基于STM32的自動取藥系統設計

汪世波 李莉 苗志浩 俞陳建 劉煜 許文丹

摘要：針對目前大部分醫院采用人工取藥的方式造成取藥效率低的問題，設計并完成了一種基于STM32F103ZET6微處理器的自動取藥系統。自動取藥系統為自助式操作，由人機接口（Human Machine Interface，HMI）和人機交互界面完成藥品的獲取，集成電路卡的（Integrated Circuit，IC）磁卡模塊進行最后的確認和購買。系統可以提高患者取藥的速度、降低取藥的錯誤率、保證用藥安全，并且減少醫務人員的工作強度、節約勞動成本、增加醫院賬目透明度、提高患者的滿意度。

關鍵詞：差錯率；自動取藥；步進電機；HMI串口屏；嵌入式

中圖分類號：TP311文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2020）04-68-4

0引言

在當前醫療環境下，患者候藥時間是評價藥學服務質量的重要指標之一，縮短患者取藥時間是當務之急。對于中國這樣一個人口大國，取藥問題一直都是一個難題，自1958年北京市醫院藥房提出要“千方百計取消取藥排隊現象”以來[1-4]，很多醫院采用各種方法降低排隊取藥時間，諸多學者提出了多種加快取藥速度的方法，設計了各種醫療器械[5-7]。例如對于麻醉科特殊藥品，提出了藥箱式管理，一定程度上增加了取藥速度，而藥房取藥機器人的提出[8-9]，為取藥增加了一種途徑。自動化藥房的探索優化了傳統藥房的取藥過程，縮減了時間。就目前來說，這些醫療器械對于取藥速度及步驟的幫助較為片面。而自動化取藥不但能加快取藥速度，而且步驟少、流程少，具有廣闊的發展前景[10-12]。針對患者取藥困難的問題，提出了基于STM32F103ZET6微處理器的自動取藥系統。對比藥房人工取藥時間，此取藥系統可大大提升取藥效率，并且采用ASTART HMI進行調試，驗證了系統的正確性和有效性。

1系統設計分析

1.1功能需求分析

自動取藥系統需要先在人工選擇狀態下進行全自動取藥，所以人機交互是本系統很重要的一部分，對于用戶尋卡成功并通過人機交互模塊進行人工選擇藥品后，需要對數據進行采集、處理、傳輸，并對步進電機進行控制，所以終端處理單元以及電源模塊、步進電機驅動模塊的搭建是本系統的核心。

1.2主控微處理器的選擇

為了保證整個電路的實現，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兩種存儲器，調試模式分為串行調試（SWD）和JTAG接口，最多高達112個的快速I/O端口、11個定時器和13個通信接口。STM32采用ARM Cortex-M內核的32位微控制器，具有高性能、實時性強、低功耗和便于低電壓操作等優點，同時還易于開發。

STM32單片機處理數據的能力較強，本次設計需要處理的模擬量很多，且從芯片安全度考慮，STM32系列單片機數據存儲安全性較高。綜合考慮，決定選用STM32單片機作為核心處理MCU，具體型號為STM32F103ZET6。

1.3系統總體設計

綜合系統的功能需求配合現有技術，系統主要由MCU電路、電源供電模塊、人機交互模塊、步進電機驅動模塊和RC522射頻模塊5個模塊構成，該系統的框圖如圖1所示。RC522射頻模塊主要用于讀卡，并通過SPI接口與MCU連接通信。人機交互模塊主要用于人與機器的可視化交互、藥品的選擇，步進電機模塊主要用于藥品的投放。

2硬件設計

2.1 MCU電路

MCU電路選用STM32F103ZET6作為主控芯片，因為所有的數據處理與發送都集中在終端模塊中，同時集成化整個下層硬件，為了功能的實現以及高效性，系統選用了STM32F103來構建整個下層電路。STM32F103是一款應用32位微控制器以及72 MHz功耗的以Cortex-M3為內核，擁有各個模塊功能的高度集成化的開發板。電機的驅動、串口功能的實現以及數據包的推送都是Cortex-M3引腳操作實現的。

2.2供電模塊的設計

供電模塊整體設計如圖2所示，步進電機的驅動使用的是5 V電壓。

2.3人機交互模塊的設計

工業串口屏、工業組態屏等是專門用來做工業智能顯示儀表的屏幕，一般都有軟件以拖控件的形式對GUI界面進行設計。本次設計使用的是USART HMI智能串口屏，顯示屏自帶GUI，供電就可以使用，可通過串口通信對控件上的參數進行修改，還有一些特定的指令可實現一些功能操作，任何有串口通信功能的單片機都可以帶動，串口屏界面如圖3所示。

2.4 MFRC522射頻模塊

MFRC522利用了先進的調制和解調概念，完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議[13]，支持14443A兼容應答器信號。數字部分處理ISO14443A幀和錯誤檢測。此外，還支持快速CRYPTO1加密算法，用于驗證MIFARE系列產品。MFRC522支持MIFARE系列更高速的非接觸式通信，雙向數據傳輸速率高達424 kbit/s。采用Philips MFRC522原裝芯片設計讀卡電路，使用方便。通過SPI接口簡單的幾條線就可以直接與用戶任何CPU主板相連接通信，保證模塊穩定可靠地工作。

2.5步進電機驅動模塊

驅動步進電機的驅動器選用ULN2003A，是一種新型的7路高耐壓、大電流達林頓晶體管驅動IC，ULN2003A常見的封裝有DIP-16，SOP-16，TSSOP-16三種，而ULN2003A常用的是DIP-16或者SOP-16，它有16個引腳，1～7是輸入引腳，10～16是輸出引腳，8號引腳是接地端，9號引腳是鉗位二極管公共端。

ULN2003A內部包含7個獨立的達林頓管驅動單路，單個達林頓管集電極可輸出500 mA電流。電路內部有續流二極管，可用于驅動繼電器、步進電機等電感性負載。每一路達林頓管串聯一個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。使用的步進電機為四相步進電機，采用直流電源供電，只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉動，四相八拍運行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

3軟件設計

在系統供電后，MCU首先對整體電路進行初始化，包括對數據的初始化，對各GPIO口的初始化，初始化需要延時一段時間，防止之前數據對之后數據的影響[14-15]。系統設計了中斷觸發的模式來檢測是否有高低電平的變化，外部中斷是由于外部干擾而發生的計算機系統中斷，無論是來自用戶、外圍設備，其他硬件設備還是通過網絡。這些與機器通過程序指令讀取時自動發生的內部中斷不同，整個系統在正常情況下只進行主要功能的實現或者休眠模式，同時一直檢測外部設備引腳是否有中斷觸發的信號，一旦有外部中斷觸發后，整個硬件進入中斷功能的實現，然后在中斷結束后，設備自動恢復到之前的狀態。

初始化完成后，人機交互界面啟動，等待用戶操作，RC522射頻模塊檢測讀卡數據并在HMI串口屏上顯示，用戶通過串口品進行相應操作，MCU實時采集相關用戶操作數據并進行處理，控制步進電機轉動送藥，系統流程如圖4所示。

4系統功能測試

在傳統取藥方式中，取藥錯誤是不可忽略的一大缺陷，誤差主要來自藥師、電腦系統和管理三方面，其中，藥師因素是造成誤差最重要的部分，對比傳統取藥方式，自動取藥系統采用自動化控制，能夠提高取藥的精準度、彌補人工操作帶來的誤差。

傳統取藥步驟繁瑣，在固定窗口刷卡收費后，需要到其他窗口進行排隊等手續。自動取藥系統的最大優勢在于節約病人的取藥時間和醫院的人力資源，因此實驗內容主要是對取藥時間的測試。實驗過程中先在HMI串口屏上進行相關的選擇后，再用IC磁卡最后確認信息。取藥時間的計算是刷卡結束后電機開始運轉并將藥品送出的時間間隔。測量結果顯示，自動取藥系統的平均取藥速度為8.68 s，相對于傳統的取藥時間，取藥系統的取藥速度得到極大提升，可以極大地緩解醫院信息系統（HIS）的壓力。并且，相比于當前矩陣鍵盤式系統的購買，更為便捷，可以增加患者的滿意度。

5結束語

隨著嵌入式、自動控制等技術的進步和發展，醫療系統和設備已經進入了智能化、自動化時代，本文設計的自動取藥系統，通過RC522讀卡的方式確定目標用戶，運用HMI串口屏進行可視化的人機交互操作，終端處理器STM32F104ZET6進行數據的處理和分析，控制步進電機送藥，完成整個選、送藥流程，大大提升了取送藥效率。經過測試，自動取藥系統識別與處理的時間在8.68 s，可大大提高醫院、藥房的工作效率。

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