汪世波 李莉 苗志浩 俞陳建 劉煜 許文丹

摘要：針對目前大部分醫(yī)院采用人工取藥的方式造成取藥效率低的問題，設(shè)計并完成了一種基于STM32F103ZET6微處理器的自動取藥系統(tǒng)。自動取藥系統(tǒng)為自助式操作，由人機(jī)接口（Human Machine Interface，HMI）和人機(jī)交互界面完成藥品的獲取，集成電路卡的（Integrated Circuit，IC）磁卡模塊進(jìn)行最后的確認(rèn)和購買。系統(tǒng)可以提高患者取藥的速度、降低取藥的錯誤率、保證用藥安全，并且減少醫(yī)務(wù)人員的工作強(qiáng)度、節(jié)約勞動成本、增加醫(yī)院賬目透明度、提高患者的滿意度。

關(guān)鍵詞：差錯率；自動取藥；步進(jìn)電機(jī)；HMI串口屏；嵌入式

中圖分類號：TP311文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2020）04-68-4

0引言

在當(dāng)前醫(yī)療環(huán)境下，患者候藥時間是評價藥學(xué)服務(wù)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，縮短患者取藥時間是當(dāng)務(wù)之急。對于中國這樣一個人口大國，取藥問題一直都是一個難題，自1958年北京市醫(yī)院藥房提出要“千方百計取消取藥排隊現(xiàn)象”以來[1-4]，很多醫(yī)院采用各種方法降低排隊取藥時間，諸多學(xué)者提出了多種加快取藥速度的方法，設(shè)計了各種醫(yī)療器械[5-7]。例如對于麻醉科特殊藥品，提出了藥箱式管理，一定程度上增加了取藥速度，而藥房取藥機(jī)器人的提出[8-9]，為取藥增加了一種途徑。自動化藥房的探索優(yōu)化了傳統(tǒng)藥房的取藥過程，縮減了時間。就目前來說，這些醫(yī)療器械對于取藥速度及步驟的幫助較為片面。而自動化取藥不但能加快取藥速度，而且步驟少、流程少，具有廣闊的發(fā)展前景[10-12]。針對患者取藥困難的問題，提出了基于STM32F103ZET6微處理器的自動取藥系統(tǒng)。對比藥房人工取藥時間，此取藥系統(tǒng)可大大提升取藥效率，并且采用ASTART HMI進(jìn)行調(diào)試，驗證了系統(tǒng)的正確性和有效性。

1系統(tǒng)設(shè)計分析

1.1功能需求分析

自動取藥系統(tǒng)需要先在人工選擇狀態(tài)下進(jìn)行全自動取藥，所以人機(jī)交互是本系統(tǒng)很重要的一部分，對于用戶尋卡成功并通過人機(jī)交互模塊進(jìn)行人工選擇藥品后，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、傳輸，并對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，所以終端處理單元以及電源模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊的搭建是本系統(tǒng)的核心。

1.2主控微處理器的選擇

為了保證整個電路的實現(xiàn)，必須選擇一款適合電路的控制芯片。

STM芯片上集成32-512 KB的Flash和6-64 KB的SRAM兩種存儲器，調(diào)試模式分為串行調(diào)試（SWD）和JTAG接口，最多高達(dá)112個的快速I/O端口、11個定時器和13個通信接口。STM32采用ARM Cortex-M內(nèi)核的32位微控制器，具有高性能、實時性強(qiáng)、低功耗和便于低電壓操作等優(yōu)點，同時還易于開發(fā)。

STM32單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的能力較強(qiáng)，本次設(shè)計需要處理的模擬量很多，且從芯片安全度考慮，STM32系列單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲安全性較高。綜合考慮，決定選用STM32單片機(jī)作為核心處理MCU，具體型號為STM32F103ZET6。

1.3系統(tǒng)總體設(shè)計

綜合系統(tǒng)的功能需求配合現(xiàn)有技術(shù)，系統(tǒng)主要由MCU電路、電源供電模塊、人機(jī)交互模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊和RC522射頻模塊5個模塊構(gòu)成，該系統(tǒng)的框圖如圖1所示。RC522射頻模塊主要用于讀卡，并通過SPI接口與MCU連接通信。人機(jī)交互模塊主要用于人與機(jī)器的可視化交互、藥品的選擇，步進(jìn)電機(jī)模塊主要用于藥品的投放。

2硬件設(shè)計

2.1 MCU電路

MCU電路選用STM32F103ZET6作為主控芯片，因為所有的數(shù)據(jù)處理與發(fā)送都集中在終端模塊中，同時集成化整個下層硬件，為了功能的實現(xiàn)以及高效性，系統(tǒng)選用了STM32F103來構(gòu)建整個下層電路。STM32F103是一款應(yīng)用32位微控制器以及72 MHz功耗的以Cortex-M3為內(nèi)核，擁有各個模塊功能的高度集成化的開發(fā)板。電機(jī)的驅(qū)動、串口功能的實現(xiàn)以及數(shù)據(jù)包的推送都是Cortex-M3引腳操作實現(xiàn)的。

2.2供電模塊的設(shè)計

供電模塊整體設(shè)計如圖2所示，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動使用的是5 V電壓。

2.3人機(jī)交互模塊的設(shè)計

工業(yè)串口屏、工業(yè)組態(tài)屏等是專門用來做工業(yè)智能顯示儀表的屏幕，一般都有軟件以拖控件的形式對GUI界面進(jìn)行設(shè)計。本次設(shè)計使用的是USART HMI智能串口屏，顯示屏自帶GUI，供電就可以使用，可通過串口通信對控件上的參數(shù)進(jìn)行修改，還有一些特定的指令可實現(xiàn)一些功能操作，任何有串口通信功能的單片機(jī)都可以帶動，串口屏界面如圖3所示。

2.4 MFRC522射頻模塊

MFRC522利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議[13]，支持14443A兼容應(yīng)答器信號。數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯誤檢測。此外，還支持快速CRYPTO1加密算法，用于驗證MIFARE系列產(chǎn)品。MFRC522支持MIFARE系列更高速的非接觸式通信，雙向數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)424 kbit/s。采用Philips MFRC522原裝芯片設(shè)計讀卡電路，使用方便。通過SPI接口簡單的幾條線就可以直接與用戶任何CPU主板相連接通信，保證模塊穩(wěn)定可靠地工作。

2.5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊

驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器選用ULN2003A，是一種新型的7路高耐壓、大電流達(dá)林頓晶體管驅(qū)動IC，ULN2003A常見的封裝有DIP-16，SOP-16，TSSOP-16三種，而ULN2003A常用的是DIP-16或者SOP-16，它有16個引腳，1～7是輸入引腳，10～16是輸出引腳，8號引腳是接地端，9號引腳是鉗位二極管公共端。

ULN2003A內(nèi)部包含7個獨立的達(dá)林頓管驅(qū)動單路，單個達(dá)林頓管集電極可輸出500 mA電流。電路內(nèi)部有續(xù)流二極管，可用于驅(qū)動繼電器、步進(jìn)電機(jī)等電感性負(fù)載。每一路達(dá)林頓管串聯(lián)一個2.7 kΩ的基極電阻，在5 V的工作電壓下可直接與TTL/CMOS電路連接，輸入兼容TTL/CMOS邏輯信號。使用的步進(jìn)電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)，采用直流電源供電，只要對步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動，四相八拍運行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

3軟件設(shè)計

在系統(tǒng)供電后，MCU首先對整體電路進(jìn)行初始化，包括對數(shù)據(jù)的初始化，對各GPIO口的初始化，初始化需要延時一段時間，防止之前數(shù)據(jù)對之后數(shù)據(jù)的影響[14-15]。系統(tǒng)設(shè)計了中斷觸發(fā)的模式來檢測是否有高低電平的變化，外部中斷是由于外部干擾而發(fā)生的計算機(jī)系統(tǒng)中斷，無論是來自用戶、外圍設(shè)備，其他硬件設(shè)備還是通過網(wǎng)絡(luò)。這些與機(jī)器通過程序指令讀取時自動發(fā)生的內(nèi)部中斷不同，整個系統(tǒng)在正常情況下只進(jìn)行主要功能的實現(xiàn)或者休眠模式，同時一直檢測外部設(shè)備引腳是否有中斷觸發(fā)的信號，一旦有外部中斷觸發(fā)后，整個硬件進(jìn)入中斷功能的實現(xiàn)，然后在中斷結(jié)束后，設(shè)備自動恢復(fù)到之前的狀態(tài)。

初始化完成后，人機(jī)交互界面啟動，等待用戶操作，RC522射頻模塊檢測讀卡數(shù)據(jù)并在HMI串口屏上顯示，用戶通過串口品進(jìn)行相應(yīng)操作，MCU實時采集相關(guān)用戶操作數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動送藥，系統(tǒng)流程如圖4所示。

4系統(tǒng)功能測試

在傳統(tǒng)取藥方式中，取藥錯誤是不可忽略的一大缺陷，誤差主要來自藥師、電腦系統(tǒng)和管理三方面，其中，藥師因素是造成誤差最重要的部分，對比傳統(tǒng)取藥方式，自動取藥系統(tǒng)采用自動化控制，能夠提高取藥的精準(zhǔn)度、彌補(bǔ)人工操作帶來的誤差。

傳統(tǒng)取藥步驟繁瑣，在固定窗口刷卡收費后，需要到其他窗口進(jìn)行排隊等手續(xù)。自動取藥系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于節(jié)約病人的取藥時間和醫(yī)院的人力資源，因此實驗內(nèi)容主要是對取藥時間的測試。實驗過程中先在HMI串口屏上進(jìn)行相關(guān)的選擇后，再用IC磁卡最后確認(rèn)信息。取藥時間的計算是刷卡結(jié)束后電機(jī)開始運轉(zhuǎn)并將藥品送出的時間間隔。測量結(jié)果顯示，自動取藥系統(tǒng)的平均取藥速度為8.68 s，相對于傳統(tǒng)的取藥時間，取藥系統(tǒng)的取藥速度得到極大提升，可以極大地緩解醫(yī)院信息系統(tǒng)（HIS）的壓力。并且，相比于當(dāng)前矩陣鍵盤式系統(tǒng)的購買，更為便捷，可以增加患者的滿意度。

5結(jié)束語

隨著嵌入式、自動控制等技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，醫(yī)療系統(tǒng)和設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入了智能化、自動化時代，本文設(shè)計的自動取藥系統(tǒng)，通過RC522讀卡的方式確定目標(biāo)用戶，運用HMI串口屏進(jìn)行可視化的人機(jī)交互操作，終端處理器STM32F104ZET6進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析，控制步進(jìn)電機(jī)送藥，完成整個選、送藥流程，大大提升了取送藥效率。經(jīng)過測試，自動取藥系統(tǒng)識別與處理的時間在8.68 s，可大大提高醫(yī)院、藥房的工作效率。

參考文獻(xiàn)

[1]吳戀，田江松，宋剛，等.智能藥柜存取機(jī)AMM的設(shè)計與實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（11）：87-88.

[2]張渝，王放，李初民.門診藥房取藥系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國醫(yī)療設(shè)備，2014，29（1）：50-52.

[3]張洋，劉軍，嚴(yán)漢宇，等.精通STM32F4（庫函數(shù)版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2019.

[4]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]李紅.探析完善藥品管理與發(fā)放制度對門診藥房工作效率的影響[J].世界最新醫(yī)學(xué)信息文摘，2019，19（53）：218，223.

[6]羅曉莉，夏炳春.對醫(yī)院門診藥房進(jìn)行精細(xì)化管理的效果探討[J].當(dāng)代醫(yī)藥論叢，2019，17（12）：9-10.

[7]汪步升.醫(yī)院中醫(yī)藥信息化建設(shè)[J].電腦編程技巧與維護(hù)， 2019，407（5）：73-74.

[8]邱廣萍，林峻光，符展培.醫(yī)院自動取藥機(jī)器人與樣機(jī)制作[J].赤峰學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，32（3）：36-37.

[9]程堂燦，張鳳生，王敬.藥房取藥機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與力學(xué)分析[J].機(jī)電技術(shù)，2019（2）：2-6.

[10]閻大亮，王永亮，陸登城，等.基于互聯(lián)網(wǎng)+自助取藥系統(tǒng)設(shè)計與研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（14）：44-45.

[11]楊軍.門診藥房引進(jìn)自動發(fā)藥機(jī)的優(yōu)缺點評價[J].中國衛(wèi)生產(chǎn)業(yè)，2018，15（21）：173-174.

[12]胡敏達(dá).藥房自助終端系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京：東南大學(xué)，2018.

[13]索向軍.無線射頻識別技術(shù)（RFID）在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2013，9（5）：1154-1155.

[14]張海藩.軟件工程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[15] PATTON R.軟件測試：第2版[M].張小松，王鈺，曹躍，等，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.