基于STM32和OpenMV的全自動無接觸送藥小車系統(tǒng)

齊曼，胡乃瑞,2，安天洋，高唯峰

（1.沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，遼寧沈陽，110000；2.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，遼寧沈陽，110016）

0 引言

新冠疫情暴發(fā)，醫(yī)護(hù)人員需要為病人送取藥物，為降低與病人接觸過程中引起的交叉感染風(fēng)險，減輕工作負(fù)擔(dān)，以及讓年老的病人正常服藥。在此背景下設(shè)計自動無接觸送藥小車系統(tǒng)，模擬醫(yī)院病房設(shè)置，鋪設(shè)模擬病房軌道，軌道平面設(shè)置為白色，小車行駛的路徑設(shè)置為紅色，為方便測試，設(shè)置八個病房，模擬病房軌道，每個病房號碼可以任意設(shè)置，將病房號碼放在病房入口處，即放置在小車行駛的十字路口處，方便攝像頭識別。本系統(tǒng)實現(xiàn)全自動智能送取藥物，設(shè)置一鍵啟動，在打開電源后，識別相應(yīng)病房號碼，在檢測到放置藥物后會自動啟動，沿著軌道向相應(yīng)病房運送藥物，在檢測到病人取藥后，會自動返回藥房，醫(yī)護(hù)人員與病人全程無接觸，降低了傳染風(fēng)險，并且節(jié)省人力成本，減少人員緊張情況下在送取藥物方面的人員分配，提高了整體工作效率，為醫(yī)院減輕了工作負(fù)擔(dān)，應(yīng)用前景廣泛，隨著技術(shù)的不斷推進(jìn)，也可用于其他領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)以STM32F103作為核心處理芯片，搭載外圍電路以及灰度傳感器，OpenMV攝像頭模塊，橋式整流直流電機(jī)驅(qū)動以及直流減速電機(jī)等模塊設(shè)計并制作出的自動無接觸送藥小車系統(tǒng)。根據(jù)實際情況設(shè)計，首先通過攝像頭識別病房號碼，鎖定小車送藥的目標(biāo)病房，此部分可以通過人為觀察識別號碼是否正確，若不正確可以通過復(fù)位重新識別，直到識別號碼正確，然后將需要運送的藥品放置在小車上，小車識別到放置藥品后，自行啟動，通過灰度傳感器返回的數(shù)據(jù)值調(diào)節(jié)占空比，進(jìn)而控制PWM控制小車尋跡，并通過攝像頭識別病房號碼，在檢測到指定病房號碼的位置坐標(biāo)后，將坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)控制小車進(jìn)入相應(yīng)病房并自動停車，在識別到卸載藥物后按照原軌跡返回藥房。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括：主控模塊，攝像頭模塊，尋跡模塊。

■2.1 主控模塊

主控模塊采用STM32F103作為主控芯片，此控制器具有強(qiáng)大的庫資源，并且開發(fā)簡易，功耗低，處理速度快，便于開發(fā)使用。主控模塊通過串口通信與攝像頭建立聯(lián)系，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊采集小車行駛路徑的信息，將采集到的灰度信息通過PID處理后將數(shù)據(jù)加在相應(yīng)的占空比進(jìn)而調(diào)節(jié)PWM波使小車正常運行；連接紅外光電傳感器檢測是否裝載或取走藥品進(jìn)而啟動小車。

■2.2 攝像頭模塊

本系統(tǒng)采用的攝像頭為OpenMV，OpenMV具有強(qiáng)大的開源庫，可以實現(xiàn)多種功能，并具有數(shù)據(jù)存儲的卡槽，可以存儲大量的數(shù)字模板，方便進(jìn)行多模板匹配。OpenMV攝像頭通過串口通信協(xié)議與主控模塊建立聯(lián)系，方便功能的開發(fā)與使用，并且具有小巧的特點，適合安裝于小車上，符合本系統(tǒng)功能的開發(fā)。

■2.3 尋跡模塊

尋跡模塊采用模擬灰度常感器，模擬灰度傳感器利用不同顏色的檢測面對光的反射程度不同，光敏電阻接收到的反射光不同，其阻值也會有所不同的原理分析出檢測面的不同顏色，其工作電壓范圍比較寬，在電源電壓波動較大的情況下仍然可以正常工作。它可以輸出連續(xù)的模擬信號，更容易通過A/D轉(zhuǎn)換反映檢測面的顏色信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分設(shè)計主要包括攝像頭數(shù)字識別模塊，循跡模塊兩大部分。系統(tǒng)總體流程圖如圖2所示。

圖2 軟件設(shè)計總體流程圖

■3.1 攝像頭識別模塊

攝像頭模塊的軟件設(shè)計，首先采集不同角度病房號碼的數(shù)字信息形成樣本庫保存到OpenMV的SD存儲卡中，通過多模板匹配識別算法增加藥房數(shù)字識別的準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性，識別數(shù)字后分析藥房號碼所在位置坐標(biāo)，將坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過坐標(biāo)數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的指令。攝像頭的數(shù)字識別流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)字識別流程圖

■3.2 尋跡模塊

尋跡模塊采用兩路模擬灰度傳感器，兩路傳感器返回值作差得到的偏差值輸出，通過PID算法控制電機(jī)信號輸入進(jìn)而控制小車的平穩(wěn)運行。左右兩路傳感器同時還具有檢測轉(zhuǎn)彎點的功能，正常行駛時，兩傳感器位于白色路面上方，返回值均較大，由于病房轉(zhuǎn)角處是十字交叉線，當(dāng)行駛到此處時，兩路傳感器返回值會驟減，因此在行駛軌道檢測返回數(shù)據(jù)值，提前設(shè)定閾值，當(dāng)兩傳感器返回值之和小于某一特定閾值，便會結(jié)合攝像頭讀取數(shù)字后輸出的轉(zhuǎn)向標(biāo)志位，進(jìn)入指定病房內(nèi)。尋跡流程圖如圖4所示。

圖4 尋跡流程圖

4 算法設(shè)計

■4.1 PID算法

PID算法在工業(yè)控制中占有非常重要的地位，通過閉環(huán)控制調(diào)節(jié)在實際執(zhí)行輸出過程中與預(yù)設(shè)值所產(chǎn)生的誤差，尤其在智能循跡小車方面對其運行穩(wěn)定性有極其重要的意義。所以在本系統(tǒng)所涉及的智能送藥小車中的尋跡部分引入PID算法，增加小車運行的穩(wěn)定性。PID算法主要是將灰度傳感器反饋的數(shù)據(jù)值通過比例，積分，以及微分三部分運算調(diào)節(jié)實際輸出值與預(yù)設(shè)值的誤差。本系統(tǒng)的PID算法總體流程如圖5所示。比例運算是用于調(diào)節(jié)實際輸出值與預(yù)設(shè)值的偏差，通過設(shè)置比例系數(shù)Kp的值調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)速度，進(jìn)而消減小偏差。積分運算通過對偏差在偏差時間內(nèi)不斷進(jìn)行積分運算將偏差不斷累計并加到原有系統(tǒng)中進(jìn)而減小靜態(tài)誤差，微分運算在系統(tǒng)產(chǎn)生變化時盡早引入一個修正信號，增加系統(tǒng)的運行速度。在本系統(tǒng)中調(diào)節(jié)占空比只采用比例運算和微分運算兩部分來對誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖5 PID算法流程圖

■4.2 多模板匹配算法

本系統(tǒng)在使用過程中需要進(jìn)行病房號碼識別，即數(shù)字識別，所以本系統(tǒng)引入多模板匹配算法。傳統(tǒng)的數(shù)字識別方法采用模板匹配算法，將采集模板與拍攝到的圖像進(jìn)行匹配，但由于環(huán)境等因素的影響導(dǎo)致，其精度不高，并不能達(dá)到本系統(tǒng)所需要的準(zhǔn)確度要求，會造成識別病房號碼錯誤進(jìn)而送錯藥大的問題，多模板匹配算法在模板庫構(gòu)建的過程中將數(shù)字模板從偏左偏右偏上偏下以及正常位置五個方面分別構(gòu)建，增加模板庫的多樣性，與傳統(tǒng)模板匹配算法相比抗干擾能力更強(qiáng)，穩(wěn)定性更高，識別錯誤率更低。多模板匹配算法是目前應(yīng)用比較廣泛的數(shù)字圖像識別方法，其原理是將檢測圖像由左到右，由上到下依次遍歷，并依次計算其像素，將其與采集的數(shù)字模型的像素進(jìn)行匹配，確定匹配程度最大的位置并返回其位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)測試

程序測試方案：本系統(tǒng)對病房號碼識別進(jìn)行測試，最后進(jìn)行綜合測試，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。

■5.1 病房號碼識別測試

攝像頭模塊可以單獨進(jìn)行測試，在未安裝到系統(tǒng)前，通過聯(lián)機(jī)進(jìn)行測試，增加測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。為減小環(huán)境對測試的影響，在模擬醫(yī)院路徑上進(jìn)行數(shù)字識別的測試。本系統(tǒng)的模板庫錄入1～8的病房號碼。測試結(jié)果如表1所示。

表1 病號號碼識別測試結(jié)果

本次測試結(jié)果表明其識別的準(zhǔn)確性較高，較為穩(wěn)定。

■5.2 綜合測試

將系統(tǒng)運行流程作為整體進(jìn)行測試，首先識別病房號碼，然后放置藥品，在路徑上是否能尋到指定的病房號碼，并進(jìn)入相應(yīng)的病房，在卸載藥品后是否能自動返回藥房。其測試結(jié)果如表2所示。

表2 綜合測試結(jié)果

本系統(tǒng)通過綜合測試表明其穩(wěn)定性較高，錯誤率較低，適合在實際中應(yīng)用。

6 結(jié)論

本文根據(jù)醫(yī)院等醫(yī)療機(jī)構(gòu)的實際需求展開研究，對系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，硬件以及軟件結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)的描述，對系統(tǒng)主要的兩大模塊分別進(jìn)行測試，并進(jìn)行總體系統(tǒng)的測試，得到了較為理想的測試結(jié)果。本系統(tǒng)具有智能化，操作簡單，方便攜帶，價格低廉，降低人力成本，減少人員接觸等優(yōu)點，適用于醫(yī)院等大型的醫(yī)療機(jī)構(gòu)，替代醫(yī)護(hù)人員送藥工作，減輕醫(yī)護(hù)工作者在送藥方面的人員分配，減輕工作負(fù)擔(dān)，提高工作效率，減少醫(yī)護(hù)人員與患者的接觸，降低醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險。對醫(yī)療機(jī)構(gòu)工作的展開具有深刻的意義。