醫(yī)療輔助智能車的研究與設計

中國礦業(yè)大學徐海學院 郭榮毓 任姝靜 陳宇航 王天陽 趙永亮

該醫(yī)療輔助智能車主要以樹莓派及STM32作為主控，使用python和C語言作為主要編程語言設計的以人臉識別及紅外測溫為主要功能的智能醫(yī)療小車，該智能車還包含了無線數(shù)據(jù)傳輸、酒精消毒檢測、帶載物品等功能，在這之中我們還參考了現(xiàn)在的醫(yī)療器械的制作設計方案，完善功能、提高使用體驗。本文主要講述了該醫(yī)療輔助智能車每個功能模塊的研究設計過程及其應用前景，通過對功能的研究分析表明，該醫(yī)療輔助智能車的智能化便捷化能更好的減輕醫(yī)務人員的負擔和感染風險。

2020年初新型冠狀病毒開始肆虐擴散，廣大醫(yī)務工作者挺身而出沖鋒在抗戰(zhàn)疫情的第一線，在此期間一些醫(yī)護人員不幸感染，甚至獻出了自己的生命，還有一些醫(yī)務工作者由于過度勞累倒在病床前，一些痛心的畫面在此次疫情期間尤為突出。并且醫(yī)療行業(yè)是一個與居民生命健康息息相關的產業(yè)，當前人們對醫(yī)護人員的關切度越來越高，而且隨著當前疫情在全球不斷蔓延，醫(yī)生的安全問題成為人們至關重要的焦點。而醫(yī)療輔助型機器人作為人工智能時代在醫(yī)療領域應用的深化，也開始嶄露頭角，進入大眾的視線。為了更好的保護醫(yī)護人員的安全以及減輕他們的負擔研究設計出了該醫(yī)療輔助智能車，同時該產品也適用于養(yǎng)老院等服務型場所。該醫(yī)療輔助智能車可以更好的幫助醫(yī)生護士完成簡單的操作，尤其在這種傳染性很強的疾病中作用頗具顯著。有數(shù)據(jù)指出預計未來十年是智能醫(yī)療增長牛市，并有專家人士認為未來醫(yī)療輔助小車將會顛覆現(xiàn)有醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展格局。

1 各功能模塊簡介

該醫(yī)療輔助智能車以STM32為主控芯片，樹莓派作為車體控制器，應用PID算法通過樹莓派與移動端配對連接用指令來實現(xiàn)對智能小車自動避障導航等移動的控制。并在車體上加載紅外測溫模塊對人體溫度的反饋，用open cv攝像頭模塊采集人臉信息，并將人物信息和溫度數(shù)據(jù)一并通過STM32主控板和wifi無線模塊傳輸?shù)揭苿佣?，達到時刻提醒醫(yī)生、護士病人提問指標的目的。除此之外醫(yī)療輔助智能車還通過抽水泵噴灑消毒液來對可疑房間進行消毒，如果房間酒精濃度偏高濃度測量模塊會對另酒精噴灑作業(yè)立即停止，從而防止因消毒液濃度過高造成不良影響。并且小車主體還搭載了貯藏功能，可以存放一些藥物、醫(yī)療器械等從而解放醫(yī)護人員的雙手，還可在儲存功能的地方放置紫外線燈來達到物理消毒的效果，其總體功能框圖如圖1所示。

圖1 醫(yī)療輔助智能車總體功能框架

1.1 智能小車主體功能研究設計

智能小車的設計分為了基礎框架層、傳感器層、控制層和執(zhí)行層。通過各層間的相互作用與在PC機上下載安裝Ubuntu虛擬機，并在虛擬機上安裝ros系統(tǒng)與樹莓派通過指令調試連接從而控制小車的導航避障的功能。

（1）基礎框架層：基礎框架層采用雙層底板亞克力+雙層主板亞克力使得小車主體更加堅固除此之外還包括還包括兩個直徑65mm優(yōu)質橡膠輪，一個1.5寸尼龍以及萬向輪和2個495線電機，使輪子轉動一圈會產生的脈沖信號高達1980個從而達到高精度便捷轉向。

（2）傳感器層：傳感器層采用思嵐A1雷達與樹莓派相連，通過將雷達測量的數(shù)據(jù)發(fā)送到樹莓派來控制小車。思嵐A1雷達結構簡單并且能實現(xiàn)遠距離探測的功能，不受霧云雨的阻擋，具有全天候全天時的特點，而且激光雷達還具有一定的穿透能力，適合于醫(yī)院這種復雜環(huán)境的應用。

（3）控制層：控制層采用樹莓派與PC機相連，通過樹莓派自發(fā)的局域網(wǎng)使PC機和樹莓派同處于一個局域網(wǎng)下進行互相通信，其中樹莓派內嵌有ROS系統(tǒng)。

（4）執(zhí)行層：執(zhí)行層則包括STM32F103主控板、電機驅動模塊和降壓模塊并將三個模塊融合到一塊板子上從而防止因電子模塊過多而造成的小車整體的凌亂，其中降壓模塊是將為電機供電的12V電源降到5V來為STM32F103主控板和樹莓派進行供電，STM32F103主控板則是將控制層樹莓派發(fā)出的指令進行轉化用電機驅動模塊運用差速法控制電機來達到轉向或啟停的目的。

1.2 紅外測溫功能研究設計

紅外測溫功能是根據(jù)被測物體的紅外輻射出的能量來確定物體的溫度，不與被測物體接觸，所以不影響到被測物體溫度場的分布。具有溫度分辨率較高、響應速度較快、測溫范圍較廣、不受測溫上下限的限制、穩(wěn)定性好、可以測量微小目標溫度等特點，應用領域頗為廣泛。對于該功能的實現(xiàn)我們采用MLX90614紅外非接觸式測溫傳感器，其工作電壓5V，10°FOV(field of view)，可測量溫度范圍為環(huán)境溫度-40℃～125℃，物體溫度-70.01℃～+382.19℃，足以達到該項目對測溫的要求，溫度數(shù)據(jù)輸出有PWM和SMBus兩種模式。該系列模塊的溫度解析度可達0.01°C，體積小巧，目標溫度和環(huán)境溫度由內部81101內置的熱電偶測定測量，從81101中輸出的兩路溫度信號是由被檢測物體的溫度（To）與傳感器自身的溫度（Ta）共同作用的結果，在理想情況的下熱電元件的輸出電壓為：

其中溫度單位均為Kelvin，A為元件的靈敏度常數(shù)。

輸出的電壓信號分別經(jīng)內部MLX90302器件上高性能、低噪聲的斬波穩(wěn)態(tài)放大器放大再經(jīng)一個17-bit的模數(shù)轉換器（ADC）和強大的數(shù)字信號處理(DSP)單元后輸出，并于STM32F4單片機相應的規(guī)定端口相連，單片機接收信號后通過內部程序的控制運算可實現(xiàn)高精度和高分辨率的溫度采集。

1.3 消毒液噴灑控制功能研究設計

醫(yī)療輔助智能車中該功能模塊主要由控制單元和執(zhí)行單元構成。

（1）控制單元：控制單元由MQ-3酒精濃度傳感器和STM32F4單片機構成。Risym MQ-3消毒水濃度傳感器具有穩(wěn)定性高、靈敏度高、選擇性好以及使用壽命長的特點，該模塊由微型Al2O3、陶瓷管和SnO2敏感層、測量電極和加熱器構成敏感元件，固定在塑料或者不銹鋼的腔體內，加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件，當其受熱后，加溫室環(huán)境中的可燃氣體濃度迅速增大，傳感器的內阻阻值將會迅速降低，Vout值將逐漸增大，當超過設定閾值時，其數(shù)字端輸出高低電平發(fā)生轉化并將信號發(fā)送給單片機，通過單片機內部程序控制另執(zhí)行單元中的繼電器達到消毒液噴灑啟停的控制。

（2）執(zhí)行單元：執(zhí)行單元由12V抽水泵、消毒水儲存箱和繼電器構成，由于STM32F4單片機最大輸出電壓為5V無法直接給12V的抽水泵供電所以要通過繼電器間接控制從而達到不同電壓同時控制的要求。

1.4 人臉識別功能研究設計

本醫(yī)療輔助智能車該功能采用的是基于opencv開源視覺庫進行人臉識別的方法。OpenCV是開源的，它對圖像處理方面的函數(shù)和工具類代碼經(jīng)過了優(yōu)化，具有可移植性好、實時和執(zhí)行率高等特點。整個系統(tǒng)先通過攝像頭對病人的所有的類harr特征進行采集，再采用Adaboost算法進行人臉的檢測，然后采用PCA降維算法獲取特征臉子空間，把PC平臺的人臉識別分類器下載到嵌入式目標平臺，最后結合最近鄰匹配算法達到在線人臉識別的效果。特征提取是人臉識別的其中問題之一。PCA采用的是一種數(shù)據(jù)降維的方法，它將數(shù)據(jù)維數(shù)高的樣本用較少的特征向量去描述，目的是壓縮數(shù)據(jù)。在降維過程中，要使用向量線性變換來表示數(shù)據(jù)的關鍵信息，所以能盡可能的保留人臉的主要信息。Opencv通過和STM32F4串口相連再通過無線通信模塊間接與移動端進行信息交換，達到人臉信息識別調用的作用。

1.5 無線通信功能研究設計

醫(yī)療輔助智能車中該功能主要用于溫度測量和人臉識別數(shù)據(jù)通過該功能與移動數(shù)據(jù)端通信，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)實時遠距離互傳的目的。此功能我們將用ATK-ESP8266 WIFI模塊來實現(xiàn)。其內含TCP/IP協(xié)議棧，進而實現(xiàn)單片機串口與WIFI之間的轉換。利用ESP8266模塊，只要對醫(yī)療智能車上的普通串口進行簡單的串口配置，就可以通過WiFi傳輸體溫檢測結果、人臉識別數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。該醫(yī)療輔助智能車采用的是AP模式：ESP8266自身開啟Wi-Fi，作為一個熱點，手機或電腦直接連到ESP8266的熱點從而進行所需數(shù)據(jù)的傳輸控制。

2 總結語

本文設計的是以樹莓派及STM32作為主控的醫(yī)療智能車，此車采用MLX90614紅外測溫模塊、使用open cv模塊對病人信息采集數(shù)據(jù)后通過ATK-ESP8266無線模塊與上位機無線通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。通過MQ-3酒精傳感器模塊進行消毒液濃度的檢測控制其噴灑的啟停來達到醫(yī)院以及其他公共場所消毒作業(yè)的作用。實驗數(shù)據(jù)表明整個醫(yī)療輔助智能車系統(tǒng)性能穩(wěn)定、使用方便、安全可靠。所以，未來市場應用前景廣闊、推廣價值高。