基于樹莓派的物聯網智能藥柜系統

2021-07-31 10:52:14王國偉陸華麗張苗苗薛瑞晨郝媛媛

物聯網技術 2021年7期

王國偉，陸華麗，張苗苗，薛瑞晨，郝媛媛，趙華

（南京師范大學計算機與電子信息學院，江蘇南京 210000）

0 引言

隨著醫療和信息技術的快速發展，人們生活質量不斷提高，人類的平均壽命在不斷增加，但同時“老齡化社會”“慢性疾病”等問題日益突出[1]。成年人由于工作忙碌常忘記服藥，老年人也因為健忘而常常忘記服藥，錯誤服藥已經成為整個社會密切關注的問題[2]。為了解決用戶錯誤服藥等一系列的問題，設計一款集智能化與人性化的智能藥柜系統已經迫在眉睫。

目前，智能藥柜系統應用廣度雖遠不及其他的智能家居產品，但也已經有了一些成果[3]。美國Mobile Aspects公司采用了RFID設計了一款智能型的藥柜，可以將存儲量和使用情況記錄下來，而且可以識別藥品的使用期限，提醒過期藥品需要清除[4]。國內市場也有相關的產品出現，例如，天津德致倫電子科技有限公司基于STM32設計與實現了一款新型智能藥箱，該產品可以提醒老年人群體按時用藥，安全用藥[5]。同時國內市場上也出現了很多適合在智能手機上使用的軟件，如“醫生樹”“醫指通”等[6]。但以上涉及的產品存在系統復雜，實施困難，成本較高，功能相對單一等一系列問題，并不能保證正確的人在正確的時間服用正確的藥物。

為了解決以上問題，本文結合多種產品的優點，從用戶實際使用時易出現的問題的角度出發，設計一款基于樹莓派（Raspberry PI）的智能藥柜系統。在設計的智能藥柜系統中，采用指紋模塊以識別服藥對象、采用掃碼模塊掃入條碼編號、利用網絡爬蟲技術提取并存儲藥品信息、搭建數據庫用于信息管理。通過以上設計結合開發的交互界面，保證了用戶在正確的時間服用正確的藥物。為了進一步提高系統的可用性，在Android Studio開發平臺設計了一款基于智能保健系統的掌上管理應用程序（APP），APP可以遠程查看和設置服務器的藥品信息和用戶信息。實驗表明，本文提出的系統實施成本較低、功能齊全，從用戶使用需求出發，解決了現有產品無法識別身份、無法管理信息的問題。

1 系統總體結構及硬件電路設計

本文設計的智能藥柜由樹莓派主控板、條形碼掃入模塊、指紋識別模塊、鬧鐘提醒模塊、電磁鎖模塊和智能Android手機組成，系統總體架構如圖1所示。用戶通過樹莓派顯示器進行人機交互，移動終端通過無線網絡獲得本地服務器數據庫數據。

圖1 系統總體架構

選用的樹莓派主控板是一款基于ARM的微型電腦主板，有40個引腳，包括4個USB接口，以及1個HDMI視頻線接口[7]。圖1中，電磁鎖模塊采用GPIO高低電平控制的方式；指紋模塊采用串口通信，RXD與TXD交叉連接；掃碼模塊和鬧鐘模塊采用USB的方式與主控板通信。

2 樹莓派服務器軟件設計

2.1 主控及周邊模塊驅動設計

智能藥柜功能模塊的驅動和上層通信均采用Python語言設計，功能代碼在PyCharm平臺上完成。指紋電路用于錄入用戶指紋，通過指紋特征值比對確認身份進入用戶界面，顯示用戶信息。隨后可以通過存取藥品模塊，掃入藥品條碼檢索提取藥品信息并存儲、顯示當前用戶該服用的藥物并取出、同時可以取出其他藥品；可在服藥設置模塊選擇藥物后顯示藥品具體信息，并根據用法用量設置服藥鬧鐘時間；可在信息查詢模塊查詢服藥記錄、查詢藥品庫存、查詢存取藥日志；可在參數設置模塊設置用戶信息和系統設置。程序流程如圖2所示。

圖2 程序流程

2.2 指紋識別功能實現

指紋模塊和主控的通信采用主從模式，主設備發送的命令以及從設備模塊的應答根據數據長度分為等于8 B和大于8 B兩類，大于8 B的數據格式為“數據頭+數據包”，數據頭的格式見表1所列。其中：CMD為命令/應答類型；P1，P2，P3為命令參數；Q1，Q2，Q3為應答參數，Q3用于返回操作的有效性信息，0x00為操作成功，0x01為操作失敗，0x04為數據庫已滿，0x06表示用戶已存在。

表1 數據頭格式

為了確保指紋數據庫指紋的唯一性，1枚指紋只能添加1個用戶，需要將模塊設置為“禁止重復模式”，此時CMD設置為0x2D，P1設置為0，P2設置為Byte5=1：0。在采集圖像時，命令數據長度為8 B，CMD=0x24，P1，P2，P3為0，應答數據包中指紋圖像200×264像素，每個像素灰度用8位表示，指紋圖像如圖3所示，模塊成功上傳指紋圖像后提取指紋的特征值，按指定用戶號存入DSP模塊數據庫中。

圖3 指紋圖像

下傳指紋特征值與DSP模塊數據庫比對為1∶N時，CMD=0x43，命令格式為“數據頭+數據包”，數據包中存入當前用戶的指紋特征值。

2.3 數據庫設計

服務器的數據庫使用目前最流行的關系型和關聯性數據庫管理系統MySQL[8]。關聯性數據庫將數據保存在不同的表中，而不是將所有的數據放在一個大倉庫，這樣就提高了速度和靈活性。MySQL使用的操作語言是SQL，操作數據非常便捷。

設計的智能藥柜系統的數據庫需要存儲用戶信息、藥品庫存信息、服藥記錄信息、存藥取藥日志信息、藥品信息。

建立的表與對應的含義見表2所列。

表2 數據庫表

2.4 藥品信息掃入功能設計和實現

掃碼存藥功能采用掃碼模塊識別藥盒上的條碼，系統將條碼編號輸入到“1藥網”藥品網站檢索此藥品，進一步地，系統爬蟲模塊爬取藥品的名稱、功能主治、用法用量、用藥禁忌、不良反應并保存到數據庫藥品信息表中，系統流程如圖4所示。掃碼模塊錄入藥盒條碼編號并檢索信息過程如圖5所示。

圖4 系統流程圖

圖5 掃碼檢索藥品過程

傳統的爬蟲通過直接模擬HTTP請求來爬取站點信息，由于這種方式和瀏覽器訪問差異比較明顯，很多站點都采取了反爬手段，無法有效地爬取需要的信息。為了避免站點的反爬導致藥品信息爬取失敗，本文采用Selenium爬蟲框架對藥品進行主要信息檢索、分類、存儲。Selenium是一個用于對Web網頁進行自動化測試的工具，可以通過它提供的方法自動操作瀏覽器，完全模擬人的操作行為，瀏覽器選擇Google Chrome 87.0.4280.88，同時安裝對應版本的驅動WebDriver。Selenium通過WebDriver協議控制瀏覽器來完成一系列的任務。首先，通過Selenium的API得到“1藥網”輸入框對象；接下來在輸入框輸入條碼編號進入此藥品對應的頁面，此時就拿到了該藥品網頁的HTML源碼；下一步利用Xpath方法提取系統需要的“藥品名稱”“功能主治”“用法用量”“用藥禁忌”“不良反應”。爬取過程如圖6所示。在數據庫藥品信息表中創建字段，將上述5類藥品信息保存至數據庫中。創建的字段與對應的含義見表3所列。

圖6 爬取過程

表3 MySQL藥物信息字段

2.5 用戶界面設計

智能藥柜系統用戶界面設計采用PyQt5工具包。PyQt是由 Phil Thompson開發的一個創建GUI應用程序的工具包，其是Python編程語言和Qt庫的成功融合[9-10]。在本系統上位機的設計中，使用QtDeSinger設計用戶GUI，將生成的UI文件通過PYUIC5工具轉換成PY文件，下一步在PyCharm平臺編寫功能代碼，使用到的組件包括QWidget、QLabel、QPushButton、QTextEdit、QMessageBox、QTextBrowse。智能藥柜登錄頁面如圖7所示。

圖7 智能藥柜登錄頁面

3 移動端應用程序設計

3.1 功能設計

應用程序（APP）的設計使用Java語言，在Android Studio平臺上完成[11]。手機APP模塊包括存取藥日志、健康信息、服藥記錄、藥品庫存信息和用戶信息5個子模塊，如圖8所示。其中：存取藥日志模塊用于查看存藥和取藥記錄；健康信息模塊用于查看用藥禁忌；服藥記錄模塊用于查看用戶歷史服藥記錄；藥品庫存信息模塊用于查看藥品信息及藥品的剩余量；用戶信息模塊用于查看用戶的個人信息。

圖8 手機APP功能設計框圖

3.2 操作數據庫

數據庫操作使用JDBC（Java Database Connectivity）。JDBC是實現Java應用程序與各類不一樣數據庫會話的一種體制，主要作用是實現了對數據庫的訪問和操作。JDBC能實現的主要功能包括：請求連接數據庫、向數據庫發送 SQL請求、查詢結果等功能[12]。其實現步驟為：加載JDBC驅動程序；提供JDBC連接的URL；創建數據庫的鏈接和執行SQL語句操作[13]。加載驅動就是在使用數據庫之前需要導入MySQL和JDBC的驅動包到Android的Java build path[14]，使用JDBC驅動程序鏈接MySQL數據庫，連接成功之后就可以使用SQL語句對數據庫進行操作，在MySQL數據庫中建立數據表。

4 系統測試

本文通過硬件及軟件的設計，實現了如圖9所示的智能藥柜。為了驗證系統的可行性和系統工作流程，將可觸摸顯示器安裝到藥柜上，將主控板及周邊功能模塊部署到藥柜對應位置。首先給主控板供電，設置目標IP地址為192.168.1.101，固定端口號。經過測試，Android手機APP與數據庫可以做到實時通信，各功能模塊均可正常工作。系統各模塊如10所示。