吳繼浩 施祥慶 周浩

(湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢 430068)

醫(yī)用取藥房的智能移動(dòng)平臺(tái)

吳繼浩 施祥慶 周浩

(湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢 430068)

隨著人們生活水平的不斷提高,人們?cè)絹?lái)越關(guān)心醫(yī)院的工作效率,因此提高看病各環(huán)節(jié)的效率日益成為大家關(guān)注的焦點(diǎn),其中取藥的自動(dòng)化可大大縮短取藥時(shí)間,減少患者的取藥等待時(shí)間。醫(yī)用取藥房的智能移動(dòng)平臺(tái)由軌道信號(hào)發(fā)生裝置、信號(hào)采集裝置、STM32F401外圍電路、觸碰停車裝置、WIFI通信模塊、電機(jī)控制、LCD顯示器和移動(dòng)電源等部分組成。

自動(dòng)化醫(yī)用智能移動(dòng)平臺(tái)STM32

1 引言

智能移動(dòng)平臺(tái)一直是國(guó)內(nèi)外的研究的熱點(diǎn)，對(duì)于提高人類的生活質(zhì)量和工業(yè)生產(chǎn)效率具有很重要的實(shí)際意義，尤其是在一些特定的場(chǎng)合中的智能移動(dòng)平臺(tái)，例如醫(yī)用取藥房中，由于存放藥物的藥架繁多，光線分布不均，磁場(chǎng)干擾復(fù)雜，等眾多的因數(shù)導(dǎo)致了現(xiàn)有的智能循跡系統(tǒng)很難穩(wěn)定的應(yīng)用于這個(gè)特定的場(chǎng)合，本文將從軌道信號(hào)發(fā)生裝置、信號(hào)采集裝置、STM32F401外圍電路、觸碰停車裝置、無(wú)線控制系統(tǒng)、電機(jī)控制、LCD顯示器和移動(dòng)電源等部分設(shè)計(jì)一款醫(yī)用智能移動(dòng)平臺(tái)。經(jīng)由實(shí)踐的證明，該系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確向目的地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，滿足一般取藥房的需求，而且具有自帶的接口可以實(shí)現(xiàn)與智能醫(yī)療設(shè)備網(wǎng)絡(luò)終端聯(lián)網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理[1]。

2 工作原理

智能移動(dòng)平臺(tái)循跡所需要信號(hào)是通過(guò)埋在地面上的3mm的銅絲串聯(lián)一個(gè)信號(hào)發(fā)生裝置，產(chǎn)生頻率為20KHZ的脈沖信號(hào)，通過(guò)智能移動(dòng)平臺(tái)底盤的電感采集到信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大等處理后，cpu就能讀出當(dāng)前的位置偏差，再通過(guò)一定的算法處理實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑的準(zhǔn)確追蹤，基于精確的停車電路設(shè)計(jì)、醫(yī)療人員可以隨時(shí)實(shí)現(xiàn)停車和行車方向的更換。

用戶可以隨時(shí)的根據(jù)移動(dòng)平臺(tái)自帶的LCD顯示器，查看平臺(tái)的電量、溫度信息以及矯正和處理一些數(shù)據(jù)，另外，還可以通過(guò)連接在該移動(dòng)平臺(tái)上的智能終端來(lái)讀取當(dāng)前移動(dòng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)和智能醫(yī)療設(shè)備網(wǎng)絡(luò)終端的信息傳遞。

3 智能移動(dòng)平臺(tái)硬件總體設(shè)計(jì)

為達(dá)到特定的設(shè)計(jì)要求，平臺(tái)具體分由以下幾個(gè)電路組成：

3.1 軌道信號(hào)發(fā)生裝置

信號(hào)發(fā)生裝置采用的電源是5v的直流電源，原理圖如圖所示，40KHZ的晶振和與非門并聯(lián)，通過(guò)74HC14第一個(gè)非門接入10M的電阻，形成反向放大并且順利振蕩，第二個(gè)、第三個(gè)非門是用作整形，CD4013是雙D觸發(fā)器，此處用做Q-接D將信號(hào)二分頻，CLR和RS接+5V，CP接到第三個(gè)非門的輸出，輸出信號(hào)由三極管放大后輸出，如果得到的頻率不對(duì)，可以通過(guò)C2進(jìn)行微調(diào)。

3.2 信號(hào)采集裝置

3.2.1 選頻電路

智能移動(dòng)平臺(tái)選擇20kHz的交變磁場(chǎng)作為路徑導(dǎo)航信號(hào)，在頻譜上可以有效地避開(kāi)周圍其它磁場(chǎng)的干擾。由于藥房?jī)?nèi)各種電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)有極大的干擾，因此信號(hào)放大需要進(jìn)行選頻放大，使得20kHz的信號(hào)能夠有效的放大，并且去除其它干擾信號(hào)的影響?？梢允褂肔C串并聯(lián)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)選頻電路（帶通電路）,計(jì)算濾波電容的公式(1)：

選擇感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率f=20kHz，感應(yīng)線圈電感為L(zhǎng) =10mH，計(jì)算出諧振電容的容量為6.8nf。

3.2.2 放大和處理電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)選頻信號(hào)，電感采集的信號(hào)大概在100mv左右，因此需要一個(gè)放大電路進(jìn)行放大，放大電路由圖，當(dāng)傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)選頻后，經(jīng)過(guò)C9進(jìn)入基于AD822設(shè)計(jì)的單電源放大電路，通過(guò)BATS54S搭建檢波電路，將交變的電壓信號(hào)檢波形成直流信號(hào)，檢波電路可以獲得正比于交流電壓信號(hào)峰峰值的直流信號(hào)。這樣可以減小噪聲對(duì)單片機(jī)處理信號(hào)的影響，單片機(jī)A/D可以以更快的周期對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，極大的提高了穩(wěn)定性。

3.3 LCD顯示器

STM32內(nèi)部沒(méi)有驅(qū)動(dòng)液晶屏和觸摸的驅(qū)動(dòng)電路和接口，所以在各類高端的液晶顯示模塊中，內(nèi)嵌入了一些帶有驅(qū)動(dòng)電路和芯片的，這些電路是和液晶顯示屏相互獨(dú)立的，使用的是ILI9341和XPT2046實(shí)現(xiàn)液晶驅(qū)動(dòng)和觸摸檢測(cè)的。

3.4 WIFI通信模塊

在短距離的移動(dòng)通訊領(lǐng)域,wi-fi無(wú)疑是當(dāng)今使用最為廣泛的移動(dòng)通訊技術(shù)。鑒于資源的有限，使用的是SPI通訊模塊的WIFI模塊。

3.5 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)

為了便于精確的實(shí)現(xiàn)控制，選擇的是帶有軸編碼器的電機(jī)，通過(guò)編碼器的反饋更加精確的實(shí)現(xiàn)對(duì)姿態(tài)的控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用大功率的MOS管驅(qū)動(dòng)，穩(wěn)定可靠。

3.6 觸碰停車裝置

停車裝置安放在前后的兩個(gè)扶手上面，使用的是多個(gè)并排的PM611熱釋電傳感器來(lái)感應(yīng)觸碰信號(hào)，使用LM358實(shí)現(xiàn)放大后，通過(guò)LM393設(shè)置比較電壓，當(dāng)超過(guò)閾值電壓后，實(shí)現(xiàn)停車功能，多個(gè)熱釋電傳感器的并排使用，增加了觸碰靈敏度，而使用LM393比較電路設(shè)計(jì)的閾值參考電壓可以有效的減少誤判。

3.7 STM32F401外圍電路

ST公司在2014年推出STM32F41RE系列產(chǎn)品，項(xiàng)目使用STM32F401RE64腳貼片芯片，STM32F401RE穩(wěn)定最高主頻能達(dá)到100MHZ，而且具有3個(gè)IIC通信，3個(gè)USARTs 4個(gè)SPIs，支持SDIO通信，尤其適用于需要浮點(diǎn)運(yùn)算或DSP處理的應(yīng)用，芯片外圍電路包括了晶振電路、備用電源、保護(hù)電路、數(shù)據(jù)下載電路。

3.8 電池設(shè)備

設(shè)備采用的是移動(dòng)電源平臺(tái)，對(duì)于電源的剩余電量就是一個(gè)重要的檢測(cè)對(duì)象，當(dāng)電量不足的時(shí)候，用戶就應(yīng)當(dāng)對(duì)電源進(jìn)行充電，項(xiàng)目選擇的是DS2384，如下圖，通過(guò)一個(gè)采樣電阻R?？梢詫?shí)現(xiàn)電池電量的采集，因?yàn)镈S2384自帶了一個(gè)溫度傳感器，設(shè)計(jì)出來(lái)的電源模塊具有采集環(huán)境溫度的功能。

4 智能移動(dòng)平臺(tái)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 軟件流程圖

當(dāng)啟動(dòng)電源后，處理器首先對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后開(kāi)始接收啟動(dòng)命令，當(dāng)檢測(cè)到啟動(dòng)命令后，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移動(dòng)的功能了。

4.2 循跡算法及實(shí)現(xiàn)

市場(chǎng)上關(guān)于四輪車算法的實(shí)現(xiàn)比較普遍的是四輪轉(zhuǎn)向車輛動(dòng)力學(xué)模型，這種設(shè)計(jì)對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的車身結(jié)構(gòu)提出了比較復(fù)雜的要求，無(wú)疑增加了平臺(tái)的成本，增大了移動(dòng)平臺(tái)的推廣難度，本著“夠用即最好”的原則，考慮到醫(yī)用藥房的具體情況，設(shè)計(jì)四定向輪平臺(tái)，設(shè)計(jì)的移動(dòng)平臺(tái)為長(zhǎng)寬高80CM*40CM*100CM的平臺(tái)，可同時(shí)容納兩層藥物，平臺(tái)通過(guò)與前后輪同軸的成一定間距的兩套成對(duì)的電感，探測(cè)出車身與賽道的偏差角度，然后通過(guò)PID模糊算法，和編碼器返回的車速實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道的準(zhǔn)確追蹤。

智能控制的PID典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂破鞯妮敵隹诮?jīng)過(guò)輸出接口，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過(guò)傳感器變送器，通過(guò)輸入接口送到控制器[2]。

如圖所示其中，D(S)為控制器，完成PID控制規(guī)律。

比例(P)控制器

比例+積分(PI)控制器

比例+積分+微分(PID)控制器

式子中：Kp-比例放大系數(shù)，Ti-積分時(shí)間，Td-微分時(shí)間

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹智能醫(yī)用取藥平臺(tái)借鑒了市場(chǎng)上常見(jiàn)的自動(dòng)巡線系統(tǒng)以及無(wú)線控制系統(tǒng)，運(yùn)用我們所學(xué)的知識(shí)，經(jīng)過(guò)我們的優(yōu)化創(chuàng)新和大膽整合，設(shè)計(jì)出一臺(tái)安全、可靠、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格合理的醫(yī)用移動(dòng)平臺(tái)，用戶通過(guò)對(duì)協(xié)議的修改可以和任何一款市面上見(jiàn)到的智能終端進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，適合一般醫(yī)院的需求。

[1]顏慧.家用小型電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].大眾科技, 2010(3).

[2]李楨.PID調(diào)節(jié)概念及基本原理[J].科技信息（科學(xué)·教研）, 2007(29).

Intelligent mobile platform for Pharmacy

WU Ji-hao,SHI Xiang-qing,ZHI Hao
(Hubei University of Technology，Hubei Wuhan，430068)

With the continuous improvement of living standards,the concern on hospital efficiency rises,in which the pharmacy efficiency is an important part.An automatic pharmacy system can greatly shorten the time for picking up medicine,reducing patients’waiting time to get medicine.Theintelligent mobile platform for pharmacy consists of the rail signal generator,signal acquisition device, STM32F401 peripheral circuit,touch-stopping device,WIFI communication module,motor control,LCD display and mobile power supply.

Automation;Medical intelligent mobile platform;STM32;WIFI

TP242

A

1008-1739（2015）10-64-3

定稿日期：2015-04-26