醫(yī)療輔助智能車的研究與設(shè)計(jì)

中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 郭榮毓 任姝靜 陳宇航 王天陽 趙永亮

該醫(yī)療輔助智能車主要以樹莓派及STM32作為主控，使用python和C語言作為主要編程語言設(shè)計(jì)的以人臉識(shí)別及紅外測溫為主要功能的智能醫(yī)療小車，該智能車還包含了無線數(shù)據(jù)傳輸、酒精消毒檢測、帶載物品等功能，在這之中我們還參考了現(xiàn)在的醫(yī)療器械的制作設(shè)計(jì)方案，完善功能、提高使用體驗(yàn)。本文主要講述了該醫(yī)療輔助智能車每個(gè)功能模塊的研究設(shè)計(jì)過程及其應(yīng)用前景，通過對(duì)功能的研究分析表明，該醫(yī)療輔助智能車的智能化便捷化能更好的減輕醫(yī)務(wù)人員的負(fù)擔(dān)和感染風(fēng)險(xiǎn)。

2020年初新型冠狀病毒開始肆虐擴(kuò)散，廣大醫(yī)務(wù)工作者挺身而出沖鋒在抗戰(zhàn)疫情的第一線，在此期間一些醫(yī)護(hù)人員不幸感染，甚至獻(xiàn)出了自己的生命，還有一些醫(yī)務(wù)工作者由于過度勞累倒在病床前，一些痛心的畫面在此次疫情期間尤為突出。并且醫(yī)療行業(yè)是一個(gè)與居民生命健康息息相關(guān)的產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前人們對(duì)醫(yī)護(hù)人員的關(guān)切度越來越高，而且隨著當(dāng)前疫情在全球不斷蔓延，醫(yī)生的安全問題成為人們至關(guān)重要的焦點(diǎn)。而醫(yī)療輔助型機(jī)器人作為人工智能時(shí)代在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的深化，也開始嶄露頭角，進(jìn)入大眾的視線。為了更好的保護(hù)醫(yī)護(hù)人員的安全以及減輕他們的負(fù)擔(dān)研究設(shè)計(jì)出了該醫(yī)療輔助智能車，同時(shí)該產(chǎn)品也適用于養(yǎng)老院等服務(wù)型場所。該醫(yī)療輔助智能車可以更好的幫助醫(yī)生護(hù)士完成簡單的操作，尤其在這種傳染性很強(qiáng)的疾病中作用頗具顯著。有數(shù)據(jù)指出預(yù)計(jì)未來十年是智能醫(yī)療增長牛市，并有專家人士認(rèn)為未來醫(yī)療輔助小車將會(huì)顛覆現(xiàn)有醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展格局。

1 各功能模塊簡介

該醫(yī)療輔助智能車以STM32為主控芯片，樹莓派作為車體控制器，應(yīng)用PID算法通過樹莓派與移動(dòng)端配對(duì)連接用指令來實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車自動(dòng)避障導(dǎo)航等移動(dòng)的控制。并在車體上加載紅外測溫模塊對(duì)人體溫度的反饋，用open cv攝像頭模塊采集人臉信息，并將人物信息和溫度數(shù)據(jù)一并通過STM32主控板和wifi無線模塊傳輸?shù)揭苿?dòng)端，達(dá)到時(shí)刻提醒醫(yī)生、護(hù)士病人提問指標(biāo)的目的。除此之外醫(yī)療輔助智能車還通過抽水泵噴灑消毒液來對(duì)可疑房間進(jìn)行消毒，如果房間酒精濃度偏高濃度測量模塊會(huì)對(duì)另酒精噴灑作業(yè)立即停止，從而防止因消毒液濃度過高造成不良影響。并且小車主體還搭載了貯藏功能，可以存放一些藥物、醫(yī)療器械等從而解放醫(yī)護(hù)人員的雙手，還可在儲(chǔ)存功能的地方放置紫外線燈來達(dá)到物理消毒的效果，其總體功能框圖如圖1所示。

圖1 醫(yī)療輔助智能車總體功能框架

1.1 智能小車主體功能研究設(shè)計(jì)

智能小車的設(shè)計(jì)分為了基礎(chǔ)框架層、傳感器層、控制層和執(zhí)行層。通過各層間的相互作用與在PC機(jī)上下載安裝Ubuntu虛擬機(jī)，并在虛擬機(jī)上安裝ros系統(tǒng)與樹莓派通過指令調(diào)試連接從而控制小車的導(dǎo)航避障的功能。

（1）基礎(chǔ)框架層：基礎(chǔ)框架層采用雙層底板亞克力+雙層主板亞克力使得小車主體更加堅(jiān)固除此之外還包括還包括兩個(gè)直徑65mm優(yōu)質(zhì)橡膠輪，一個(gè)1.5寸尼龍以及萬向輪和2個(gè)495線電機(jī)，使輪子轉(zhuǎn)動(dòng)一圈會(huì)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)高達(dá)1980個(gè)從而達(dá)到高精度便捷轉(zhuǎn)向。

（2）傳感器層：傳感器層采用思嵐A1雷達(dá)與樹莓派相連，通過將雷達(dá)測量的數(shù)據(jù)發(fā)送到樹莓派來控制小車。思嵐A1雷達(dá)結(jié)構(gòu)簡單并且能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測的功能，不受霧云雨的阻擋，具有全天候全天時(shí)的特點(diǎn)，而且激光雷達(dá)還具有一定的穿透能力，適合于醫(yī)院這種復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用。

（3）控制層：控制層采用樹莓派與PC機(jī)相連，通過樹莓派自發(fā)的局域網(wǎng)使PC機(jī)和樹莓派同處于一個(gè)局域網(wǎng)下進(jìn)行互相通信，其中樹莓派內(nèi)嵌有ROS系統(tǒng)。

（4）執(zhí)行層：執(zhí)行層則包括STM32F103主控板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和降壓模塊并將三個(gè)模塊融合到一塊板子上從而防止因電子模塊過多而造成的小車整體的凌亂，其中降壓模塊是將為電機(jī)供電的12V電源降到5V來為STM32F103主控板和樹莓派進(jìn)行供電，STM32F103主控板則是將控制層樹莓派發(fā)出的指令進(jìn)行轉(zhuǎn)化用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊運(yùn)用差速法控制電機(jī)來達(dá)到轉(zhuǎn)向或啟停的目的。

1.2 紅外測溫功能研究設(shè)計(jì)

紅外測溫功能是根據(jù)被測物體的紅外輻射出的能量來確定物體的溫度，不與被測物體接觸，所以不影響到被測物體溫度場的分布。具有溫度分辨率較高、響應(yīng)速度較快、測溫范圍較廣、不受測溫上下限的限制、穩(wěn)定性好、可以測量微小目標(biāo)溫度等特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域頗為廣泛。對(duì)于該功能的實(shí)現(xiàn)我們采用MLX90614紅外非接觸式測溫傳感器，其工作電壓5V，10°FOV(field of view)，可測量溫度范圍為環(huán)境溫度-40℃～125℃，物體溫度-70.01℃～+382.19℃，足以達(dá)到該項(xiàng)目對(duì)測溫的要求，溫度數(shù)據(jù)輸出有PWM和SMBus兩種模式。該系列模塊的溫度解析度可達(dá)0.01°C，體積小巧，目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度由內(nèi)部81101內(nèi)置的熱電偶測定測量，從81101中輸出的兩路溫度信號(hào)是由被檢測物體的溫度（To）與傳感器自身的溫度（Ta）共同作用的結(jié)果，在理想情況的下熱電元件的輸出電壓為：

其中溫度單位均為Kelvin，A為元件的靈敏度常數(shù)。

輸出的電壓信號(hào)分別經(jīng)內(nèi)部MLX90302器件上高性能、低噪聲的斬波穩(wěn)態(tài)放大器放大再經(jīng)一個(gè)17-bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)單元后輸出，并于STM32F4單片機(jī)相應(yīng)的規(guī)定端口相連，單片機(jī)接收信號(hào)后通過內(nèi)部程序的控制運(yùn)算可實(shí)現(xiàn)高精度和高分辨率的溫度采集。

1.3 消毒液噴灑控制功能研究設(shè)計(jì)

醫(yī)療輔助智能車中該功能模塊主要由控制單元和執(zhí)行單元構(gòu)成。

（1）控制單元：控制單元由MQ-3酒精濃度傳感器和STM32F4單片機(jī)構(gòu)成。Risym MQ-3消毒水濃度傳感器具有穩(wěn)定性高、靈敏度高、選擇性好以及使用壽命長的特點(diǎn)，該模塊由微型Al2O3、陶瓷管和SnO2敏感層、測量電極和加熱器構(gòu)成敏感元件，固定在塑料或者不銹鋼的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件，當(dāng)其受熱后，加溫室環(huán)境中的可燃?xì)怏w濃度迅速增大，傳感器的內(nèi)阻阻值將會(huì)迅速降低，Vout值將逐漸增大，當(dāng)超過設(shè)定閾值時(shí)，其數(shù)字端輸出高低電平發(fā)生轉(zhuǎn)化并將信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，通過單片機(jī)內(nèi)部程序控制另執(zhí)行單元中的繼電器達(dá)到消毒液噴灑啟停的控制。

（2）執(zhí)行單元：執(zhí)行單元由12V抽水泵、消毒水儲(chǔ)存箱和繼電器構(gòu)成，由于STM32F4單片機(jī)最大輸出電壓為5V無法直接給12V的抽水泵供電所以要通過繼電器間接控制從而達(dá)到不同電壓同時(shí)控制的要求。

1.4 人臉識(shí)別功能研究設(shè)計(jì)

本醫(yī)療輔助智能車該功能采用的是基于opencv開源視覺庫進(jìn)行人臉識(shí)別的方法。OpenCV是開源的，它對(duì)圖像處理方面的函數(shù)和工具類代碼經(jīng)過了優(yōu)化，具有可移植性好、實(shí)時(shí)和執(zhí)行率高等特點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)先通過攝像頭對(duì)病人的所有的類harr特征進(jìn)行采集，再采用Adaboost算法進(jìn)行人臉的檢測，然后采用PCA降維算法獲取特征臉子空間，把PC平臺(tái)的人臉識(shí)別分類器下載到嵌入式目標(biāo)平臺(tái)，最后結(jié)合最近鄰匹配算法達(dá)到在線人臉識(shí)別的效果。特征提取是人臉識(shí)別的其中問題之一。PCA采用的是一種數(shù)據(jù)降維的方法，它將數(shù)據(jù)維數(shù)高的樣本用較少的特征向量去描述，目的是壓縮數(shù)據(jù)。在降維過程中，要使用向量線性變換來表示數(shù)據(jù)的關(guān)鍵信息，所以能盡可能的保留人臉的主要信息。Opencv通過和STM32F4串口相連再通過無線通信模塊間接與移動(dòng)端進(jìn)行信息交換，達(dá)到人臉信息識(shí)別調(diào)用的作用。

1.5 無線通信功能研究設(shè)計(jì)

醫(yī)療輔助智能車中該功能主要用于溫度測量和人臉識(shí)別數(shù)據(jù)通過該功能與移動(dòng)數(shù)據(jù)端通信，實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離互傳的目的。此功能我們將用ATK-ESP8266 WIFI模塊來實(shí)現(xiàn)。其內(nèi)含TCP/IP協(xié)議棧，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)串口與WIFI之間的轉(zhuǎn)換。利用ESP8266模塊，只要對(duì)醫(yī)療智能車上的普通串口進(jìn)行簡單的串口配置，就可以通過WiFi傳輸體溫檢測結(jié)果、人臉識(shí)別數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。該醫(yī)療輔助智能車采用的是AP模式：ESP8266自身開啟Wi-Fi，作為一個(gè)熱點(diǎn)，手機(jī)或電腦直接連到ESP8266的熱點(diǎn)從而進(jìn)行所需數(shù)據(jù)的傳輸控制。

2 總結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的是以樹莓派及STM32作為主控的醫(yī)療智能車，此車采用MLX90614紅外測溫模塊、使用open cv模塊對(duì)病人信息采集數(shù)據(jù)后通過ATK-ESP8266無線模塊與上位機(jī)無線通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。通過MQ-3酒精傳感器模塊進(jìn)行消毒液濃度的檢測控制其噴灑的啟停來達(dá)到醫(yī)院以及其他公共場所消毒作業(yè)的作用。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明整個(gè)醫(yī)療輔助智能車系統(tǒng)性能穩(wěn)定、使用方便、安全可靠。所以，未來市場應(yīng)用前景廣闊、推廣價(jià)值高。