基于STM32與NB-IoT的揀藥系統(tǒng)設(shè)計

魏東杰，劉美麟，張峻山，田官權(quán)

（1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 601010；2.西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621010）

0 引 言

隨著科技的快速發(fā)展，人們的生活漸漸智能化，讓科技走進(jìn)民生乃大勢所趨，而醫(yī)療又是民生的最大需求之一。目前對于一些采取人工取藥方式的醫(yī)院，存在勞動強(qiáng)度較大、處方處理速度慢等問題，因此研究智能設(shè)備服務(wù)于醫(yī)院乃大勢所趨[1]。對此現(xiàn)狀，利用STM32作為主控，運(yùn)用NB-IoT技術(shù)、檢測技術(shù)、云數(shù)據(jù)庫技術(shù)、圖形UI應(yīng)用程序開發(fā)、微信小程序開發(fā)等研究了一種自動揀藥裝置，用于管理藥品信息并能實(shí)現(xiàn)對多種藥品的自動上藥、儲藥與揀藥過程的管理與監(jiān)控，提高藥房的運(yùn)行效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文揀藥系統(tǒng)整體采用分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，這種結(jié)構(gòu)的基本思想是分級管理、配置靈活。從設(shè)備級到管理級共4個分級，分別是管理級、監(jiān)控級、控制級、設(shè)備級。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

管理級包括藥物管理數(shù)據(jù)庫，手機(jī)端小程序和PC端人機(jī)交互界面。根據(jù)系統(tǒng)所面臨的實(shí)際業(yè)務(wù)及性能需求，選擇合適的數(shù)據(jù)庫存儲藥品信息；使用Qt設(shè)計合適的PC端UI界面，讓醫(yī)護(hù)人員能方便實(shí)現(xiàn)上藥取藥等功能；使用微信小程序開發(fā)工具設(shè)計小程序，實(shí)現(xiàn)患者端取藥狀態(tài)監(jiān)測與藥方查看等功能。

監(jiān)控級便是物聯(lián)網(wǎng)平臺，物聯(lián)網(wǎng)平臺選用阿里云，其為用戶提供了安全可靠的通信能力，其支持設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云，規(guī)則引擎流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)和云端數(shù)據(jù)下發(fā)設(shè)備端，在揀藥系統(tǒng)中發(fā)揮著數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾饔肹2]。

控制級采用STM32主控，通過控制步進(jìn)電機(jī)和傳送帶實(shí)現(xiàn)上藥，通過GPRS模組連接阿里云，完成實(shí)時上報數(shù)據(jù)到云端的操作，通過與Qt界面通信和手機(jī)端小程序?qū)崿F(xiàn)取藥。

設(shè)備級為揀藥系統(tǒng)裝置，其由上藥部分和取藥部分組成。根據(jù)特性與參數(shù)，選擇滿足本項目需求的型號，運(yùn)用運(yùn)動控制技術(shù)，通過智慧揀藥裝置的電磁閥和步進(jìn)電機(jī)等對系統(tǒng)進(jìn)行操作。

2 硬件方案設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

揀藥系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，主要由三維移動滑臺模組構(gòu)成自動上藥部分，水平傳送帶組成該系統(tǒng)的儲藥以及取藥部分，在無用藥需求時藥品存儲在傳送帶上，當(dāng)醫(yī)生操作管理系統(tǒng)取藥時，相應(yīng)藥品的傳送帶在系統(tǒng)控制器的控制下向前移動合適的距離，使得藥品掉落，完成出藥。

圖2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.2 主控模塊

主控采用STM32F1系列單片機(jī)。對于揀藥系統(tǒng)的自動上藥及取藥的控制需求，F(xiàn)1系列單片機(jī)能夠較好滿足，同時不會因資源冗余而造成不必要的浪費(fèi)。此外，STM32支持基于Paho MQTT協(xié)議棧連接阿里云，為揀藥機(jī)連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺提供了保障。

2.3 通信模塊

系統(tǒng)設(shè)計時選用GPRS模組。相比WiFi模塊而言，GPRS模塊連接網(wǎng)絡(luò)更為方便，能滿足揀藥系統(tǒng)的移動性需求。GPRS模組采用安信可A9G模組，該模組不僅能通過串口發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)信息發(fā)送、語音通話等功能，還能連接物聯(lián)網(wǎng)。由于其功能豐富，故被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。模組電路連接如圖3所示，左側(cè)為A9G芯片、右上為SIM卡槽、右下為咪頭，采用該模組可以將STM32連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，同時通過AT指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)布與訂閱。

圖3 GPRS聯(lián)網(wǎng)模組

2.4 傳感器

揀藥系統(tǒng)采用TCRT5000傳感器實(shí)現(xiàn)對在傳送帶上藥物的監(jiān)測。傳送帶末端傳感器用于檢測系統(tǒng)是否處于上藥狀態(tài)并核實(shí)上藥數(shù)量；傳送帶前端傳感器用于檢測控制調(diào)取規(guī)定數(shù)量的藥品。TCRT5000傳感器具有高靈敏度等特點(diǎn)，且其輸出信號經(jīng)過施密特電路整形后信號穩(wěn)定可靠，盡力保證藥品檢測時不出現(xiàn)誤檢[3]。此外，在上藥過程中為防止機(jī)械爪把藥品抓壞，特加入了壓力傳感器模塊，當(dāng)壓力傳感器檢測到壓力后停止舵機(jī)轉(zhuǎn)動，有效保證藥品完好無損。

3 軟件設(shè)計

3.1 揀藥裝置端

揀藥裝置端程序流程如圖4所示。在裝置啟動后，系統(tǒng)自動檢測是否插入SIM卡，若不存在則提示用戶；若裝置內(nèi)存在SIM卡，且該卡功能正常，裝置自動接入阿里云。裝置成功接入阿里云后便開始不斷執(zhí)行信息上報、信息獲取并顯示、觸發(fā)上藥及取藥等一系列操作。

圖4 藥盒端程序功能

對于上藥裝置，機(jī)械爪上的攝像頭通過識別藥盒上特定的條碼，利用步進(jìn)電機(jī)組成的三維立體裝置將藥品放置在對應(yīng)傳送帶上，并把藥品信息上傳至云端。對于取藥裝置，當(dāng)客戶使用微信小程序進(jìn)行購藥、取藥操作時，相應(yīng)的傳送帶便會移動一定距離使藥品掉落，通過傳送帶上傳感器識別的次數(shù)來計算剩余的藥品并上傳至云端。對于Qt界面，顯示藥品信息，方便用戶使用。

3.2 阿里云端

揀藥裝置與微信小程序依靠阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺聯(lián)系在一起，通過MQTT協(xié)議的訂閱/發(fā)布完成揀藥裝置端與小程序端的信息交互[4]。MQTT發(fā)布、訂閱信息相對更簡單、容易。使用該協(xié)議，消息發(fā)送與接收方均不受時空限制。通過阿里云平臺，揀藥裝置與小程序可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接、完成數(shù)據(jù)傳輸以及遠(yuǎn)程控制等。

標(biāo)準(zhǔn)的MQTT協(xié)議一般直接訂閱雙方相應(yīng)的主題，然后向主題發(fā)布消息。但需要注意的是，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的主題訂閱設(shè)有權(quán)限，并且在訂閱主題之后還需要設(shè)定相應(yīng)的規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，否則即使訂閱了相應(yīng)的主題，還是不會收到控制端或其他設(shè)備端發(fā)送的消息。通過使用規(guī)則引擎—云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)MQTT的相互收發(fā)。

3.3 小程序端

微信小程序提供有云開發(fā)功能，通過使用其提供的云數(shù)據(jù)庫、云函數(shù)等，開發(fā)者可以較為容易的滿足數(shù)據(jù)存儲等需求[5]。在小程序中，通過調(diào)用MQTT相關(guān)庫，可以較容易連接阿里云平臺。小程序的功能如圖5所示。小程序自動連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺并獲取云端數(shù)據(jù)，顯示在主界面。由主界面可以完成對藥物信息的查看和選購。在信息管理界面可以實(shí)現(xiàn)個人資料的設(shè)置，保護(hù)病人隱私[6-8]。

圖5 小程序端程序功能

4 結(jié) 語

針對當(dāng)前社會醫(yī)院藥房人工取藥效率低下等問題，文中設(shè)計了一個應(yīng)用NB-IoT技術(shù)、檢測技術(shù)、云數(shù)據(jù)庫技術(shù)、圖形UI應(yīng)用程序開發(fā)、微信小程序開發(fā)等可實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的智慧揀藥系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用PC端界面及微信小程序進(jìn)行管理與監(jiān)控，便于醫(yī)生及用戶操作和查看信息。系統(tǒng)采用分模塊設(shè)計，技術(shù)方實(shí)施較為簡單，穩(wěn)定性強(qiáng)。隨著生活的智能化，智慧揀藥系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用空間[9-10]。