塊5個(gè)模塊構(gòu)成，該系統(tǒng)的框圖如圖1所示。RC522射頻模塊主要用于讀卡，并通過(guò)SPI接口與MCU連接通信。人機(jī)交互模塊主要用于人與機(jī)器的可視化交互、藥品的選擇，步進(jìn)電機(jī)模塊主要用于藥品的投放。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1 MCU電路

MCU電路選用STM32F103ZET6作為主控芯片，因?yàn)樗械臄?shù)據(jù)處理與發(fā)送都集中在終端模塊中，同時(shí)集成化整個(gè)下層硬件，為了功能的實(shí)現(xiàn)以及高效性，系統(tǒng)選用了STM32F103來(lái)構(gòu)建整個(gè)下層電路。STM32F103是一款應(yīng)用32位微控制器以及72 MHz功耗的以Cortex-M3為內(nèi)核，擁有各個(gè)模塊功能的高度集成化的開(kāi)發(fā)板。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、串口功能的實(shí)現(xiàn)以及數(shù)據(jù)包的推送都是Cortex-M3引腳操作實(shí)現(xiàn)的。

2.2供電模塊的設(shè)計(jì)

供電模塊整體設(shè)計(jì)如圖2所示，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)使用的是5 V電壓。

2.3人機(jī)交互模塊的設(shè)計(jì)

工業(yè)串口屏、工業(yè)組態(tài)屏等是專(zhuān)門(mén)用來(lái)做工業(yè)智能顯示儀表的屏幕，一般都有軟件以拖控件的形式對(duì)GUI界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)使用的是USART HMI智能串口屏，顯示屏自帶GUI，供電就可以使用，可通過(guò)串口通信對(duì)控件上的參數(shù)進(jìn)行修改，還有一些特定的指令可實(shí)現(xiàn)一些功能操作，任何有串口通信功能的單片機(jī)都可以帶動(dòng)，串口屏界面如圖3所示。

2.4 MFRC522射頻模塊

MFRC522利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56 MHz下所有類(lèi)型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議[13]，支持14443A兼容應(yīng)答器信號(hào)。數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯(cuò)誤檢測(cè)。此外，還支持快速CRYPTO1加密算法，用于驗(yàn)證MIFARE系列產(chǎn)品。MFRC522支持MIFARE系列更高速的非接觸式通信，雙向數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)424 kbit/s。采用Philips MFRC522原裝芯片設(shè)計(jì)讀卡電路，使用方便。通過(guò)SPI接口簡(jiǎn)單的幾條線(xiàn)就可以直接與用戶(hù)任何CPU主板相連接通信，保證模塊穩(wěn)定可靠地工作。

2.5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器選用ULN2003A，是一種新型的7路高耐壓、大電流達(dá)林頓晶體管驅(qū)動(dòng)IC，ULN2003A常見(jiàn)的封裝有DIP-16，SOP-16，TSSOP-16三種，而ULN2003A常用的是DIP-16或者SOP-16，它有16個(gè)引腳，1～7是輸入引腳，10～16是輸出引腳，8號(hào)引腳是接地端，9號(hào)引腳是鉗位二極管公共端。

ULN2003A內(nèi)部包含7個(gè)獨(dú)立的達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)單路，單個(gè)達(dá)林頓管集電極可輸出500 mA電流。電路內(nèi)部有續(xù)流二極管，可用于驅(qū)動(dòng)繼電器、步進(jìn)電機(jī)等電感性負(fù)載。每一路達(dá)林頓管串聯(lián)一個(gè)2.7 kΩ的基極電阻，在5 V的工作電壓下可直接與TTL/CMOS電路連接，輸入兼容TTL/CMOS邏輯信號(hào)。使用的步進(jìn)電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)，采用直流電源供電，只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，四相八拍運(yùn)行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

3軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)供電后，MCU首先對(duì)整體電路進(jìn)行初始化，包括對(duì)數(shù)據(jù)的初始化，對(duì)各GPIO口的初始化，初始化需要延時(shí)一段時(shí)間，防止之前數(shù)據(jù)對(duì)之后數(shù)據(jù)的影響[14-15]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了中斷觸發(fā)的模式來(lái)檢測(cè)是否有高低電平的變化，外部中斷是由于外部干擾而發(fā)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中斷，無(wú)論是來(lái)自用戶(hù)、外圍設(shè)備，其他硬件設(shè)備還是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)。這些與機(jī)器通過(guò)程序指令讀取時(shí)自動(dòng)發(fā)生的內(nèi)部中斷不同，整個(gè)系統(tǒng)在正常情況下只進(jìn)行主要功能的實(shí)現(xiàn)或者休眠模式，同時(shí)一直檢測(cè)外部設(shè)備引腳是否有中斷觸發(fā)的信號(hào)，一旦有外部中斷觸發(fā)后，整個(gè)硬件進(jìn)入中斷功能的實(shí)現(xiàn)，然后在中斷結(jié)束后，設(shè)備自動(dòng)恢復(fù)到之前的狀態(tài)。

初始化完成后，人機(jī)交互界面啟動(dòng)，等待用戶(hù)操作，RC522射頻模塊檢測(cè)讀卡數(shù)據(jù)并在HMI串口屏上顯示，用戶(hù)通過(guò)串口品進(jìn)行相應(yīng)操作，MCU實(shí)時(shí)采集相關(guān)用戶(hù)操作數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)送藥，系統(tǒng)流程如圖4所示。

4系統(tǒng)功能測(cè)試

在傳統(tǒng)取藥方式中，取藥錯(cuò)誤是不可忽略的一大缺陷，誤差主要來(lái)自藥師、電腦系統(tǒng)和管理三方面，其中，藥師因素是造成誤差最重要的部分，對(duì)比傳統(tǒng)取藥方式，自動(dòng)取藥系統(tǒng)采用自動(dòng)化控制，能夠提高取藥的精準(zhǔn)度、彌補(bǔ)人工操作帶來(lái)的誤差。

傳統(tǒng)取藥步驟繁瑣，在固定窗口刷卡收費(fèi)后，需要到其他窗口進(jìn)行排隊(duì)等手續(xù)。自動(dòng)取藥系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)在于節(jié)約病人的取藥時(shí)間和醫(yī)院的人力資源，因此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是對(duì)取藥時(shí)間的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中先在HMI串口屏上進(jìn)行相關(guān)的選擇后，再用IC磁卡最后確認(rèn)信息。取藥時(shí)間的計(jì)算是刷卡結(jié)束后電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)并將藥品送出的時(shí)間間隔。測(cè)量結(jié)果顯示，自動(dòng)取藥系統(tǒng)的平均取藥速度為8.68 s，相對(duì)于傳統(tǒng)的取藥時(shí)間，取藥系統(tǒng)的取藥速度得到極大提升，可以極大地緩解醫(yī)院信息系統(tǒng)（HIS）的壓力。并且，相比于當(dāng)前矩陣鍵盤(pán)式系統(tǒng)的購(gòu)買(mǎi)，更為便捷，可以增加患者的滿(mǎn)意度。

5結(jié)束語(yǔ)

隨著嵌入式、自動(dòng)控制等技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，醫(yī)療系統(tǒng)和設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入了智能化、自動(dòng)化時(shí)代，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)取藥系統(tǒng)，通過(guò)RC522讀卡的方式確定目標(biāo)用戶(hù)，運(yùn)用HMI串口屏進(jìn)行可視化的人機(jī)交互操作，終端處理器STM32F104ZET6進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析，控制步進(jìn)電機(jī)送藥，完成整個(gè)選、送藥流程，大大提升了取送藥效率。經(jīng)過(guò)測(cè)試，自動(dòng)取藥系統(tǒng)識(shí)別與處理的時(shí)間在8.68 s，可大大提高醫(yī)院、藥房的工作效率。

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