基于STM32智能醫(yī)療巡診送藥系統(tǒng)設計

姜瑩瑩 黃征 曾成特 胡洋悅 石金玉

[摘 ? ?要 ]隨著時代的發(fā)展和科學的進步，自動化、智能化深度融合應用于各個領域是以后發(fā)展的方向?；赟TM32單片機的智能醫(yī)療巡診送藥系統(tǒng)，是以STM32最小核心板為主控制器，實現(xiàn)巡診送藥過程全自動化，無需過多的人為操作。此系統(tǒng)是服務行業(yè)為了提高配送效率的一次嘗試。醫(yī)護人員將藥品放在巡診送藥智能機器人上，指派智能機器人進行自主配送，完成送藥任務。

[關鍵詞]STM32;自動化;智能化;智能機器人

[中圖分類號]U463.4 [文獻標志碼]A [文章編號]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、治病救人的重要機構，隨著近年來經(jīng)濟的飛速發(fā)展，越來越多人注意自身健康情況，養(yǎng)成“有病早治、無病預防”健康意識。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復雜的系統(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，指派護士在對應時間將藥品送到患者的房間內(nèi)，但一位護士常常需要到多個病房給患者送藥，這需要護士記住送藥的目標患者以及對應的藥品，而且還要靠護士識別藥品的能力，使得送藥的過程中耗費大量的人力，還容易出錯，一旦出錯將導致患者病情加重，甚至造成更加嚴重的后果。本次設計的巡診送藥系統(tǒng)，不需要過多的操作，醫(yī)護人員只要給它一個指令，巡診送藥智能機器人能夠運行到達目的地，將目的患者的藥品送往對應的病房交于患者手上，患者還能將自己所量得的體溫，血壓以及當天身體狀況的感受，在系統(tǒng)中選擇對應選項，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，從而提高了效率。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)是以STM32F103Z8T6單片機為主控處理器，使用電機、電機驅(qū)動、電機測速模塊、紅外循跡模塊來實現(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)，然后自動儲存到STM32F103Z8T6單片機的flash中反饋給醫(yī)護人員，同時，巡診送藥智能機器人上還可以安裝收音和語音模塊，簡化操作難度。在保證藥品完好無損地運送到患者手中的前提下，保證以最快的速度行駛，同時根據(jù)自身對患者狀態(tài)的反饋，進行相應狀況的語言播報提示。系統(tǒng)總體框如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)由主控模塊STM32F103C8T6單片機、紅外循跡模塊、按鍵模塊、OLED屏、直流電機驅(qū)動模塊、編碼器電機模塊和蜂鳴器組成，各模塊在STM32F103C8T6單片機的控制下相互配合，實現(xiàn)智能巡診送藥的功能，本設計還具有自主控制，可以在系統(tǒng)運行途中強制停止，更改巡診送藥對象，在醫(yī)護人員命令需要改變時對巡診送藥機器人實現(xiàn)選擇控制，節(jié)省了醫(yī)護人員的時間，還能達到更好地控制效果。

2.1 主控模塊

本系統(tǒng)主控模塊采用STM32F103C8T6單片機，該單片機屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導體（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，在存儲器的0等待周期訪問時可達1.25 DMips/MHZ，接口簡單、程序模塊化、工作速度快、地址空間大。

STM32F103C8T6最小系統(tǒng)由5個部分組成，分別是電源電路、復位電路，時鐘源電路、BOOT啟動電路、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，價格便宜，再加上OLED顯示屏上有詳細介紹，患者能從中知道使用方法，讓診斷醫(yī)護人員在診斷室能即時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，更加具體的了解到患者的身體狀況及各方面身體指標。

有機電致發(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)，所以有機電致發(fā)光器件又稱之為有機電致發(fā)光二極管。當給器件施加一正向的外加偏壓后，電子和空穴克服界面勢壘，經(jīng)由陰極和陽極注入到有機材料中，在外加電場的作用下遷移至發(fā)光層，在發(fā)光層內(nèi)，當電子和空穴相遇時，由于庫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，將一部分能量傳遞給聲子而消耗掉，另外的激子則發(fā)生復合，最終電子落入空穴，同時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)，當激發(fā)態(tài)的電子躍遷至基態(tài)時，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)設計采用OLED屏，是為了更加清楚地顯示出患者身體信息，方便填寫，同時帶有光標“>”提示，方便患者選擇體溫等選項，同時數(shù)據(jù)會返回到醫(yī)護人員電腦上。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)，復位之后數(shù)據(jù)依然會保存。

OLED屏與按鍵相互配合使用，當語音模塊運行不正常時，提供另一種選擇方式，同時寫入OLED屏的數(shù)據(jù)，當單片機復位時達到數(shù)據(jù)不丟失的效果。

2.3 直流電機驅(qū)動模塊

在電機驅(qū)動模塊方面，考慮了L289N和DRV8833，相比之下，L289N體積較大，發(fā)熱嚴重，較易燒壞，電機功率較低，而DRV8833具有內(nèi)置過熱保護和可調(diào)限流保護電路，電機功率較高，因為考慮到運送更種藥品，重量可能偏大，所以最終選擇了DRV8833直流電機驅(qū)動模塊。

該模塊芯片中共有2個全H橋。因此最多可以同時驅(qū)動2個直流電機或1個步進電機。使2個10 K減速比的電機正常工作，達到電機所需要的電壓，從而為巡診送藥機器人提供更充足的動力。

2.4 紅外循跡避障模塊

巡診送藥機器人要實現(xiàn)自動避障的功能需要紅外避障模塊，紅外避障模塊有3個組成部分，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，模塊感應到傳感器反射回來的紅外光時，紅指示燈亮，輸出低電平;沒有紅外光時，指示燈不亮，輸出高電平。以檢測黑線為例，如果傳感器檢測到黑線，紅外光無法反射回來則模塊紅指示燈熄滅，同時小板對應的OUT口輸出高電平;如果未檢測到黑線，紅外光可以反射回來則模塊紅指示燈亮，小板對應的OUT口輸出低電平。其中需要注意一種特殊情況，也就是說當測量物體超出測量范圍時，此時紅指示燈熄滅，OUT口輸出高電平。

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

2.5 編碼器電機模塊

編碼器電機可以用來判斷旋轉(zhuǎn)方向和測量旋轉(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器人發(fā)送反饋來實時控制速度。這樣可以做到實時改變運行速度方向，同時還可以選擇患者送藥順序。

同時編碼器電機自帶編碼器，在轉(zhuǎn)動的同時檢測電機速度及方向，并發(fā)送給單片機，單片機將測量值與期望值比較，控制驅(qū)動模塊，使電機實現(xiàn)加速或減速，達到PID自動控制小車速度的效果，從而讓巡診送藥機器人實現(xiàn)按給定的速度運行。

3 系統(tǒng)軟件設計

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，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際速度與設定的期望速度一致。

在整定PID控制器參數(shù)時，可以根據(jù)控制器的參數(shù)與系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能之間的定性關系，用實驗的方法來調(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，知道應該調(diào)節(jié)哪一個參數(shù)，該參數(shù)應該增大還是減小。

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

智能巡診送藥系統(tǒng)在制作完成之后，預期的效果是針對患者巡診模式，實現(xiàn)醫(yī)患之間零接觸，并且能夠?qū)⒒颊叩某Ｒ?guī)檢測信息在系統(tǒng)之間信息共享的同時做到信息傳輸?shù)牧阊訒r，保證信息更新的實時性。智能巡診送藥系統(tǒng)根據(jù)地面的電磁引導線可以自動行駛運送藥品，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送到患者手中的前提下，保證以最快的速度行駛，同時根據(jù)自身對患者狀態(tài)的反饋，進行相應狀況的語言播報提示。

參考文獻

[1] 陳海峰，陳盛闖.基于單片機的OLED顯示系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].電子設計工程，2015，23（20）：137-140.

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