一款基于Raspberry Pi的云智能中藥煎藥機(jī)設(shè)計(jì)

劉福建，宗 峰

（山東英才學(xué)院 工學(xué)院，山東 濟(jì)南 250104）

0 引 言

中醫(yī)藥作為傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的組成部分，在我國(guó)的醫(yī)療保健領(lǐng)域起到了關(guān)鍵的作用，同時(shí)為全球人民的健康事業(yè)做出了較大的貢獻(xiàn)[1]。在現(xiàn)有的研究中逐步證實(shí)了中醫(yī)在疾病治療與調(diào)理中發(fā)揮的作用，所以對(duì)于中醫(yī)藥的研究引發(fā)了廣泛的關(guān)注[2]。在中醫(yī)治療中采用的藥物大多是經(jīng)過(guò)煎煮，傳統(tǒng)的人工方式效率較低；而智能煎藥機(jī)的應(yīng)用具有良好的前景，自動(dòng)化程度高，彌補(bǔ)了人工操作的不足。在本次研究中設(shè)計(jì)了基于Raspberry Pi的智能煎藥機(jī)，其中在軟件部分主要基于Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，以此可以對(duì)各個(gè)引腳進(jìn)行有效控制。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)煎藥助手APP，可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制的方式進(jìn)行操作，提升了應(yīng)用的便捷性與可靠性。然后，使用云智能煎藥機(jī)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了基于PID控制算法的智能中藥煎煮溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)煎煮藥材要求自動(dòng)切換煎藥火候。最終實(shí)現(xiàn)的煎藥機(jī)具有自主下藥、浸泡、供水、吸取藥液、保溫、遠(yuǎn)程操作等功能，在確保藥液有效成分不會(huì)丟失的同時(shí)還能提高藥液制備效率，減輕人力勞動(dòng)，體現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值。

1 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

煎藥機(jī)最早是在韓國(guó)使用，因?yàn)轫n國(guó)受中國(guó)傳統(tǒng)中醫(yī)藥的影響較深[3]。2003年的“非典”疫情讓大家對(duì)中藥的獨(dú)特療效刮目相看，去年新冠疫情暴發(fā)，中醫(yī)更是在治療中發(fā)揮了重要作用。所以中藥逐步得到了更多的關(guān)注，在中藥熬制過(guò)程中開(kāi)始采用智能化的煎藥機(jī)，一般很多醫(yī)療機(jī)構(gòu)中已經(jīng)配置了這些設(shè)備，在部分患者家庭中也采用了此類(lèi)設(shè)備煎藥。這些設(shè)備的應(yīng)用降低了對(duì)于人員煎藥的依賴性。然而當(dāng)前采用的煎藥機(jī)依然存在一定的不足，主要基于高壓方式增大水的沸點(diǎn)，使得藥材溶解，但是溫度過(guò)高時(shí)容易導(dǎo)致部分有效成分分解，從而影響到藥效；此外由于自動(dòng)化程度較低，依賴于人工進(jìn)行操作，有待于進(jìn)一步提高自動(dòng)化水平[4]。

目前中藥煎藥機(jī)逐漸向自動(dòng)化趨勢(shì)發(fā)展，隨著中醫(yī)的發(fā)展，中藥治療的效果逐漸顯著，中藥的需求也逐漸增多。但目前各類(lèi)中藥煎藥機(jī)的自動(dòng)化水平普遍偏低，煎煮過(guò)程不能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，而且操作不易控制，如果操作不當(dāng)將會(huì)直接影響藥效。因此，提高煎藥機(jī)的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)智能操作，能夠很大程度上提高藥材的煎煮質(zhì)量。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要由兩部分組成，分別介紹如下。

2.1 機(jī)電一體化智能中藥煎藥機(jī)

中藥熬制過(guò)程中需要考慮到較多的因素，特別是煎藥的時(shí)間、火候以及水量等因素會(huì)直接影響到最終的藥效。所以需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，并基于規(guī)范的流程進(jìn)行操作，使得中藥真正發(fā)揮應(yīng)有的療效[5]。本文設(shè)計(jì)的這款煎藥機(jī)屬于小型機(jī)電產(chǎn)品，體積小，用戶操作起來(lái)簡(jiǎn)單方便。智能煎藥機(jī)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整溫度，使其處于正常范圍。在操作上基于模塊化的方式設(shè)計(jì)，可以靈活進(jìn)行操作，通過(guò)遠(yuǎn)程控制方式實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，提升了煎藥的自主性與可靠性[6]。

2.2 遠(yuǎn)程人機(jī)交互

系統(tǒng)軟件部分主要為用戶提供操作的頁(yè)面，即通過(guò)煎藥助手 APP進(jìn)行交互操作，可以點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的功能模塊完成既定的控制功能。同時(shí)煎藥時(shí)的溫度以及水量等信息可以實(shí)時(shí)顯示在界面中，一旦發(fā)現(xiàn)未處于正常的范圍之內(nèi)則可以進(jìn)行調(diào)整。在該部分設(shè)計(jì)中采用OneNET平臺(tái)，可以直接在編輯器中進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)，用戶可以對(duì)煎藥的方案以及時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而滿足不同的煎藥要求。除了這些功能之外，考慮到患者的需求，在軟件中還設(shè)計(jì)了在線交流模塊，便于患者之間以及與醫(yī)生之間進(jìn)行溝通，實(shí)時(shí)交流病情變化，學(xué)習(xí)相關(guān)的醫(yī)療保健知識(shí)等[7]。

3 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

3.1 Raspberry Pi 開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建（軟件系統(tǒng)）

樹(shù)莓派（Raspberry Pi）實(shí)際是一個(gè)小型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，盡管在尺寸上類(lèi)似于一個(gè)信用卡，但是集成了計(jì)算機(jī)的全部功能。整個(gè)系統(tǒng)劃分為多個(gè)部分，包括處理器以及各種接口[8]，常用的有USB、以太網(wǎng)接口等，可以與鼠標(biāo)以及顯示器等進(jìn)行連接，從而構(gòu)建起完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。此外還能夠與傳感器以及其他設(shè)備進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)多樣化的功能[9]。另外，其使用的成本較低，穩(wěn)定性較高，廣泛應(yīng)用到了科學(xué)研究以及電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域中。在本次設(shè)計(jì)中主要利用樹(shù)莓派完成了智能煎藥機(jī)的設(shè)計(jì)工作。

該系統(tǒng)使用Raspberry Pi 4 搭建開(kāi)發(fā)環(huán)境，選用的操作系統(tǒng)是樹(shù)莓派的官方系統(tǒng)Raspbian，界面程序的編寫(xiě)由Python完成，本部分涉及的技術(shù)及步驟如下：

（1）設(shè)置Raspberry Pi參數(shù)，選擇合適的樹(shù)莓派硬件接口分布和設(shè)置相應(yīng)的引腳參數(shù)。

（2）針對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行重裝以及設(shè)置，可以從官網(wǎng)中下載Raspbian鏡像，并依據(jù)規(guī)范的流程完成系統(tǒng)的燒錄以及啟動(dòng)工作。

（3）編程環(huán)境配置，安裝好操作系統(tǒng)后，使用Python為樹(shù)莓派的端口進(jìn)行配置，調(diào)試程序，使之能正確運(yùn)行。

樹(shù)莓派體積小成本低，運(yùn)行穩(wěn)定，硬件故障率低，選用樹(shù)莓派的官方操作系統(tǒng)Raspbian可便于操作系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。Python具有免費(fèi)開(kāi)源的優(yōu)勢(shì)，可為樹(shù)莓派端口的配置提供便利。

3.2 智能中藥煎藥機(jī)（硬件系統(tǒng)）

在智能中藥煎藥機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了模塊化的設(shè)計(jì)理念，總體劃分為多個(gè)模塊，包括主控模塊、溫度采集以及加熱模塊等。各個(gè)模塊的功能存在一定的差異性，需要保持正確的連接才能實(shí)現(xiàn)既定的功能。系統(tǒng)的核心部分是Raspberry Pi，也就是控制器，在溫度檢測(cè)上利用DS1SB20傳感器、在水位檢測(cè)上利用水位浮球。在加熱板控制上需要將形成的PWM信號(hào)傳輸?shù)津?qū)動(dòng)電路中[6]?；诟鱾€(gè)模塊的配合可以將獲取到的水位以及溫度信息顯示在軟件中，并通過(guò)指令完成對(duì)應(yīng)的控制操作。整個(gè)煎藥機(jī)的具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能煎藥機(jī)硬件模塊示意圖

3.3 OneNET云平臺(tái)（通信模塊）

本文設(shè)計(jì)的智能煎藥機(jī)是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將傳統(tǒng)的終端操控移植到手機(jī)上，讓用戶可以遠(yuǎn)程操控和隨時(shí)查看煎藥機(jī)。目前國(guó)內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)商較多，本文選用的是中移物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)OneNET作為智能中藥煎藥機(jī)的接入平臺(tái)，OneNET平臺(tái)的主要功能有海量連接：基于多類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和API開(kāi)發(fā)滿足海量設(shè)備的高并發(fā)快速接入；消息分發(fā)：即通過(guò)消息轉(zhuǎn)發(fā)等方式實(shí)時(shí)將采集到的信息傳輸?shù)骄唧w的業(yè)務(wù)平臺(tái)中，便于實(shí)現(xiàn)雙向通信功能；在線監(jiān)控功能：可以實(shí)時(shí)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于發(fā)現(xiàn)的異常狀態(tài)進(jìn)行告警提示，便于用戶解決存在的問(wèn)題，防止設(shè)備發(fā)生故障等；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：基于分布式存儲(chǔ)方式完成對(duì)數(shù)據(jù)的管理，安全性與穩(wěn)定性較高，能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)用戶的操作；能力輸出：針對(duì)信息輸出提供了統(tǒng)一的接口，有效降低了應(yīng)用的開(kāi)發(fā)周期，集成了視頻以及短信等服務(wù)；數(shù)據(jù)分析：采用Hadoop等分布式處理框架完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理與分析工作，效率更高，能夠獲取到更多有價(jià)值的信息[10]。

在使用過(guò)程中需要先在OneNET開(kāi)發(fā)者中心進(jìn)行注冊(cè)和登錄，在成功登錄之后繼續(xù)添加智能中藥煎藥機(jī)，然后繼續(xù)進(jìn)行應(yīng)用創(chuàng)建、添加APKey以及數(shù)據(jù)上傳等操作，最后在鑒權(quán)等各項(xiàng)信息設(shè)置完成之后可以連接相關(guān)的設(shè)備。

3.4 軟件總體架構(gòu)

軟件主要?jiǎng)澐譃閮纱蟛糠?，分別是運(yùn)行軟件、操控軟件。前者主要完成系統(tǒng)的基本功能，包括煎藥模式設(shè)置、溫度控制以及數(shù)據(jù)傳輸管理等；后者主要是操控頁(yè)面部分，與樹(shù)莓派以及手機(jī)應(yīng)用交互操作有關(guān)。軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能煎藥機(jī)軟件架構(gòu)

4 系統(tǒng)測(cè)試

在云智能煎藥機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)完成之后，需要對(duì)其功能以及性能進(jìn)行全方面的測(cè)試。在本次測(cè)試中采用了澤補(bǔ)湯，該藥物有助于機(jī)體實(shí)現(xiàn)活血通絡(luò)。但是為了保證藥效，對(duì)于煎藥過(guò)程提出了較高的要求。在熬制過(guò)程中需要依據(jù)科學(xué)的流程，同時(shí)有效控制煎藥的具體過(guò)程，確保溫度以及水位等處于正常范圍內(nèi)。

根據(jù)醫(yī)囑需要先把藥材放入浸泡盒浸泡30 min，接著將儲(chǔ)水箱注入適量的水，打開(kāi)智能中藥煎藥機(jī)顯示終端，系統(tǒng)將自動(dòng)運(yùn)行相關(guān)程序，自動(dòng)連接到 OneNET 平臺(tái)并輸出煎藥機(jī)此時(shí)的連接狀態(tài)。然后通過(guò)APP來(lái)設(shè)置“2次煎煮”，各次持續(xù)時(shí)間分別是30 min，25 min；依次在界面中設(shè)置“一般藥”“先煎30”“頭煎25”，通過(guò)終端接收這些指令。最后依據(jù)解析之后的命令進(jìn)行操作，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加水、加藥以及煎藥等過(guò)程。

根據(jù)上述完成了對(duì)于藥物的煎制過(guò)程，最終煎煮得到的中藥液和人工煎藥方式得到的藥物在品質(zhì)上基本是一致的，而且相對(duì)于市場(chǎng)中現(xiàn)有的一些煎藥機(jī)具有一定的優(yōu)勢(shì)，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于Raspberry Pi作為主控平臺(tái)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款能夠使用手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控的全自動(dòng)智能中藥煎藥機(jī)，相比于現(xiàn)在市場(chǎng)售賣(mài)的一般的煎藥機(jī)，本文設(shè)計(jì)的煎藥機(jī)具有自動(dòng)供水、自動(dòng)加藥、遠(yuǎn)程操控、控制溫度等功能，煎藥機(jī)底部還配有可自動(dòng)進(jìn)水的浸泡盒，可以獨(dú)立完成煎藥前的浸泡和下藥功能。