基于STM32的醫(yī)用送藥智能車設(shè)計與實現(xiàn)

王怡雯　張曉輝

關(guān)鍵詞：STM32F407ZGT6；送藥車；K210 攝像頭；圖像

中圖分類號：TP249 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）10-0025-04

0 引言

送藥車是醫(yī)院藥房藥品轉(zhuǎn)運的設(shè)備，適用于藥房和患者之間的藥品傳送。現(xiàn)有的醫(yī)用送藥車大多采用手推車，容易造成藥品錯發(fā)、漏發(fā)的醫(yī)療糾紛，無法滿足“未來醫(yī)院”患者藥品調(diào)劑精細化、智能化管理的需求，給大數(shù)據(jù)時代的醫(yī)院工作帶來各種不方便。

國外公司的送藥機器人基本都是室外送藥機器人，對于室內(nèi)送藥機器人與國內(nèi)一樣有許多問題，很多問題都處于研究階段，對于室內(nèi)送藥機器人的商業(yè)化還有非常大的一段距離。在實際的運行過程中，發(fā)現(xiàn)了許多的因道路而產(chǎn)生的問題：①當(dāng)下雨天有人在地上鋪上毯子，醫(yī)院或藥房送藥時，送藥機器人對這一路段的通過能力大大降低，有失敗的風(fēng)險，并且行駛過程中穩(wěn)定性也下降不少。②多個小車協(xié)作運行過程中的相互避障及對路線實時規(guī)劃的問題，環(huán)境因素（人為或非人為）發(fā)生改變后小車的適應(yīng)性問題和學(xué)習(xí)能力等，都還需要改善。尤其近年來，疫情反復(fù)無常，為了盡量減少醫(yī)生、病人等人員之間的直接接觸機會，設(shè)計一種送藥智能車，能夠根據(jù)藥房、病房號進行自動識別，將藥品及其他檢測樣本進行準(zhǔn)確投送。

1 送藥智能車的總體設(shè)計

送藥智能車控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，主要包括核心控制器STM32F407ZGT6、HC-05 藍牙通信電路、K210攝像頭、TB6612驅(qū)動電路、TFT顯示屏、減速編碼電機、灰度傳感器、紅外光電感應(yīng)開關(guān)等。

系統(tǒng)工作時，利用紅外光電開關(guān)檢測藥品的放置，使用HC-05藍牙模塊實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)交換，傳遞送藥智能車當(dāng)前位置和任務(wù)信息。核心控制器STM32F407ZGT6控制TB6612電動驅(qū)動模塊實現(xiàn)送藥車減速編碼電機的驅(qū)動，減速編碼電機和萬向輪驅(qū)動小車實現(xiàn)行進和轉(zhuǎn)向，使送藥車自動運行。利用灰度傳感器獲得灰度值，采用七路灰度傳感器高效區(qū)分不同灰度（顏色）的尋徑線，實現(xiàn)送藥智能車的尋徑功能。K210攝像頭進行圖像采集，并采用浮雕濾波算法進行預(yù)處理，實現(xiàn)圖像識別、顏色、物體識別、MNIST手寫數(shù)字識別等多種功能，從而實現(xiàn)對多個病房號碼識別功能[1]。

2 送藥車控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 供電電路

供電電路采用2路LM2596S-ADJ為核心組成的DC-DC可調(diào)降壓電路，LM2596S-ADJ芯片內(nèi)部有開關(guān)頻率150KHz的固定頻率發(fā)生器，并具有頻率補償功能，轉(zhuǎn)換效率達95%以上。供電電路原理圖如圖2 所示：

LM2596S-ADJ芯片只需要4個外接元器件就可以工作，一路將電池輸出電壓穩(wěn)定在8V供送藥智能車驅(qū)動，另一路將電池電壓穩(wěn)定在5V供各模塊使用。

2.2 電機驅(qū)動電路

本系統(tǒng)送藥智能車使用TB6612 驅(qū)動電路，TB6612是一種可以同時獨立地控制兩臺直流電動機的新型驅(qū)動芯片。它的集成度非常高，且能輸出比較高的電流提供足夠的產(chǎn)能，在運行電動機的性能和能源消耗方面也具有優(yōu)勢。因此，它可以作為集成、小型電動機的控制系統(tǒng)中非常理想的電機驅(qū)動裝置。驅(qū)動電路原理圖如圖3所示：

2.3 主控板電路

主控板采用自主設(shè)計的集成各功能的PCB電路板，包括鍵盤、TFT顯示屏、電機接口、串口以及LED指示燈等，而且板載的1117芯片可將5V電壓轉(zhuǎn)降至3.3V 以供應(yīng)芯片運行。主控板電路如圖4 所示，按鍵、陀螺儀模塊電路如圖5所示，顯示屏、串口模塊電路如圖6所示。

3 送藥智能車的圖像處理

3.1 數(shù)字識別方法

送藥智能車駛向目標(biāo)病房需要攝像頭對病房號碼的準(zhǔn)確識別并且對號碼位置的精確判斷，前者可以使用目標(biāo)分類達到很好的效果，但對目標(biāo)數(shù)字位置識別涉及對圖片內(nèi)多個數(shù)字的處理，存在較大的難度。

YOLOv3采用的one stage目標(biāo)檢測算法具有較高的運算速度，可以同時檢測多個目標(biāo)，并對相應(yīng)的目標(biāo)值進行標(biāo)注，獲取目標(biāo)的各種信息。能夠同時測量多種數(shù)據(jù)，并對相應(yīng)的目標(biāo)值加以標(biāo)注，從而得到項目的所有特征。可以首先利用特征提取數(shù)字的輸入特征，從而獲取一定尺寸的特征圖形輸出。將圖像分為13×13的網(wǎng)格單元，然后假設(shè)真實框的一個對象的中心位置落在一個方格上，然后就可以根據(jù)這個方格來推測這個對象。如果一個對象中有一定數(shù)量的邊界框，在YOLOv3中有三個邊界框，然后通過邏輯回歸可以得到用來推測的回歸框[2]。

要檢測出目標(biāo)數(shù)字在圖像中的位置，就得需要位置信息，也就是bounding box，如圖7中所示需要知道中心點的坐標(biāo)，框的寬和高，也就是包含4個值：x，y，w，h，（x，y）代表box 的中心，（w，h）代表box 的寬和高。

3.2 預(yù)測框回歸

預(yù)測框回歸圖如圖8所示：

YOLOv3網(wǎng)絡(luò)最終需要通過回歸檢測得到這些信息，回歸思想是指先驗框（anchor box）到真實框（ground truth box）之間是一種回歸關(guān)系，先驗框是通過預(yù)先選定的一些框，來幫助本系統(tǒng)最終得到真實的框，在代碼中先驗框信息（寬和高）是固定在代碼中的，它包含了三個尺寸，有的大有的小，且橫縱比有一些區(qū)別，如圖通過YOLOv3網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后會得到一種映射關(guān)系，先驗框會回歸到真實框，Anchor box 到Ground truth box之間可以通過中心點的坐標(biāo)的偏移，以及框的寬和高的放縮來最終得到真實框[3]。

系統(tǒng)采用K210采集大量原始數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)集標(biāo)注，通過LabelImg工具進行數(shù)據(jù)集創(chuàng)建與標(biāo)注，再通過Tensorflow框架訓(xùn)練YOLOv3模型，本系統(tǒng)將一千兩百張不同角度、不同明暗對比度、不同焦距的圖片傳入框架進行訓(xùn)練，最終得到滿意的YOLOv3模型，由圖9可以看出，經(jīng)過9次迭代損失率可以達到較低水平，大于9次迭代后損失率下降不再明顯。

浮雕濾波器是一種常用數(shù)字濾波器，能夠給圖像一種3D陰影的效果。只需要用中心這一邊的像素減去另一邊的像素。此時，像素值的正負是不確定的，本系統(tǒng)將小于0當(dāng)成陰影部分，將大于0當(dāng)成光影部分，然后對圖像的結(jié)果加上偏移。這時候，圖像大部分就變成灰色了。

將訓(xùn)練的模型YOLOv3.tflite文件轉(zhuǎn)化為YOLOv3.kmodel 文件，將其放在系統(tǒng)SD卡的根目錄下，通過K210程序調(diào)用攝像頭進行數(shù)字的實時識別。將識別的結(jié)果通過串口通信實時地發(fā)送給主控制器。

3.3 自動尋徑方法

本系統(tǒng)采用7路灰度傳感器，裝在送藥智能車車頭下方，用于尋徑和記錄送藥智能車所處位置。灰度傳感器采用光敏二極管，在識別到顏色變化時改變輸出信號。尋跡模塊的7個灰度傳感器檢測道路，根據(jù)灰度傳感器的返回的灰度值和邏輯電平信號，判斷送藥智能車相對道路中間所在的位置，調(diào)整送藥智能車兩個電機的速度從而改變運行軌跡，使送藥智能車始終沿著軌道行走。根據(jù)當(dāng)前傳感器的返回值，確定智能送藥車所在道路的位置，從而改變車輛的行駛方向的走向，讓車輛一直沿著道路中間的實線運行。送藥智能車的初始位置定在道路的中間，使用最中間的灰度傳感器壓線，送藥智能車將默認以直線方式前進，在前進一段距離后，因為摩擦力和軌道曲線變化及電機的區(qū)別等問題，送藥智能車將脫離軌道線而偏向另一方向，這時車輛就必須通過從灰度傳感器中得到的數(shù)據(jù)進行判別，以實時的方式選擇送藥車輛運行路線[4-5]。

若是七路灰度傳感器檢測不到道路，表明送藥智能車到達了門口區(qū)域，這時會自動原地轉(zhuǎn)向進行藥品裝卸。

根據(jù)道路情況，在程序內(nèi)部建立各個病房位置的絕對坐標(biāo)系和相對于小車位置的相對坐標(biāo)系，主控制器根據(jù)接收到灰度傳感器的數(shù)據(jù)和電機編碼器的值進行計算，得出送藥智能車此刻位于道路的位置，通過送藥智能車自身傳感器配以PID算法產(chǎn)生中斷對指令的執(zhí)行進行微調(diào)，更好地完成任務(wù)。

4 送藥智能車的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

送藥智能車控制系統(tǒng)軟件主要包括主程序、圖像處理程序、數(shù)字識別程序、自動尋徑程序、雙車通信程序等，限于篇幅，在此僅介紹主程序。系統(tǒng)程序流程圖如圖10所示。

5 結(jié)束語

本次設(shè)計的醫(yī)用送藥智能車具有自主避障、自動循跡、藥房和病房的自動識別等功能，實現(xiàn)了藥房與病房之間藥品及其他檢測樣本的精準(zhǔn)投送，減輕了醫(yī)護人員的勞動強度，提高了工作效率。