基于STM32的實驗室智能藥品管理柜設計

0 引言

高等院校是高新化工技術研發和創新的必要工程化平臺，對各類化學藥品有著龐大的采購量。由于藥品性質繁雜，且存在易燃、易爆、強腐蝕、劇毒、易制毒等危險品，倘若儲存管理不當，極易引發火災、爆炸等事故，難免造成財產損失及人員傷亡[1-3]。高校通常采用傳統的專人值守、手工登記的管理方式，這樣既浪費人力資源，又易出現人為差錯。因此，設計安全高效且運作成本低的藥品管理系統和流程，是當下亟需解決的問題。

物聯網技術的發展，使得國內外醫院及部分高校已然向軟硬件一體化的智能化管理模式4轉變。但在高校傳統的藥品管理模式下，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，因而缺乏相對嚴格的監管措施和相對快捷的信息化流程，數據無法共享且易丟失，工作效率低下，出現事故難以追溯，還存在一定的安全隱患。

針對高校人工調配操作效率低、監管力度小、信息化程度不高等缺陷，本文將結合STM32系列微控制器強大的運算功能和各項擴展功能[56]，以及云存儲、云服務器、云數據庫等技術的成熟應用，實現智能藥品柜管理系統的底層設計，并將微信小程序作為人機交互渠道，實現藥品柜的應用層設計。

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單片機實現藥品的自動稱重及信息記錄；另一方面采用DHT11傳感器實現環境溫濕度數據采集和傳輸；另外還設置模糊PID，依據系統動態響應進行恒溫調控。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信息。微信小程序客戶端可以監控藥品庫存量、藥品借出狀態等信息，無論是實驗室購入或出庫藥品，還是實驗人員操作期間連續使用藥品，都能實時更新藥品狀態信息，藥品的借用和歸還也均能在小程序上進行顯示。基于此，實現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 總體方案設計

智能藥品管理柜系統主要包括藥品管理柜端、云服務器與云數據庫端、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、直流電機驅動模塊、電控鎖模塊、OLED顯示模塊和ESP8266Wi-Fi模塊。云服務器與云數據庫端則用于信息流轉，從藥品管理柜端的ESP8266接收數據并將數據流轉到微信小程序客戶端，或將微信小程序端的指令轉發到藥品管理柜端。微信小程序客戶端作為人機交互的媒介，內置各項功能，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。微信小程序通過調用設備的攝像頭API進行相應藥品的識別。

該系統在設計上遵循了MVC模式的基本原則，即將數據處理（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，由于嵌入式系統的特殊性，某些組件又同時承擔了MVC中的多個角色。例如，云服務器同時處理數據和響應請求，STM32F103C8T6單片機同時處理用戶輸入和控制硬件設備，這種設計使得系統更加靈活和可擴展。系統結構圖如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1矩陣按鍵掃描模塊

圖2是 5×5 階準矩陣式按鍵電路，本設計取用14個用戶命令，包括藥品出庫、入庫及溫度設定等對應的14個按鍵，故將STM32F103的PA5～PA9端口配置為輸入或輸出模式，以連接準矩陣式鍵盤，該電路于嵌入式控制系統開發及應用實例中可有效減少對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的發送端（TX），用于將數據傳輸給ESP8266，ESP8266則通過其RX引腳接收這些數據；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引腳發送過來的數據。如此配置允許單片機與ESP8266模塊間以USART2為橋梁進行全雙工通信。而當需要重新啟動

ESP8266或將其置于已知狀態時，主控芯片即可通過將PA4引腳輸出低電平來復位ESP8266，然后通過輸出高電平來釋放復位，使其重新開始正常工作。電路圖如圖3所示。

2.3傳感器數據采集模塊

傳感器數據采集模塊是獲取藥品動態信息的入□，包括對藥品重量、柜內溫濕度狀況的實時監測，由各類傳感器及相應的信號調解電路構成。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行串行通信，其電路連接關系如圖4所示。

2.3.2 HX711稱重部分

在智能藥品管理柜系統中，STM32通過PA15引腳發送時鐘信號給HX711，并通過讀取DOUT線上的數據來獲取藥品重量信息。其電路連接關系如圖5所示。

3 軟件系統設計

系統開機后，進行初始化，并讀取藥品管理柜按鍵狀態、溫濕度信息和ESP8266端信息，當微信小程序客戶端點擊“開鎖\"按鍵時，云服務器會將指令轉發到藥品管理柜端并進行開鎖，隨后微信小程序調用手機攝像頭的API進行二維碼識別并讀取藥品信息，藥品柜調用HX711進行藥品自動稱重和記錄、更新藥品庫存量和狀態信息。隨后單片機以USART通信將數據發送給ESP8266Wi-Fi模塊，通過ESP8266模塊再上載到云數據庫，微信小程序客戶端通過MQTT協議向云服務器發送請求，服務器響應這些請求并將數據通過MQTT響應返回給小程序，最終將藥品實時信息更新到小程序頁面，實現藥品管理的動態可視化。藥品柜上的溫度設定按鍵按下時，系統進入溫度設定模式，用戶通過溫度增加和降低按鍵對設定溫度進行調整，系統采用模糊PID控制算法[8-9]進行恒溫控制。系統程序總流程的步驟如圖6所示。

4系統調試結果

4.1 微信小程序功能驗證

微信小程序主要由藥品檢索和藥品管理構成，藥品檢索主要用于用戶搜索相應藥品及其庫存和狀態信息，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為小程序主要結構圖。

第一部分是藥品檢索部分：藥品檢索分為按實驗室進行檢索和按藥品名稱進行檢索。

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，藥品柜端會調用HX711進行藥品稱重，通過用前與用后的差值，實時更新藥品庫存。管理員端可以進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信息。

微信小程序為用戶提供了可視化頁面和方便的藥品管理功能，很大程度上解決了化學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驗室藥品總庫存和借用狀態，可遠程開鎖，管理者可以不在實驗室為學生進行遠程開鎖，學生也可以點擊遠程開鎖功能，輸入管理者專有密匙進行開鎖。

4.2 模糊PID控制仿真

恒溫控制仿真實驗在Matlab的Simulink平臺執行，搭建PID控制器與模糊PID控制器的結構圖，進而對比分析兩系統的模擬結果。

設置三角隸屬度函數，如圖9、圖10所示。

實驗初始，設定藥品柜內當前溫度為 19^°C ，希望調控后的目標溫度為 23^°C ，仿真結果如圖11所示。由結果可見，模糊PID控制相比傳統PID有更小的超調量，穩定性能更佳，且峰值時間更短，響應速度更快，說明模糊PID的控制方案要優于傳統PID。

5 結束語

基于STM32的實驗室智能藥品管理柜設計為管理人員提供了許多便利，通過使用STM32微控制器，實現了對藥品管理柜的精準控制和監控，包括藥品的存儲、取用和記錄等功能，通過二維碼識別技術識別藥品，實現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控及藥品溯源功能顯著提高了實驗室藥品管理的安全性，該系統還可根據實驗室的具體需求進行功能定制和擴展，滿足不同實驗室的需求。用戶只需在微信小程序上進行操作即可完成實驗藥品的入庫、出庫、借用、歸還等，藥品管理依靠服務器端的分類算法進行，管理者只需登錄小程序即可了解實驗室藥品的各類信息。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PID溫控精度顯著提高。此外，該藥品柜還具備遠程開鎖功能，大大提高了管理者的管理效率。

總的來說，基于STM32的實驗室智能藥品管理柜設計顯著提高了藥品管理的效率、安全性和便捷性，不僅在各高校實驗室中具有廣闊的應用前景，在各化工企業的實驗室中也具有巨大的應用潛能，其在高效性、安全性、可靠性方面為實驗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，實驗師，研究方向：高校實驗室安全建設及管理。通信作者：孫冠瓊（1988一），女，河南許昌人，碩士，講師，研究方向：先進控制、檢測技術等。