一種區域型全自動藥庫系統的設計

萬歡，魏雯，趙展，賈作文，肖燁

（蘇州工業職業技術學院，江蘇蘇州，215104）

0 引言

本文提出了一種區域型全自動藥庫系統設計，是基于Cortex M3內核的32位微控制器，并與ESP8266相互連接，形成一個局域性網絡結構的配送系統。通過Netty進行同步或者異步的網絡調配，作為服務端的網絡通信框架，能夠提供高可靠性與高性能的網絡服務[1]。基于該系統，實時的通過網絡進行藥品訂單的自動配送，整個配送傳輸過程無需人為干預，僅需通過客戶端進行操作。配送運輸通過AGV小車進行及時準確的送藥任務，能夠通過服務端程序監控所有AGV小車配送的動態信息，減少了醫生與患者的接觸，避免人工配送時產生的風險，進一步保障醫生與患者的健康與安全。

1 總體設計框圖

區域型全自動藥庫系統以安全、便捷為主，能夠在新冠疫情之下，對藥品隔離運輸，有效隔離病毒，減少中途因常規送藥而產生不必要的傳染因素。在此基礎上該系統將全院互聯網絡一體化，能夠使用服務器進行同一調配AGV小車，使用WIFI網絡進行節點通信，并使用服務器處理撿藥系統與運輸路線規劃；實時監測整體運行情況，在緊急情況能夠按緊急等級進行優先分配送藥；并且能夠促進智慧醫療現代化的發展，保障多方的安全與利益，系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 硬件電路設計

硬件系統主要包括三個部分，分別是藥品運輸車輛AGV小車，自動取藥倉庫，道路車輛檢測。AGV小車通過STM32F103最小系統板控制整個小車的運行與取藥送藥行動，小車上配備WIFI模塊整個系統通過無線模式與服務器進行通信；行進部分采用PWM控制電機轉動，采用場效應管H橋式的電機驅動模塊，能夠輸出正向與反向電壓驅動大功率直流電機，保障驅動一定負載的電機[2]。自動取藥倉庫同樣采用STM32F103最小系統進行控制電機進行出藥操作，同樣該取藥倉庫采用WIFI模塊與服務器進行通信。道路車輛檢測擬采用紅外模塊感應車輛精確位置，確保整個系統正常運行。系統總硬件電路如圖2所示。

■2.1 單片機控制系統設計

該系統方案采用STM32F103RTE6控制，該芯片擁有128KB的內部flash，20KB的SRAM,三個通用定時器與一個高級定時器。并支持包括SPI、I2C、USART、CAN等通信協議，49個通用IO口，兩個16通道的ADC，主頻72MHz能夠支持大部分的邏輯運算，并能夠運行實時操作系統，進一步優化阻塞式運行模式。通過外圍電路來實現對電機的驅動和電機狀態判斷，通過行駛道路上布置的傳感器以及車身上的傳感器來對車輛自身狀態與道路狀態進行判斷并實時反饋至服務器做出相應判斷，通過出藥系統的傳感器與車輛反饋并服務器下發指令進行出藥操作等。

■2.2 電機驅動設計

直流電機驅動電路設計需要對輸出電流和輸出電壓進行匹配，該項決定輸出功率的大小；需要對電機驅動效率測試，提高驅動效率減少發熱量，減少不必要的電力浪費；控制端與輸出端的主從關系，電機線圈產生的感應電流對控制短的影響；電壓波動對電源穩定性的影響；是否能夠精確控制轉速，能夠改變方向也同樣是電機驅動電路的重要指標。

圖2 系統總硬件電路原理圖

圖3 H橋驅動原理圖

通過場效應管驅動直流電機的電路采用常見的H橋驅動電路，H橋作為一個典型的直流電機驅動控制電路，能夠采用集成芯片或者分立元件，由于驅動四個行進電機需要較高的電流需求，所以采用分立元件，防止IC因功率過大燒毀。通過H橋并能夠對電機進行多種狀態操作，如正轉、反轉、停止、制動，H橋電路需要對每個橋臂進行精確控制，防止因為同側同時導通導致MOS管燒毀。通過對兩種情況的比較，MOS-H橋型的電機驅動電路能夠作為本設計AGV小車電機的驅動電路，通過各樣詳細參數的比較MOS管更加適配[3]，H橋驅動電路如圖3所示。

3 軟件程序設計

軟件系統分為三個部分，分別是底層單片機系統，服務器控制系統與控制軟件。底層單片機需藥分別對STM32最小系統進行設計，實時檢測車輛運行狀態，通過控制電機驅動確保運行的穩定性，并反饋道路狀況給予服務器進行路況分析；通過ESP8266的系統設計保障整個通信系統的穩定性。服務器控制系統通過TCP/IP協議接收局域網中各個設備發來的信息，控制整個系統，完成藥品運輸任務。控制軟件為醫生使用的控制端，為需要分配藥品的患者進行配藥；后端藥庫管理人員可以通過控制端進行檢測藥庫剩余藥量，并及時補充。整個系統僅需人工操作電腦，將系統數據歸一化，完善自動藥庫系統。

■3.1 服務器與客戶端軟件設計

根據一種區域型全自動藥庫系統的功能需求進行程序設計，服務器程序設計使用常見的操作系統Windows，采用Java與Netty框架設計的服務程序，處理接收來的數據并反饋，支持一定數量的并發。服務器程序主要通過通道進行相關數據傳輸，進行處理客戶端與AGV小車傳送的數據，并進行分析處理。

Netty是基于NIO的一種框架，NIO相對傳統IO，是一種同步且非阻塞式IO，相比傳統流傳輸，緩沖區具有更大的優勢，不僅增加了處理過程中的靈活性，而且可以確保數據的安全性，確保不丟失，進一步增加TCP/IP的穩定性[4]。同時NIO采用的多路復用器，不需要像Socket那樣每創建一個連接創建一個線程，能夠能更加有效的利用CPU的資源，同時通過緩沖區的Buffer分配，在一定數據量的情況下，使用JAVA的自動回收機制，進一步減少內存的浪費，所以Netty更適合為服務器的軟件通信框架，服務流程總體框圖如圖4所示。

圖4 服務程序總體框圖

客戶端程序與服務端相對應，在本設計中客戶端為醫療從業者使用，能夠通過對圖形界面進行選擇發送命令，使服務器控制AGV小車進行取藥與運輸的操作。在本程序中主要涉及兩個方面一個是圖形界面的設計，另一個是與服務器的數據交互設計，客戶端處理流程如圖5所示。

圖5 客戶端處理流程圖

圖形界面設計使用JavaFX框架，JavaFX在Java8中集成在jdk之中，java11之后則采用獨立的JavaFX的SDK。傳統的Java圖形開發需要依賴AWT等窗口工具包，在JavaFX中擁有豐富的圖形與媒體API，并且JavaFX完全由Java編寫，在使用該類庫開發時不需要額外鏈接其他框架，便于學習且開發周期較短。

使用JavaFX開發無需像傳統窗口工具包只能夠通過代碼來進行布置，通過額外的Scene Builder可以實現圖形化開發，能夠通過實時的界面調節進行布局的修改。其能夠高效的設計圖形界面，數據交互同樣與服務器使用同一種通信方式的網絡框架。

■3.2 AGV運輸車輛軟件設計

使用傳感器采集一組數據，數據為char型8位，在正常運行中至少存在兩點位于循跡線上，循跡線上的檢測點值常高于其他循跡點值，在干凈的面板上其他循跡點不會出現異常高值，為應變復雜環境，循跡判斷前需要進行高斯濾波，將可疑點進行濾除，避免在姿態判斷中出現誤判現象。

電機驅動采用PWM技術，PWM全稱為脈寬調制波形如圖6所示，通過數字量對模擬設備驅動進行控制，使用PWM控制電機能夠有效的控制車輛行駛速度，減少突然停頓與突然運行等情況。

圖6 PWM波形擬真圖

4 結束語

本設計是基于物聯網技術與無線通信技術的一種局域型全自動藥庫系統。藥品運輸車輛采用STM32芯片作為控制電路，使用H橋驅動電機運行，并通過ESP-12E進行無線通信與服務器進行交互。服務系統則通過Windows端使用Netty和Java構建基于TCP/IP的服務器程序。服務器程序依賴客戶端設備發送請求命令，進行分析、規劃并向運輸車輛發出控制命令、規劃車輛取藥與送藥所需路徑根據具體等級安排運輸順序，并且能夠接收車輛實時的工作狀態。客戶端使用者一般為醫護人員，醫護人員通過患者具體情況選擇藥品，并選擇輸送至患者所在床位或房間。同樣，客戶端能夠通過服務器接收各設備的具體運行情況，達到實時監管的作用。

通過構建物聯網系統框架，控制AGV車輛運輸藥品，使其在區域中運輸藥品更加便捷，減少了醫生與患者的接觸，避免人工配送時產生的風險，保障了醫生與患者的健康與安全。