基于云端的智能售藥系統的設計

侯向鋒，鄧 楠，羅德州，張 瓏

(湖北師范大學 物理與電子科學學院，湖北 黃石 435002)

0 引言

目前，醫院和藥房大多由人工售藥，且多數藥房夜間不營業。醫院取藥窗口前長長的隊伍，不僅讓藥師疲憊不堪，也讓取藥人等得著急。當病人夜間急需用藥時，藥房處于停止營業狀態，給購藥帶來不便[1，2]。隨著自助服務終端的迅速發展和醫療服務水平的提高，無人售藥系統應運而生。國內已有的無人售藥系統均可以實現自動售藥及結賬，但是有些完全沒有自動上藥功能[3，4]，有的可以利用掃碼器半自動上藥[5]。此外，這些自動售藥系統大多不能自動審核取出的藥是否正確。針對存在的問題，本文利用互聯網和圖像識別技術設計了一款基于云端具有自動上藥和審核功能的智能售藥系統。

1 硬件設計

智能售藥系統主要由主控模塊、GPRS(General Packet Radio Service，通用無線分組業務)通訊模塊、藥品識別模塊、動作控制模塊、環境監測模塊和人機界面(Human Machine Interface, HMI)組成。該售藥系統通過GPRS通訊模塊實現與云端服務器的通訊。計算機和手機作為終端控制器可實時監控售藥系統中藥品的庫存情況、實收金額以及環境的溫濕度。系統硬件的整體框圖如圖1所示。

圖1 硬件的整體框圖

1.1 主控模塊

主控模塊采用以微處理器STM32F429ZET6為核心的自主設計的智能售藥系統控制電路板，其尺寸為13cm×14cm×1.6cm.STM32F429ZET6是由ST公司開發的基于ARM Cortex-M4內核的最高工作頻率為168MHz的32位處理器，具有2MB Flash、256+4KB SRAM、168個中斷I/O口、21個通信接口、IEEE 1588V2 10/100M的以太網接口，滿足售藥系統的控制處理及數據同步，為售藥系統入網省去同步和通信處理的負擔，方便系統擴展。

STM32F429ZET6的引腳USART2、USART3、USART4和USART5分別與人機界面、藥品識別模塊和GPRS通訊模塊相連。

1.2 藥品識別模塊

藥品識別模塊采用智能攝像頭OpenMV4 H7 Cam.它是一款基于處理器STM32H743VI的低功耗的圖像識別模塊[6]，具有Lenet數字識別、條形碼識別、二維碼識別、顏色識別、形狀識別等功能。STM32H743VI具有480 MHz超高主頻、1MB RAM、2 MB Flash，能夠快速地處理圖像并通過串口將處理后的數據發送給主控模塊。上藥端OpenMV和取藥端OpenMV的USART分別與STM32F429ZET6的USART3和USART4相連。本系統主要應用其條形碼識別以及文字輔助識別的功能，來獲取藥品的名稱、生產廠家以及條形碼編號，并與服務器中數據進行對比再做出相應的動作。

1.3 動作控制模塊

動作控制模塊主要由電機、電渦流傳感器、紅外感應傳感器、電磁閥、真空吸盤、真空發生器和氣動推桿組成。電機選用銳特57閉環伺服電機，采用上下雙X軸驅動控制結構控制推桿的水平位置，以保證整個電機組穩定地運行。Y軸電機控制推桿的垂直位置，使推桿可以精準到達售藥系統中每個儲藥盒所在的位置。電機由銳特CL57大電流驅動器提供動力。三個CL57的端口EA、DIR分別與STM32F429ZET6的引腳PA4、PA5、PA6、PA7、PC10、PC12相連，控制電機的使能以及運動方向。X軸的兩個電機驅動器CL57的端口PUL都與STM32F429ZET6的引腳PA2相連，Y軸電機驅動器CL57的端口PUL與STM32F429ZET6的引腳PC8相連，控制電機的運動距離。

電渦流傳感器、紅外感應傳感器分別與STM32F429ZET6的PD0、PD1、PD2、PD3、PD13、PD14、PD15相連。電渦流傳感器檢測電機運動的定位，紅外感應傳感器檢驗藥品是否完全移出儲藥盒，它們都是下降沿觸發的外部中斷。動作控制模塊電路原理圖如圖2所示。

圖2 動作控制模塊電路原理圖

真空發生器采用正泰CV-15/25HS 負壓發生器，配合科士達SMC ZPT系列的真空吸盤能夠產生超強的吸力。

1.4 環境監測模塊

藥品的儲存條件較為嚴格，因此需要對售藥系統的溫度、濕度實時監測，并且進行相應的補償措施。溫濕度監測采用溫濕度傳感器DHT11.為了能準確測得藥柜的溫濕度，本系統采用分布式測量，并通過GPRS將柜內的溫濕度上傳至云端。藥柜為半封閉環境，在藥柜內設置小型干燥器，當濕度過大時可進行干燥。當溫度過高時，開啟降溫設備。

1.5 GPRS通訊模塊

GPRS通訊模塊選用的是由有人物聯網有限公司開發的一款工業級多頻段NB-loT模塊USR-GPRS232-7S3，該模塊可工作在GSM850/900和DCS1800/1900四個頻段，具有短信透傳、網絡透傳、HTTPD、UDC 等多種工作模式，支持 GSM/GPRS 網絡以及4 路網絡連接同時在線[7]。USR-GPRS232-7S3的USART與STM32F429ZET6的USART4相連可實現串口與網絡的雙向數據透明傳輸。因此，智慧售藥系統的實時信息可同步到透傳云端服務器。手機端或計算機端可對售藥系統進行遠程實時監控和訪問，讓用戶有良好的體驗。

2 吸盤選型與儲藥盒設計

2.1 吸盤選型

市場上大多數的OTC藥品均為盒裝，表面光滑易于吸取，綜合考慮系統的功能和成本，上藥和取藥均采用吸盤。在上藥和取藥時移動藥品的過程中吸盤處于水平吸取和垂直吸取兩種典型方式，如圖3所示。

圖3 吸盤的典型工作方式

本文選用硅膠吸盤，其直徑為：

(1)

其中m為被吸取藥品的質量，這里按1kg計算；g為重力加速度；為安全系數，水平吸取時，垂直吸取時，本文中取8；為吸盤的個數，本文中n為1；P為吸盤內的真空壓力，為了提高吸盤的吸著能力，縮短吸著響應時間，P一般取真空發生器的最大真空度的63%至95%，本文取83.3%.真空發生器CV-15/25HS提供0.1～0.6Mpa的負壓，本文選取負壓值為0.5Mpa.

根據公式(1)并考慮安全問題結合實際吸盤尺寸，最終選取直徑為20mm的吸盤。

2.2 儲藥盒設計

售藥系統中每個儲藥盒的底部預留兩個螺孔，可將其固定在售藥系統的平臺上。儲藥盒的后端留空，其前端有擋板。側面由兩個M5孔徑的螺母、兩個M4孔徑的螺母、一只M4直徑的螺栓組成。兩個M5孔徑的螺母固定在儲藥盒側面，用于支撐螺栓，而兩個M4孔徑的螺母用于調節擋板的間距。擋板上方設置一紅外感應傳感器，用于檢測藥品是否被完全推出。

3 軟件設計

3.1 主控模塊的程序設計

系統開機后，微處理器STM32F429ZET6對人機界面HMI、動作控制模塊、藥品識別模塊、GPRS通訊模塊進行初始化。默認情況下系統進入主菜單界面，用戶可通過點擊“開始購藥”進行購藥，管理員可點擊“管理員模式”輸入密碼查詢售藥系統的銷售情況和自動上藥。

系統首先需要打開串口2、3、4、5及相關端口的時鐘，接著設置I/O狀態及相應的波特率，設串口2的波特率為9 600bps，設串口3、串口4和串口5的波特率為115 200bps，配置為1位起始位、8位數據位、無奇偶校驗位及1位停止位，使能接收緩沖區非空中斷，并設置中斷優先級。然后打開外部中斷的相關時鐘，設置I/O口的狀態為下降沿觸發，并設置相應的寄存器以及優先級。最后對TIME2、TIME8進行初始化設置。

當系統處于主菜單界面時，用戶點擊“開始購藥”后，可通過人機界面選擇所需藥品然后根據結算信息利用移動支付完成付款。智能售藥系統收到支付完成的消息后，先優化取藥路徑，再啟動動作控制模塊取藥。在取藥的同時啟動藥品識別模塊中的取藥核對OpenMV對取出藥品逐一地核驗。若取出的藥品與用戶的選擇一致，則將其放入藥筐中；若不一致，則將該藥品回收，并給用戶重新取所需的藥品，直到取出的藥品與用戶的選擇一致為止。當選擇的藥品全部取出，則打印清單，用戶完成取藥。

當系統處于主菜單界面時，管理員點擊“管理員模式”后，通過人機界面不僅可以訪問售藥系統的銷售數量、實收金額、藥品庫存量等，還可以查看系統所處環境的溫濕度和實現自動上藥。上藥時藥品識別模塊中的上藥識別OpenMV首先對藥品進行識別，如果系統中已有此藥，則通過吸盤將之運送到相應的儲藥盒之中；如果是新藥，則創建藥品信息，并根據藥盒尺寸分配新的儲藥盒并運送到該儲藥盒中。軟件整體流程圖如圖4所示。

圖4 軟件的整體流程圖

3.2 人機界面的程序設計

人機界面采用面向對象的編程語言進行設計。開機時人機界面處于主菜單界面。此界面包括“開始購藥”“管理員”和“語音求助”三個按鈕。用戶以及管理員都是通過HMI選擇系統的工作模式。不管是用戶選擇藥品以及數量，還是管理員統計庫存或上藥，都通過串口發送指令給主控制器進行數據處理。部分人機界面顯示如圖5所示。

(a)主菜單界面

3.3 藥品識別模塊程序設計

智能售藥系統自動上藥時需要對藥品識別，用戶取藥時需要對藥品審核，這分別由上藥OpenMV和取藥OpenMV來實現。系統中的OpenMV可以采用條形碼掃描和文字輔助處理兩種方式進行識別。當一種藥品被OpenMV鋪捉到時，哪一種信息先被捕捉到就先對它進行處理，快速地得到藥品的信息，進而提高系統上藥和取藥的效率。

OpenMV采用Python語言編程，本系統調用相應的處理函數對條形碼和文字識別，并將得到的返回值通過串口發送給微處理器STM32F429ZET6進行處理。上藥OpenMV和取藥OpenMV工作流程一樣，其流程圖如圖6所示。

圖6 識別模塊流程圖

3.4 GPRS與云組態監控平臺的信息同步

主控芯片將數據通過串口發送出去，在后臺檢測藥品的數量信息，以做到及時的補充藥品。當OpenMV在取藥時掃描到與用戶選擇的藥品不一致時，還會通過串口向云端傳輸數據顯示藥品掃描錯誤的信息，提示管理員。

DHT11與主控芯片的I/O相連接，設置為推挽輸出，初始化為高電平，通過I/O口讀取40bit的數據，高16位為濕度，中間16位為溫度，低8位為校驗和，在主程序中判斷校驗數據是否等于溫度與濕度的byte之和，如果是則成功讀取一次溫濕度，將溫濕度數據通過GPRS同步至云端[8]，實時監控。其監控平臺如圖7所示。

圖7 透傳云監控顯示

藥品存放在相應的儲藥盒之中，通過前期的多次試驗，記錄儲藥盒的二維坐標。當用戶同時選取了多種藥品時，就會出現先取哪一種藥后取哪一種藥的問題。為了提高取藥效率，本設計在優化取藥的路徑上選用蟻群算法[9～12]。系統將用戶選取的藥品的坐標存放于一個數組中，動作控制模塊根據此數組的坐標來控制電機X和電機Y運動到相應的位置。

4 測試結果

本文在實驗室搭建了具有個儲藥盒的智能售藥系統模型，并選用16種不同藥品，每種藥品10盒進行測試，其中14種藥品系統中已經存有信息，另外2種藥品售藥系統中還沒有出現過。

4.1 上藥正確率的測試

系統在管理員模式下對14種系統中已經有的藥品，每種藥品10盒進行上藥。最終系統以100%的正確率把140盒藥放入到相應的藥盒中。系統對2種系統中未錄入過的藥品，每種10盒進行上藥。測試表明系統能自動給這2種藥分配儲藥盒并以100%的正確率將20盒藥送入相應的儲藥中。

4.2 取藥時間和取藥正確率測試

在16種不同藥品，每種藥品10盒正確放入對應的16個儲藥盒后，按照表1中4種取藥方案取藥，每種藥品只取1盒。每種取藥方案都測試2次按選藥順序取藥所需的時間，測試3次按本文優化路徑取藥所需的時間。取藥的所有測試中，云端監控沒有接收到報警信息，取藥正確率為100%.測試結果如表2所示。

表1 取藥方案

表2 取藥時間與取藥正確率

將16個儲藥盒中都故意錯放入1盒其他藥品，然后按照表1的取藥方案依次取藥。每次錯誤取藥系統都通過發信息的方式告知管理員取藥有誤，并在云端監控有記錄取藥錯誤的信息。圖8是某次取藥錯誤時的云端報警界面。

圖8 取藥錯誤報警界面

4.3 藥品數量不足的報警測試

智能售藥系統中16種藥品全部或部分藥品的數量到了5盒以下，系統都通過串口向云端發送數據提醒該藥品不足。圖9是某次測試時斯達舒數量不足時的報警界面。

圖9 藥品數量不足時報警界面

5 結論

本文設計的智能取藥系統利用真空吸盤及氣動推桿實現全自動上藥和取藥，并通過GPRS通訊實現售藥系統的云端監控。此外，在上藥和取藥端采用OpenMV實現藥品審核的雙重保障，提高了系統自動上藥和取藥的安全性。測試結果表明，該系統具有上藥、取藥準確率高，工作效率高，自動化程度高的優點。智能售藥系統對線上就診的推廣具有重要意義。