基于STM32智能醫(yī)療巡診送藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜瑩瑩 黃征 曾成特 胡洋悅 石金玉

[摘 ? ?要 ]隨著時(shí)代的發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步，自動(dòng)化、智能化深度融合應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域是以后發(fā)展的方向。基于STM32單片機(jī)的智能醫(yī)療巡診送藥系統(tǒng)，是以STM32最小核心板為主控制器，實(shí)現(xiàn)巡診送藥過程全自動(dòng)化，無需過多的人為操作。此系統(tǒng)是服務(wù)行業(yè)為了提高配送效率的一次嘗試。醫(yī)護(hù)人員將藥品放在巡診送藥智能機(jī)器人上，指派智能機(jī)器人進(jìn)行自主配送，完成送藥任務(wù)。

[關(guān)鍵詞]STM32;自動(dòng)化;智能化;智能機(jī)器人

[中圖分類號(hào)]U463.4 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）06–0–02

[Abstract]With the development of the times and the progress of science， the deep integration of automation and intelligence in various fields is the future direction of development. The intelligent medical round-trip medicine delivery system based on STM32 single-chip microcomputer is based on the STM32 minimum core board as the main controller， which realizes the fully automated round-trip medicine delivery process without excessive human operations. This system is an attempt by the service industry to improve the efficiency of distribution. The medical staff put the medicines on the patrol and delivery intelligent robots， and assign the intelligent robots to carry out autonomous distribution and complete the task of delivering medicines.

[Keywords]STM32; automation; intelligence; intelligent robot

醫(yī)院是從事疾病診斷、治病救人的重要機(jī)構(gòu)，隨著近年來經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，越來越多人注意自身健康情況，養(yǎng)成“有病早治、無病預(yù)防”健康意識(shí)。正因如此，醫(yī)院的人流量逐漸增多，醫(yī)院的送藥過程是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，患者在住院過程需要注射和服用各種藥物，每名患者因病情的不同，其需要的藥品種類和用藥量都各不相同。在目前醫(yī)院系統(tǒng)送藥模式中，是采取醫(yī)護(hù)人員給患者診斷開出藥方后，院方按照藥方配好藥物，指派護(hù)士在對(duì)應(yīng)時(shí)間將藥品送到患者的房間內(nèi)，但一位護(hù)士常常需要到多個(gè)病房給患者送藥，這需要護(hù)士記住送藥的目標(biāo)患者以及對(duì)應(yīng)的藥品，而且還要靠護(hù)士識(shí)別藥品的能力，使得送藥的過程中耗費(fèi)大量的人力，還容易出錯(cuò)，一旦出錯(cuò)將導(dǎo)致患者病情加重，甚至造成更加嚴(yán)重的后果。本次設(shè)計(jì)的巡診送藥系統(tǒng)，不需要過多的操作，醫(yī)護(hù)人員只要給它一個(gè)指令，巡診送藥智能機(jī)器人能夠運(yùn)行到達(dá)目的地，將目的患者的藥品送往對(duì)應(yīng)的病房交于患者手上，患者還能將自己所量得的體溫，血壓以及當(dāng)天身體狀況的感受，在系統(tǒng)中選擇對(duì)應(yīng)選項(xiàng)，再通過串口通信發(fā)送反饋給系統(tǒng)，既減少人力，又能避免出錯(cuò)，從而提高了效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是以STM32F103Z8T6單片機(jī)為主控處理器，使用電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)測(cè)速模塊、紅外循跡模塊來實(shí)現(xiàn)送藥、記錄患者身體基本數(shù)據(jù)等功能，并且患者可以通過按鍵控制OLED屏顯示身體基本數(shù)據(jù)，然后自動(dòng)儲(chǔ)存到STM32F103Z8T6單片機(jī)的flash中反饋給醫(yī)護(hù)人員，同時(shí)，巡診送藥智能機(jī)器人上還可以安裝收音和語(yǔ)音模塊，簡(jiǎn)化操作難度。在保證藥品完好無損地運(yùn)送到患者手中的前提下，保證以最快的速度行駛，同時(shí)根據(jù)自身對(duì)患者狀態(tài)的反饋，進(jìn)行相應(yīng)狀況的語(yǔ)言播報(bào)提示。系統(tǒng)總體框如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由主控模塊STM32F103C8T6單片機(jī)、紅外循跡模塊、按鍵模塊、OLED屏、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、編碼器電機(jī)模塊和蜂鳴器組成，各模塊在STM32F103C8T6單片機(jī)的控制下相互配合，實(shí)現(xiàn)智能巡診送藥的功能，本設(shè)計(jì)還具有自主控制，可以在系統(tǒng)運(yùn)行途中強(qiáng)制停止，更改巡診送藥對(duì)象，在醫(yī)護(hù)人員命令需要改變時(shí)對(duì)巡診送藥機(jī)器人實(shí)現(xiàn)選擇控制，節(jié)省了醫(yī)護(hù)人員的時(shí)間，還能達(dá)到更好地控制效果。

2.1 主控模塊

本系統(tǒng)主控模塊采用STM32F103C8T6單片機(jī)，該單片機(jī)屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3，超低功耗的32位微處理器，支持2.0～3.6 V供電，I/O管口較多，兼容5 V電壓，最高72 MHz工作頻率，在存儲(chǔ)器的0等待周期訪問時(shí)可達(dá)1.25 DMips/MHZ，接口簡(jiǎn)單、程序模塊化、工作速度快、地址空間大。

STM32F103C8T6最小系統(tǒng)由5個(gè)部分組成，分別是電源電路、復(fù)位電路，時(shí)鐘源電路、BOOT啟動(dòng)電路、調(diào)試接口電路，直接使用3.3 V直流供電。晶振分為有源晶振和無源晶振，最高工作頻率達(dá)到72 MHz，而本發(fā)明使用8 MHz的晶振來提供頻率，電容起到濾波作用，濾除晶振波形中的高頻雜波，讓晶振輸出的震蕩頻率更加穩(wěn)定。

2.2 顯示模塊OLED屏

本系統(tǒng)顯示模塊采用OLED屏，OLED是指有機(jī)電激發(fā)光二極管，由OLED顯示屏和PCB加上鐵架框組成，引角少，便于安裝，具有自發(fā)光，色彩還原度高，可視角度廣，視覺舒適度高，畫面亮度柔和，顯示字體清晰，價(jià)格便宜，再加上OLED顯示屏上有詳細(xì)介紹，患者能從中知道使用方法，讓診斷醫(yī)護(hù)人員在診斷室能即時(shí)了解患者身體的狀況。配合按鍵使用可以更加方便快捷的找到需要的選項(xiàng)，更加具體的了解到患者的身體狀況及各方面身體指標(biāo)。

有機(jī)電致發(fā)光器件（OLED）屬于低電壓、高電流的雙注人式發(fā)光器件，具有發(fā)光二極管的性質(zhì)，所以有機(jī)電致發(fā)光器件又稱之為有機(jī)電致發(fā)光二極管。當(dāng)給器件施加一正向的外加偏壓后，電子和空穴克服界面勢(shì)壘，經(jīng)由陰極和陽(yáng)極注入到有機(jī)材料中，在外加電場(chǎng)的作用下遷移至發(fā)光層，在發(fā)光層內(nèi)，當(dāng)電子和空穴相遇時(shí)，由于庫(kù)侖力的相互作用而形成暫態(tài)激子，由于暫態(tài)激子具有較高的能量處于不穩(wěn)定態(tài)，所以一小部分激子可以通過晶格振動(dòng)，將一部分能量傳遞給聲子而消耗掉，另外的激子則發(fā)生復(fù)合，最終電子落入空穴，同時(shí)向外釋放出一定的能量，而發(fā)光材料原子的最外層電子吸收這些能量后將處于激發(fā)態(tài)，當(dāng)激發(fā)態(tài)的電子躍遷至基態(tài)時(shí)，向外輻射出光子，從而就產(chǎn)生了電致發(fā)光現(xiàn)象。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用OLED屏，是為了更加清楚地顯示出患者身體信息，方便填寫，同時(shí)帶有光標(biāo)“>”提示，方便患者選擇體溫等選項(xiàng)，同時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)返回到醫(yī)護(hù)人員電腦上。如果數(shù)據(jù)不確定，還可以從OLED屏上找到患者填寫的數(shù)據(jù)，復(fù)位之后數(shù)據(jù)依然會(huì)保存。

OLED屏與按鍵相互配合使用，當(dāng)語(yǔ)音模塊運(yùn)行不正常時(shí)，提供另一種選擇方式，同時(shí)寫入OLED屏的數(shù)據(jù)，當(dāng)單片機(jī)復(fù)位時(shí)達(dá)到數(shù)據(jù)不丟失的效果。

2.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方面，考慮了L289N和DRV8833，相比之下，L289N體積較大，發(fā)熱嚴(yán)重，較易燒壞，電機(jī)功率較低，而DRV8833具有內(nèi)置過熱保護(hù)和可調(diào)限流保護(hù)電路，電機(jī)功率較高，因?yàn)榭紤]到運(yùn)送更種藥品，重量可能偏大，所以最終選擇了DRV8833直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

該模塊芯片中共有2個(gè)全H橋。因此最多可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)或1個(gè)步進(jìn)電機(jī)。使2個(gè)10 K減速比的電機(jī)正常工作，達(dá)到電機(jī)所需要的電壓，從而為巡診送藥機(jī)器人提供更充足的動(dòng)力。

2.4 紅外循跡避障模塊

巡診送藥機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障的功能需要紅外避障模塊，紅外避障模塊有3個(gè)組成部分，分別是發(fā)射管、接收管和LED燈，發(fā)射管發(fā)出一定頻率的紅外線，模塊感應(yīng)到傳感器反射回來的紅外光時(shí)，紅指示燈亮，輸出低電平;沒有紅外光時(shí)，指示燈不亮，輸出高電平。以檢測(cè)黑線為例，如果傳感器檢測(cè)到黑線，紅外光無法反射回來則模塊紅指示燈熄滅，同時(shí)小板對(duì)應(yīng)的OUT口輸出高電平;如果未檢測(cè)到黑線，紅外光可以反射回來則模塊紅指示燈亮，小板對(duì)應(yīng)的OUT口輸出低電平。其中需要注意一種特殊情況，也就是說當(dāng)測(cè)量物體超出測(cè)量范圍時(shí)，此時(shí)紅指示燈熄滅，OUT口輸出高電平。

利用紅外模塊可以使巡診送藥機(jī)器人檢測(cè)到前方有無障礙物，對(duì)巡診送藥機(jī)器人速度進(jìn)行加減速，判斷巡診送藥機(jī)器人是否需要停止，是否繼續(xù)前進(jìn)，相當(dāng)于巡診送藥機(jī)器人的“眼睛”，另外醫(yī)院的燈光已達(dá)到紅外循跡對(duì)于光線的要求。

2.5 編碼器電機(jī)模塊

編碼器電機(jī)可以用來判斷旋轉(zhuǎn)方向和測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度。用戶可根據(jù)顯示屏上轉(zhuǎn)速的大小和方向選擇所需的轉(zhuǎn)速。利用OLED屏和按鍵通過串行通信向巡診送藥機(jī)器人發(fā)送反饋來實(shí)時(shí)控制速度。這樣可以做到實(shí)時(shí)改變運(yùn)行速度方向，同時(shí)還可以選擇患者送藥順序。

同時(shí)編碼器電機(jī)自帶編碼器，在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)檢測(cè)電機(jī)速度及方向，并發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)將測(cè)量值與期望值比較，控制驅(qū)動(dòng)模塊，使電機(jī)實(shí)現(xiàn)加速或減速，達(dá)到PID自動(dòng)控制小車速度的效果，從而讓巡診送藥機(jī)器人實(shí)現(xiàn)按給定的速度運(yùn)行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用PID控制原理，成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差，比例控制器的輸出u（t）與輸入偏差e（t）成正比，能迅速反映偏差，從而減小偏差，但不能消除靜差。偏差存在，才能使控制器維持一定的控制量輸出，因此比例控制器必然存在著靜差。由偏差理論知，增大雖然可以減小偏差，但不能徹底消除偏差。PID控速減小偏差后基本上可以做到實(shí)際速度與設(shè)定的期望速度一致。

在整定PID控制器參數(shù)時(shí)，可以根據(jù)控制器的參數(shù)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能之間的定性關(guān)系，用實(shí)驗(yàn)的方法來調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)。在調(diào)試中最重要的問題是在系統(tǒng)性能不能令人滿意時(shí)，知道應(yīng)該調(diào)節(jié)哪一個(gè)參數(shù)，該參數(shù)應(yīng)該增大還是減小。

本系統(tǒng)的部分源代碼如下：

intIncremental_PI_A（intaggregately，intTarget）

{staticintBias，Pwm，Last_bias;

Bias=Target-aggregately;

Pwm+=Kp*（Bias-Last_bias）+Ki*Bias;

Last_bias=Bias;

if（Pwm>=1500）

{Pwm=1500;}

if（Pwm<=0）

{Pwm=0;}

returnPwm;}

4 結(jié)束語(yǔ)

智能巡診送藥系統(tǒng)在制作完成之后，預(yù)期的效果是針對(duì)患者巡診模式，實(shí)現(xiàn)醫(yī)患之間零接觸，并且能夠?qū)⒒颊叩某Ｒ?guī)檢測(cè)信息在系統(tǒng)之間信息共享的同時(shí)做到信息傳輸?shù)牧阊訒r(shí)，保證信息更新的實(shí)時(shí)性。智能巡診送藥系統(tǒng)根據(jù)地面的電磁引導(dǎo)線可以自動(dòng)行駛運(yùn)送藥品，并且根據(jù)具體的路線情況調(diào)整自身速度，在保證藥品完好無損的運(yùn)送到患者手中的前提下，保證以最快的速度行駛，同時(shí)根據(jù)自身對(duì)患者狀態(tài)的反饋，進(jìn)行相應(yīng)狀況的語(yǔ)言播報(bào)提示。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳海峰，陳盛闖.基于單片機(jī)的OLED顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015，23（20）：137-140.

[2] 趙亮.跟我學(xué)51單片機(jī)（一）——單片機(jī)最小系統(tǒng)組成與I/O輸出控制[J].電子制作，2011（1）：73-77.