基于STM32和OpenMV的全自動無接觸送藥小車系統(tǒng)

齊曼，胡乃瑞,2，安天洋，高唯峰

（1.沈陽航空航天大學電子信息工程學院，遼寧沈陽，110000；2.中國科學院沈陽自動化研究所，遼寧沈陽，110016）

0 引言

新冠疫情暴發(fā)，醫(yī)護人員需要為病人送取藥物，為降低與病人接觸過程中引起的交叉感染風險，減輕工作負擔，以及讓年老的病人正常服藥。在此背景下設計自動無接觸送藥小車系統(tǒng)，模擬醫(yī)院病房設置，鋪設模擬病房軌道，軌道平面設置為白色，小車行駛的路徑設置為紅色，為方便測試，設置八個病房，模擬病房軌道，每個病房號碼可以任意設置，將病房號碼放在病房入口處，即放置在小車行駛的十字路口處，方便攝像頭識別。本系統(tǒng)實現(xiàn)全自動智能送取藥物，設置一鍵啟動，在打開電源后，識別相應病房號碼，在檢測到放置藥物后會自動啟動，沿著軌道向相應病房運送藥物，在檢測到病人取藥后，會自動返回藥房，醫(yī)護人員與病人全程無接觸，降低了傳染風險，并且節(jié)省人力成本，減少人員緊張情況下在送取藥物方面的人員分配，提高了整體工作效率，為醫(yī)院減輕了工作負擔，應用前景廣泛，隨著技術的不斷推進，也可用于其他領域。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)以STM32F103作為核心處理芯片，搭載外圍電路以及灰度傳感器，OpenMV攝像頭模塊，橋式整流直流電機驅動以及直流減速電機等模塊設計并制作出的自動無接觸送藥小車系統(tǒng)。根據(jù)實際情況設計，首先通過攝像頭識別病房號碼，鎖定小車送藥的目標病房，此部分可以通過人為觀察識別號碼是否正確，若不正確可以通過復位重新識別，直到識別號碼正確，然后將需要運送的藥品放置在小車上，小車識別到放置藥品后，自行啟動，通過灰度傳感器返回的數(shù)據(jù)值調節(jié)占空比，進而控制PWM控制小車尋跡，并通過攝像頭識別病房號碼，在檢測到指定病房號碼的位置坐標后，將坐標數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給單片機，單片機控制小車進入相應病房并自動停車，在識別到卸載藥物后按照原軌跡返回藥房。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件結構主要包括：主控模塊，攝像頭模塊，尋跡模塊。

■2.1 主控模塊

主控模塊采用STM32F103作為主控芯片，此控制器具有強大的庫資源，并且開發(fā)簡易，功耗低，處理速度快，便于開發(fā)使用。主控模塊通過串口通信與攝像頭建立聯(lián)系，通過A/D轉換模塊采集小車行駛路徑的信息，將采集到的灰度信息通過PID處理后將數(shù)據(jù)加在相應的占空比進而調節(jié)PWM波使小車正常運行；連接紅外光電傳感器檢測是否裝載或取走藥品進而啟動小車。

■2.2 攝像頭模塊

本系統(tǒng)采用的攝像頭為OpenMV，OpenMV具有強大的開源庫，可以實現(xiàn)多種功能，并具有數(shù)據(jù)存儲的卡槽，可以存儲大量的數(shù)字模板，方便進行多模板匹配。OpenMV攝像頭通過串口通信協(xié)議與主控模塊建立聯(lián)系，方便功能的開發(fā)與使用，并且具有小巧的特點，適合安裝于小車上，符合本系統(tǒng)功能的開發(fā)。

■2.3 尋跡模塊

尋跡模塊采用模擬灰度常感器，模擬灰度傳感器利用不同顏色的檢測面對光的反射程度不同，光敏電阻接收到的反射光不同，其阻值也會有所不同的原理分析出檢測面的不同顏色，其工作電壓范圍比較寬，在電源電壓波動較大的情況下仍然可以正常工作。它可以輸出連續(xù)的模擬信號，更容易通過A/D轉換反映檢測面的顏色信息。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件部分設計主要包括攝像頭數(shù)字識別模塊，循跡模塊兩大部分。系統(tǒng)總體流程圖如圖2所示。

圖2 軟件設計總體流程圖

■3.1 攝像頭識別模塊

攝像頭模塊的軟件設計，首先采集不同角度病房號碼的數(shù)字信息形成樣本庫保存到OpenMV的SD存儲卡中，通過多模板匹配識別算法增加藥房數(shù)字識別的準確性以及穩(wěn)定性，識別數(shù)字后分析藥房號碼所在位置坐標，將坐標數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給單片機，單片機通過坐標數(shù)據(jù)執(zhí)行相應的指令。攝像頭的數(shù)字識別流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)字識別流程圖

■3.2 尋跡模塊

尋跡模塊采用兩路模擬灰度傳感器，兩路傳感器返回值作差得到的偏差值輸出，通過PID算法控制電機信號輸入進而控制小車的平穩(wěn)運行。左右兩路傳感器同時還具有檢測轉彎點的功能，正常行駛時，兩傳感器位于白色路面上方，返回值均較大，由于病房轉角處是十字交叉線，當行駛到此處時，兩路傳感器返回值會驟減，因此在行駛軌道檢測返回數(shù)據(jù)值，提前設定閾值，當兩傳感器返回值之和小于某一特定閾值，便會結合攝像頭讀取數(shù)字后輸出的轉向標志位，進入指定病房內。尋跡流程圖如圖4所示。

圖4 尋跡流程圖

4 算法設計

■4.1 PID算法

PID算法在工業(yè)控制中占有非常重要的地位，通過閉環(huán)控制調節(jié)在實際執(zhí)行輸出過程中與預設值所產生的誤差，尤其在智能循跡小車方面對其運行穩(wěn)定性有極其重要的意義。所以在本系統(tǒng)所涉及的智能送藥小車中的尋跡部分引入PID算法，增加小車運行的穩(wěn)定性。PID算法主要是將灰度傳感器反饋的數(shù)據(jù)值通過比例，積分，以及微分三部分運算調節(jié)實際輸出值與預設值的誤差。本系統(tǒng)的PID算法總體流程如圖5所示。比例運算是用于調節(jié)實際輸出值與預設值的偏差，通過設置比例系數(shù)Kp的值調節(jié)系統(tǒng)響應速度，進而消減小偏差。積分運算通過對偏差在偏差時間內不斷進行積分運算將偏差不斷累計并加到原有系統(tǒng)中進而減小靜態(tài)誤差，微分運算在系統(tǒng)產生變化時盡早引入一個修正信號，增加系統(tǒng)的運行速度。在本系統(tǒng)中調節(jié)占空比只采用比例運算和微分運算兩部分來對誤差進行調節(jié)。

圖5 PID算法流程圖

■4.2 多模板匹配算法

本系統(tǒng)在使用過程中需要進行病房號碼識別，即數(shù)字識別，所以本系統(tǒng)引入多模板匹配算法。傳統(tǒng)的數(shù)字識別方法采用模板匹配算法，將采集模板與拍攝到的圖像進行匹配，但由于環(huán)境等因素的影響導致，其精度不高，并不能達到本系統(tǒng)所需要的準確度要求，會造成識別病房號碼錯誤進而送錯藥大的問題，多模板匹配算法在模板庫構建的過程中將數(shù)字模板從偏左偏右偏上偏下以及正常位置五個方面分別構建，增加模板庫的多樣性，與傳統(tǒng)模板匹配算法相比抗干擾能力更強，穩(wěn)定性更高，識別錯誤率更低。多模板匹配算法是目前應用比較廣泛的數(shù)字圖像識別方法，其原理是將檢測圖像由左到右，由上到下依次遍歷，并依次計算其像素，將其與采集的數(shù)字模型的像素進行匹配，確定匹配程度最大的位置并返回其位置坐標數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)測試

程序測試方案：本系統(tǒng)對病房號碼識別進行測試，最后進行綜合測試，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。

■5.1 病房號碼識別測試

攝像頭模塊可以單獨進行測試，在未安裝到系統(tǒng)前，通過聯(lián)機進行測試，增加測試結果的準確性。為減小環(huán)境對測試的影響，在模擬醫(yī)院路徑上進行數(shù)字識別的測試。本系統(tǒng)的模板庫錄入1～8的病房號碼。測試結果如表1所示。

表1 病號號碼識別測試結果

本次測試結果表明其識別的準確性較高，較為穩(wěn)定。

■5.2 綜合測試

將系統(tǒng)運行流程作為整體進行測試，首先識別病房號碼，然后放置藥品，在路徑上是否能尋到指定的病房號碼，并進入相應的病房，在卸載藥品后是否能自動返回藥房。其測試結果如表2所示。

表2 綜合測試結果

本系統(tǒng)通過綜合測試表明其穩(wěn)定性較高，錯誤率較低，適合在實際中應用。

6 結論

本文根據(jù)醫(yī)院等醫(yī)療機構的實際需求展開研究，對系統(tǒng)的總體設計方案，硬件以及軟件結構做了詳細的描述，對系統(tǒng)主要的兩大模塊分別進行測試，并進行總體系統(tǒng)的測試，得到了較為理想的測試結果。本系統(tǒng)具有智能化，操作簡單，方便攜帶，價格低廉，降低人力成本，減少人員接觸等優(yōu)點，適用于醫(yī)院等大型的醫(yī)療機構，替代醫(yī)護人員送藥工作，減輕醫(yī)護工作者在送藥方面的人員分配，減輕工作負擔，提高工作效率，減少醫(yī)護人員與患者的接觸，降低醫(yī)護人員感染風險。對醫(yī)療機構工作的展開具有深刻的意義。