基于STM32的實(shí)驗(yàn)室智能藥品管理柜設(shè)計(jì)

0 引言

高等院校是高新化工技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新的必要工程化平臺，對各類化學(xué)藥品有著龐大的采購量。由于藥品性質(zhì)繁雜，且存在易燃、易爆、強(qiáng)腐蝕、劇毒、易制毒等危險(xiǎn)品，倘若儲存管理不當(dāng)，極易引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故，難免造成財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡[1-3]。高校通常采用傳統(tǒng)的專人值守、手工登記的管理方式，這樣既浪費(fèi)人力資源，又易出現(xiàn)人為差錯。因此，設(shè)計(jì)安全高效且運(yùn)作成本低的藥品管理系統(tǒng)和流程，是當(dāng)下亟需解決的問題。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使得國內(nèi)外醫(yī)院及部分高校已然向軟硬件一體化的智能化管理模式4轉(zhuǎn)變。但在高校傳統(tǒng)的藥品管理模式下，藥品的出入庫從用戶申請到審批、登記及備案，還有藥品的防潮、防高溫等，基本都停滯在人工操作層面，因而缺乏相對嚴(yán)格的監(jiān)管措施和相對快捷的信息化流程，數(shù)據(jù)無法共享且易丟失，工作效率低下，出現(xiàn)事故難以追溯，還存在一定的安全隱患。

針對高校人工調(diào)配操作效率低、監(jiān)管力度小、信息化程度不高等缺陷，本文將結(jié)合STM32系列微控制器強(qiáng)大的運(yùn)算功能和各項(xiàng)擴(kuò)展功能[56]，以及云存儲、云服務(wù)器、云數(shù)據(jù)庫等技術(shù)的成熟應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)智能藥品柜管理系統(tǒng)的底層設(shè)計(jì)，并將微信小程序作為人機(jī)交互渠道，實(shí)現(xiàn)藥品柜的應(yīng)用層設(shè)計(jì)。

本文所述智能藥品柜一方面通過HX711壓力傳感器串行輸出，并配合STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)藥品的自動稱重及信息記錄；另一方面采用DHT11傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)采集和傳輸；另外還設(shè)置模糊PID，依據(jù)系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行恒溫調(diào)控。藥品柜自身配備的OLED顯示屏可展示時間、藥品儲存信息、溫濕度信息和藥品借出狀態(tài)信息。微信小程序客戶端可以監(jiān)控藥品庫存量、藥品借出狀態(tài)等信息，無論是實(shí)驗(yàn)室購入或出庫藥品，還是實(shí)驗(yàn)人員操作期間連續(xù)使用藥品，都能實(shí)時更新藥品狀態(tài)信息，藥品的借用和歸還也均能在小程序上進(jìn)行顯示。基于此，實(shí)現(xiàn)了藥品管理的智能化、信息化和可視化，且操作流程安全、高效、可追溯，提高了藥品管理效率，提升了管理水平。

1 總體方案設(shè)計(jì)

智能藥品管理柜系統(tǒng)主要包括藥品管理柜端、云服務(wù)器與云數(shù)據(jù)庫端、微信小程序客戶端三個部分。藥品管理柜端采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控芯片，連接按鍵輸入矩陣、DHT11溫濕度檢測傳感器、直流電機(jī)驅(qū)動模塊、電控鎖模塊、OLED顯示模塊和ESP8266Wi-Fi模塊。云服務(wù)器與云數(shù)據(jù)庫端則用于信息流轉(zhuǎn)，從藥品管理柜端的ESP8266接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)到微信小程序客戶端，或?qū)⑽⑿判〕绦蚨说闹噶钷D(zhuǎn)發(fā)到藥品管理柜端。微信小程序客戶端作為人機(jī)交互的媒介，內(nèi)置各項(xiàng)功能，管理員和普通用戶的功能各不相同，初次使用需注冊并登錄。微信小程序通過調(diào)用設(shè)備的攝像頭API進(jìn)行相應(yīng)藥品的識別。

該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上遵循了MVC模式的基本原則，即將數(shù)據(jù)處理（模型M）、用戶界面（視圖V和用戶輸入處理（控制器C）分離。然而，由于嵌入式系統(tǒng)的特殊性，某些組件又同時承擔(dān)了MVC中的多個角色。例如，云服務(wù)器同時處理數(shù)據(jù)和響應(yīng)請求，STM32F103C8T6單片機(jī)同時處理用戶輸入和控制硬件設(shè)備，這種設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)更加靈活和可擴(kuò)展。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1矩陣按鍵掃描模塊

圖2是 5×5 階準(zhǔn)矩陣式按鍵電路，本設(shè)計(jì)取用14個用戶命令，包括藥品出庫、入庫及溫度設(shè)定等對應(yīng)的14個按鍵，故將STM32F103的PA5～PA9端口配置為輸入或輸出模式，以連接準(zhǔn)矩陣式鍵盤，該電路于嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用實(shí)例中可有效減少對IO線的需求。

2.2 ESP8266Wi-Fi模塊

使能ESP8266模塊后，STM32芯片的PA2引腳被配置為USART2的發(fā)送端（TX），用于將數(shù)據(jù)傳輸給ESP8266，ESP8266則通過其RX引腳接收這些數(shù)據(jù)；相反，STM32的PA3引腳被配置為USART2的接收端（RX），用于接收ESP8266通過TX引腳發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。如此配置允許單片機(jī)與ESP8266模塊間以USART2為橋梁進(jìn)行全雙工通信。而當(dāng)需要重新啟動

ESP8266或?qū)⑵渲糜谝阎獱顟B(tài)時，主控芯片即可通過將PA4引腳輸出低電平來復(fù)位ESP8266，然后通過輸出高電平來釋放復(fù)位，使其重新開始正常工作。電路圖如圖3所示。

2.3傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊是獲取藥品動態(tài)信息的入□，包括對藥品重量、柜內(nèi)溫濕度狀況的實(shí)時監(jiān)測，由各類傳感器及相應(yīng)的信號調(diào)解電路構(gòu)成。主要涉及DHT11溫濕度檢測部分和HX711稱重部分。

2.3.1 DHT11溫濕度檢測部分

DHT11與STM32之間采用簡單的單總線進(jìn)行串行通信，其電路連接關(guān)系如圖4所示。

2.3.2 HX711稱重部分

在智能藥品管理柜系統(tǒng)中，STM32通過PA15引腳發(fā)送時鐘信號給HX711，并通過讀取DOUT線上的數(shù)據(jù)來獲取藥品重量信息。其電路連接關(guān)系如圖5所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開機(jī)后，進(jìn)行初始化，并讀取藥品管理柜按鍵狀態(tài)、溫濕度信息和ESP8266端信息，當(dāng)微信小程序客戶端點(diǎn)擊“開鎖\"按鍵時，云服務(wù)器會將指令轉(zhuǎn)發(fā)到藥品管理柜端并進(jìn)行開鎖，隨后微信小程序調(diào)用手機(jī)攝像頭的API進(jìn)行二維碼識別并讀取藥品信息，藥品柜調(diào)用HX711進(jìn)行藥品自動稱重和記錄、更新藥品庫存量和狀態(tài)信息。隨后單片機(jī)以USART通信將數(shù)據(jù)發(fā)送給ESP8266Wi-Fi模塊，通過ESP8266模塊再上載到云數(shù)據(jù)庫，微信小程序客戶端通過MQTT協(xié)議向云服務(wù)器發(fā)送請求，服務(wù)器響應(yīng)這些請求并將數(shù)據(jù)通過MQTT響應(yīng)返回給小程序，最終將藥品實(shí)時信息更新到小程序頁面，實(shí)現(xiàn)藥品管理的動態(tài)可視化。藥品柜上的溫度設(shè)定按鍵按下時，系統(tǒng)進(jìn)入溫度設(shè)定模式，用戶通過溫度增加和降低按鍵對設(shè)定溫度進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)采用模糊PID控制算法[8-9]進(jìn)行恒溫控制。系統(tǒng)程序總流程的步驟如圖6所示。

4系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

4.1 微信小程序功能驗(yàn)證

微信小程序主要由藥品檢索和藥品管理構(gòu)成，藥品檢索主要用于用戶搜索相應(yīng)藥品及其庫存和狀態(tài)信息，藥品管理主要用于普通用戶的開鎖申請、借用和歸還藥品以及管理員的開鎖審核與入、出庫操作。圖7為小程序主要結(jié)構(gòu)圖。

第一部分是藥品檢索部分：藥品檢索分為按實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢索和按藥品名稱進(jìn)行檢索。

第二部分為藥品管理部分：普通用戶可以向管理員提出開鎖申請、藥品借用、藥品歸還等操作，在藥品借用與歸還時，藥品柜端會調(diào)用HX711進(jìn)行藥品稱重，通過用前與用后的差值，實(shí)時更新藥品庫存。管理員端可以進(jìn)行開鎖申請的審核與藥品入、出庫的操作，同時可以查看藥品的狀態(tài)信息。

微信小程序?yàn)橛脩籼峁┝丝梢暬撁婧头奖愕乃幤饭芾砉δ埽艽蟪潭壬辖鉀Q了化學(xué)藥品管理耗時耗力的問題。圖8為微信小程序客戶端頁面。微信小程序客戶端可以方便地查看實(shí)驗(yàn)室藥品總庫存和借用狀態(tài)，可遠(yuǎn)程開鎖，管理者可以不在實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生進(jìn)行遠(yuǎn)程開鎖，學(xué)生也可以點(diǎn)擊遠(yuǎn)程開鎖功能，輸入管理者專有密匙進(jìn)行開鎖。

4.2 模糊PID控制仿真

恒溫控制仿真實(shí)驗(yàn)在Matlab的Simulink平臺執(zhí)行，搭建PID控制器與模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)圖，進(jìn)而對比分析兩系統(tǒng)的模擬結(jié)果。

設(shè)置三角隸屬度函數(shù)，如圖9、圖10所示。

實(shí)驗(yàn)初始，設(shè)定藥品柜內(nèi)當(dāng)前溫度為 19^°C ，希望調(diào)控后的目標(biāo)溫度為 23^°C ，仿真結(jié)果如圖11所示。由結(jié)果可見，模糊PID控制相比傳統(tǒng)PID有更小的超調(diào)量，穩(wěn)定性能更佳，且峰值時間更短，響應(yīng)速度更快，說明模糊PID的控制方案要優(yōu)于傳統(tǒng)PID。

5 結(jié)束語

基于STM32的實(shí)驗(yàn)室智能藥品管理柜設(shè)計(jì)為管理人員提供了許多便利，通過使用STM32微控制器，實(shí)現(xiàn)了對藥品管理柜的精準(zhǔn)控制和監(jiān)控，包括藥品的存儲、取用和記錄等功能，通過二維碼識別技術(shù)識別藥品，實(shí)現(xiàn)了自動化的存取管理，提高了操作效率。藥品管理柜的可視化監(jiān)控及藥品溯源功能顯著提高了實(shí)驗(yàn)室藥品管理的安全性，該系統(tǒng)還可根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的具體需求進(jìn)行功能定制和擴(kuò)展，滿足不同實(shí)驗(yàn)室的需求。用戶只需在微信小程序上進(jìn)行操作即可完成實(shí)驗(yàn)藥品的入庫、出庫、借用、歸還等，藥品管理依靠服務(wù)器端的分類算法進(jìn)行，管理者只需登錄小程序即可了解實(shí)驗(yàn)室藥品的各類信息。同時，該藥品管理柜采用了基于模糊PD的恒溫控制算法，相比于傳統(tǒng)PID溫控精度顯著提高。此外，該藥品柜還具備遠(yuǎn)程開鎖功能，大大提高了管理者的管理效率。

總的來說，基于STM32的實(shí)驗(yàn)室智能藥品管理柜設(shè)計(jì)顯著提高了藥品管理的效率、安全性和便捷性，不僅在各高校實(shí)驗(yàn)室中具有廣闊的應(yīng)用前景，在各化工企業(yè)的實(shí)驗(yàn)室中也具有巨大的應(yīng)用潛能，其在高效性、安全性、可靠性方面為實(shí)驗(yàn)室管理者提供了更好的藥品管理解決方案。

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作者簡介：呂智慧 （1990-） ，女，山西呂梁人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：高校實(shí)驗(yàn)室安全建設(shè)及管理。通信作者：孫冠瓊（1988一），女，河南許昌人，碩士，講師，研究方向：先進(jìn)控制、檢測技術(shù)等。