劉 婷，王彥玲，趙生慧，張 帥，韋 濤

（1.中國人民解放軍93114 部隊，北京 100085；2.電子科技大學(xué)，四川 成都 611731；3.中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

藥品的生產(chǎn)流程具有工序多、流程復(fù)雜等特點(diǎn)，導(dǎo)致現(xiàn)有藥品管理問題多。例如：無法準(zhǔn)確實時了解和追蹤物料的流通、狀態(tài)及各車間的生產(chǎn)進(jìn)度問題；職工有效工作時間太短而等待時間較長問題；手工記錄方式難以避免漏記錯記問題。根據(jù)企業(yè)藥品生產(chǎn)規(guī)范化、高質(zhì)量與智能化要求，現(xiàn)代醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)對實時、有效、準(zhǔn)確以及快速地監(jiān)控與查詢生產(chǎn)物料和人員狀態(tài)的追蹤系統(tǒng)提出了需求[1-2]。

射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）是近年來興起的自動識別技術(shù)中的一個重要分支。該技術(shù)使用無線通信，可獲取、識別和解析范圍內(nèi)物品上的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)，具有容量大、識別準(zhǔn)確度高、標(biāo)簽壽命長、數(shù)據(jù)可加密、識別速度快以及通信距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)[3-4]。

RFID 被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)線管理、物流管理、易流通物品（如圖書）管理以及倉儲管理等多個領(lǐng)域[5-6]。超高頻RFID 可大批量、遠(yuǎn)距離地讀寫標(biāo)簽，在保證物料、人員等原有效率的前提下，完成對其各種信息流的實時、精確、全程監(jiān)控與記錄，保證生成藥品的質(zhì)量，甚至降低藥品人員工作量，提高產(chǎn)業(yè)效率和競爭力[7-8]。此外，RFID 系統(tǒng)易于集成多種傳感器（如較為普及的溫濕度），可進(jìn)一步保證中藥飲片生產(chǎn)外部環(huán)境和成品質(zhì)量。

1 總體設(shè)計

1.1 藥品生產(chǎn)管理流程分析

參考中智藥業(yè)中藥飲片的生產(chǎn)管理流程，主要包括篩選物料、物料流通至內(nèi)包間、在內(nèi)包間完成成品生產(chǎn)、成品中間站暫存以及成品驗證等多個工序。它的生產(chǎn)階段如圖1 所示。

1.2 RFID 應(yīng)用需求分析

RFID 技術(shù)常規(guī)應(yīng)用是將RFID 電子標(biāo)簽依附于目標(biāo)物品，通過讀寫器在需要的時間位置進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大批量的標(biāo)簽數(shù)據(jù)讀取，同時將對象與其多種數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，之后在后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，通過數(shù)據(jù)對比判斷是否符合規(guī)范，以保證藥品質(zhì)量，同時增強(qiáng)生產(chǎn)效率。

圖1 藥品生產(chǎn)與管理流程

應(yīng)用于藥品生產(chǎn)管理的超高頻RFID 系統(tǒng)，核心目標(biāo)：通過RFID 遠(yuǎn)距離、大批量讀寫能力，減少車間內(nèi)與車間之間物料數(shù)據(jù)采集的耗時，提高信息精確度，同時增強(qiáng)人員工作效率；通過集成傳感器設(shè)備，使采集的數(shù)據(jù)實時、客觀且禁止更改，有效避免人工采集記錄數(shù)據(jù)的常見問題，同時極大地減輕人員的工作量。

針對藥品生產(chǎn)管理流程，在車間里配放一臺超高頻RFID 讀寫器，對應(yīng)總車間、內(nèi)標(biāo)間與中間站門口各配置一個超高頻天線，對應(yīng)總盤點(diǎn)處配置一個龍門架式超高頻RFID 盤點(diǎn)通道。

在傳感器方面，集成紅外探測觸發(fā)讀寫器讀寫操作和判斷物料進(jìn)出，集成電子秤直接客觀準(zhǔn)確獲取物料重量，集成溫濕度傳感器全程、實時采集車間內(nèi)的環(huán)境測試數(shù)據(jù)。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

整流電路采用高低通濾波功分器將多頻點(diǎn)能量收集天線收集到的GSM 900/GSM 1800 信號能量分成兩路：一路920～960 MHz 信號（覆蓋GSM 900下行頻段）經(jīng)低通濾波器輸出至針對該頻段優(yōu)化的整流電路（采用HSMS285C）；另一路1 710～1 860 MHz 信號（覆蓋GSM1800 下行信號）經(jīng)高通濾波器輸出至針對該頻段優(yōu)化的另一個整流電路（采用SMS7630）。高低通濾波功分器的輸入輸出端口阻抗與兩個整流電路的輸入阻抗均匹配至50 Ω。兩個整流電路輸出級同時接限壓保護(hù)齊納二極管和BQ25570 能量管理芯片。

1.4 能量收集電路

藥品生產(chǎn)管理RFID 系統(tǒng)擬解決中藥飲片生產(chǎn)過程中物料流通與生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全程、實時監(jiān)管問題。通過對系統(tǒng)需求和RFID 特性分析，最終系統(tǒng)的功能目標(biāo)如下：

（1）數(shù)據(jù)采集，即收集藥品生產(chǎn)全程、實時數(shù)據(jù)，同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、過濾、整合以及上傳等操作；

（2）規(guī)范核對，即對出入車間的物料人員根據(jù)規(guī)范進(jìn)行核對，對違規(guī)的出入操作進(jìn)行記錄和報警；

（3）操作核對，即對車間的物料人員操作根據(jù)規(guī)范進(jìn)行采集、記錄與核對，提供違規(guī)報警功能；

（4）紅外監(jiān)測，即利用紅外傳感器判斷進(jìn)出入車間的物料人員的方向，同時觸發(fā)相應(yīng)的讀寫器，提供違規(guī)報警功能；

（5）環(huán)境監(jiān)測，即全程、實時采集生產(chǎn)過程中的溫度、濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)，并篩選、過濾、整合、上傳至數(shù)據(jù)庫，若數(shù)據(jù)超出限定范圍，提供異常報警功能；

（6）數(shù)據(jù)庫交互，即將上傳的數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫中心，針對查詢要求選定并返回相應(yīng)數(shù)據(jù)。

在整體功能結(jié)構(gòu)上，可將藥品生產(chǎn)監(jiān)管系統(tǒng)劃分為登錄模塊、指令獲取、篩選間監(jiān)管、中間站監(jiān)管、內(nèi)包間監(jiān)管、陰涼庫監(jiān)管、干燥間監(jiān)管、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)庫交互模塊，如圖2 所示。

圖2 藥品生產(chǎn)管理系統(tǒng)模塊劃分

1.5 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

C/S 架構(gòu)可提供對用戶的強(qiáng)交互能力，在同類型架構(gòu)中快捷性和智能性更優(yōu)?？蛻舳丝勺杂稍O(shè)置界面與交互，且可以對客戶端和服務(wù)端進(jìn)行分工，同時可查詢用戶的當(dāng)前使用和歷史記錄?；谥悄芩幤飞a(chǎn)管理系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)實時性與交互性的需求，以及系統(tǒng)用戶的特定性（即僅限員工與管理層）需求，本文架構(gòu)軟硬件均采用C/S 架構(gòu)。

1.6 硬件架構(gòu)設(shè)計

基于C/S 架構(gòu)，通過服務(wù)端與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互?？蛻舳伺c服務(wù)端的通信通過網(wǎng)絡(luò)連接，中間包括網(wǎng)線、千兆網(wǎng)交換機(jī)以及主交換機(jī)等。

每車間均部署感知系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)監(jiān)控包括RFID 標(biāo)簽信息、紅外傳感器監(jiān)控、溫濕度傳感器實時數(shù)據(jù)以及電子稱數(shù)據(jù)。僅有溫濕度數(shù)據(jù)采用無線通信發(fā)送至讀寫器，其他數(shù)據(jù)均與讀寫器直連。服務(wù)端對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、整合等處理后，與數(shù)據(jù)庫完成交互操作，并根據(jù)用戶需求發(fā)送至客戶端。硬件架構(gòu)設(shè)計如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

1.7 軟件架構(gòu)設(shè)計

軟件架構(gòu)設(shè)計如圖4 所示?；贑/S 架構(gòu)，軟件架構(gòu)依然采用服務(wù)端軟件與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)方面，僅溫濕度監(jiān)控模塊采用Remoting技術(shù)，其他需要大量實時通信的網(wǎng)絡(luò)則采用Socket技術(shù)。二者均適用于TCP 協(xié)議的同局域網(wǎng)內(nèi)、同構(gòu)程序內(nèi)、二進(jìn)制流的高效傳輸。軟件開發(fā)平臺選用WPF，適用于界面功能與用戶體驗需求較高、快速處理多線程的開發(fā)?？蛻舳塑浖_發(fā)模式選用最適合WPF 類庫的MVVM（Model-View-View Model）框架，而服務(wù)端僅完成與數(shù)據(jù)庫的交互，不需對用戶提供界面互動。

圖4 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

2 智能藥品生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 遠(yuǎn)程通信協(xié)議

除溫濕度傳感器檢測模塊為Remoting 外，其他客戶端與服務(wù)端的通信使用Socket 技術(shù)。由于藥品加工過程中包含多種程序，數(shù)據(jù)內(nèi)容也有極大差異，且僅有一個服務(wù)端與多個客戶端及數(shù)據(jù)庫交互，因此需加入“操作碼”對客戶端的數(shù)據(jù)包完成標(biāo)識，以便服務(wù)端可以快速識別客戶段的當(dāng)前操作。同時，考慮到TCP 協(xié)議將數(shù)據(jù)整合為數(shù)據(jù)包發(fā)送時后方數(shù)據(jù)丟失的問題，設(shè)計“數(shù)據(jù)長度”字段，方便接收方確認(rèn)數(shù)據(jù)包完整。最后，為判斷接收到的數(shù)據(jù)的合法性，采用CRC 校驗方式進(jìn)行數(shù)據(jù)包校驗。Socket 選用的數(shù)據(jù)包格式如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)包傳輸格式

在基于表1 格式的設(shè)計下，根據(jù)中藥飲片加工過程中各獨(dú)立功能約定如下。

（1）原料進(jìn)出加工階段協(xié)議。該階段指原料倉送入篩選間和物料在篩選間之后的多車間流通。數(shù)據(jù)的內(nèi)容為藥物外包標(biāo)簽信息和藥物容器標(biāo)簽信息。協(xié)議格式為“操作碼+數(shù)據(jù)長度+狀態(tài)+標(biāo)簽類型+標(biāo)簽個數(shù)+標(biāo)簽數(shù)據(jù)+CRC”，操作碼為“1”。

（2）藥物外包注銷階段協(xié)議。該階段包括篩選間內(nèi)的藥物外包的標(biāo)簽注銷過程。發(fā)送內(nèi)容包括藥物外包標(biāo)簽信息。協(xié)議格式為“操作碼+數(shù)據(jù)長度+藥物外包標(biāo)簽個數(shù)+藥物外包標(biāo)簽數(shù)據(jù)+CRC”，操作碼為“2”。

（3）原料裝瓶注冊及容器裝配階段協(xié)議。該階段包括內(nèi)包間將物料成品裝瓶、附上電子標(biāo)簽的注冊過程和將藥成品瓶標(biāo)簽與外容器標(biāo)簽的裝配過程。發(fā)送內(nèi)容包括瓶標(biāo)簽信息和容器標(biāo)簽信息。協(xié)議格式為“操作碼+數(shù)據(jù)長度+標(biāo)簽類型1+標(biāo)簽類型1 個數(shù)+標(biāo)簽數(shù)據(jù)+標(biāo)簽類型2+標(biāo)簽數(shù)據(jù)+CRC”，操作碼為“3”。

（4）外容器與托盤裝配階段協(xié)議。該階段指中間站將成品容器與托盤裝配過程，發(fā)送的內(nèi)容包括托盤電子標(biāo)簽信息與外容器標(biāo)簽信息。協(xié)議格式為“操作碼+數(shù)據(jù)長度+標(biāo)簽類型1+標(biāo)簽數(shù)據(jù)+標(biāo)簽類型2+標(biāo)簽數(shù)據(jù)+重量+CRC”，操作碼為“4”。

（5）龍門架監(jiān)控階段協(xié)議。該階段包括總盤點(diǎn)處進(jìn)行藥成品檢驗的過程。發(fā)送的內(nèi)容包括瓶電子標(biāo)簽信息。協(xié)議格式為“操作碼+數(shù)據(jù)長度+標(biāo)簽個數(shù)+標(biāo)簽數(shù)據(jù)+CRC”，操作碼為“5”。

（6）服務(wù)端交互協(xié)議。服務(wù)端將操作結(jié)果交互至客戶端，有效數(shù)據(jù)參數(shù)為操作結(jié)果，即成功（OK）或者失?。‥RR），因此服務(wù)端的協(xié)議格式為“操作碼+數(shù)據(jù)長度+結(jié)果+CRC”。操作碼沿用客戶端發(fā)送的操作碼。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

藥品加工監(jiān)控系統(tǒng)需在系統(tǒng)登陸后通過功能指令進(jìn)行指示和約束。數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容應(yīng)包括用戶信息、指令碼以及操作日志等，同時需包含物料流通、容器流通等的信息記錄?？紤]到數(shù)據(jù)在加工過程中的不同特性，表分類與各表內(nèi)容如下。

（1）加工指令表。加工指令既包括加工藥品的全部信息，也包括各個環(huán)節(jié)的操作信息，因此設(shè)計為表頭和表體分離的一對多方式。采用加工標(biāo)號進(jìn)行外鍵關(guān)聯(lián)，表頭主鍵為指令標(biāo)號OrderID，表體主鍵為工序標(biāo)號ProcessID。

（2）員工信息表。每個人員均作為唯一存在，成功登錄客戶端系統(tǒng)后，才可進(jìn)行對應(yīng)操作與交互。表主鍵為員工ID。

（3）操作日志表，對用戶名、權(quán)限組、當(dāng)前進(jìn)程（操作進(jìn)行）進(jìn)行日志記錄，主鍵為int 自累加增長類型，利用UserID 進(jìn)行外鍵關(guān)聯(lián)。

（4）工序管理表。工序管理用于管理多工序下的物料流通信息，且同時包含藥物與容器，因此設(shè)計為表頭和表體分離的一對二方式。表頭主鍵為工序編號ProcessID，同時可作為表體的外鍵，表體主鍵為當(dāng)前流水號。

（5）裝配表包含內(nèi)包間成品與容器的裝配和中間站容器與托盤的裝配，分別設(shè)計一種表格式，且表主鍵均為當(dāng)前流水號。

（6）成品驗證表，即總盤點(diǎn)處的要成品檢驗環(huán)節(jié)，重點(diǎn)記錄檢驗結(jié)果。主鍵為當(dāng)前流水號。

（7）環(huán)境信息表，即檢測各環(huán)節(jié)車間的溫濕度信息，根據(jù)各車間溫濕度獨(dú)立的場景，設(shè)計為表頭和表體分離的一對一方式以應(yīng)對數(shù)據(jù)的冗余問題。

SQL Server 適用于C/S 架構(gòu)下在Windows 操作平臺下的開發(fā)，因此成為本課題藥品加工監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)首選?；赟QL Server 數(shù)據(jù)庫軟件，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖5 所示，其中各表的主鍵為“pk”，外鍵位“fk”，各表間由“fk”相關(guān)聯(lián)。

圖5 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

2.3 數(shù)據(jù)訪問層接口設(shè)計

軟件分層可以減少系統(tǒng)耦合，使結(jié)構(gòu)更加清晰，有利于軟件的開發(fā)和維護(hù)。這里的接口指的是由服務(wù)器調(diào)用的用于與數(shù)據(jù)庫交互的數(shù)據(jù)庫訪問層（DAL 接口）的封裝?；谏鲜鱿到y(tǒng)功能模塊劃分和數(shù)據(jù)庫設(shè)計，在軟件開發(fā)過程中將使用以下幾項來討論界面設(shè)計，包括接口名稱、返回值以及參數(shù)等。下面從系統(tǒng)啟動、用戶登錄、預(yù)裝載指令、操作過程和其他過程來說明。

（1）系統(tǒng)啟動。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，先確保服務(wù)器處于運(yùn)行狀態(tài)，然后啟動客戶端軟件連接服務(wù)器獲取用戶操作位置。

（2）用戶登錄。該接口用于驗證用戶的登錄操作，查看用戶名、密碼和權(quán)限是否一致，并獲取登錄的返回值，驗證系統(tǒng)預(yù)加載指令模塊打開成功。

（3）得到指令。該接口用于用戶成功登錄后的加載指令階段，即查找需要執(zhí)行的生產(chǎn)訂單任務(wù)。

（4）過程監(jiān)控。此接口用于每個流程查看已進(jìn)入或離開流程的材料信息，以及在信息進(jìn)入或離開流程時的監(jiān)視記錄。

（5）注銷并裝配。注銷接口包括在篩選間的藥品包裝的注銷和在內(nèi)包間中的物料容器的注銷。裝訂包括內(nèi)包間藥成品電子標(biāo)簽與容器裝配，即將中間站容器與托盤裝配。

3 智能化藥品管理系統(tǒng)測試

3.1 DAL 層接口測試

3.1.1 搭建測試平臺

選擇軟件測試平臺，為保持一致性，接口測試選用Microsoft Visual Studio 2010 編譯器，Microsoft.netframework 4.0 框架環(huán)境，由C#程序設(shè)計語言進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。因為Winform 程序?qū)τ布蟮?，開發(fā)使用簡單，很適合此處的純軟件測試，因此接口測試使用Winform。

3.1.2 測試環(huán)節(jié)

根據(jù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)要求，逐步進(jìn)行預(yù)載入指令等以下5 步工序，同時進(jìn)行與數(shù)據(jù)庫DAL 接口測試。

（1）選取藥材出庫生產(chǎn)環(huán)節(jié)；

（2）預(yù)載入指令環(huán)節(jié)；

（3）篩選間測試環(huán)節(jié)；

（4）內(nèi)包間綁定測試環(huán)節(jié)；

（5）中間站數(shù)據(jù)流對接環(huán)節(jié)。

在智能藥品管理系統(tǒng)DAL 函數(shù)的功能測試成功后，系統(tǒng)可與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互獲取指令。在當(dāng)前得到指令的要求下，按照生產(chǎn)工序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)流的正確采集和流通。

3.2 系統(tǒng)測試

搭建并調(diào)試完成硬件測試平臺和軟件測試平臺后，進(jìn)行整個系統(tǒng)的聯(lián)合測試。

3.2.1 硬件測試平臺

按照圖6 連接整個硬件系統(tǒng)，保證各部分正常工作。

3.2.2 軟件測試平臺

需要在客戶端和服務(wù)器分別安裝“智能藥品生產(chǎn)管理系統(tǒng)客戶端軟件”和“智能藥品生產(chǎn)管理系統(tǒng)服務(wù)端軟件”。

3.2.3 整體測試結(jié)果

在服務(wù)器端，配置溫度和濕度的上限和下限。設(shè)置完成后，與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互。在服務(wù)器上，輸入正確的用戶名和密碼進(jìn)入系統(tǒng)。成功登陸系統(tǒng)后，載入指令。紅外傳感器探測到藥品，讀寫器讀寫標(biāo)簽信息，判斷是否是正確的藥品。當(dāng)有藥材包進(jìn)入時，如圖7 所示。

若正確對藥品稱重、標(biāo)簽讀取和注銷，得到標(biāo)簽數(shù)據(jù)后更新綁定時間，之后需要進(jìn)行成品的驗證，讀取的成品個數(shù)是否匹配。當(dāng)驗證符合要求后，成品入庫，生產(chǎn)環(huán)節(jié)結(jié)束。

對藥品的智能化監(jiān)管時實時查看生產(chǎn)進(jìn)度和工作狀態(tài)十分重要，可以及時進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)真正的智能化管理。查看生產(chǎn)進(jìn)度如圖8 所示。

3.2.4 分析測試結(jié)果

正確操作每個環(huán)節(jié)，采集并處理數(shù)據(jù)，然后連續(xù)測試系統(tǒng)，最后與傳統(tǒng)的藥品監(jiān)管生產(chǎn)水平進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，智能化藥品生產(chǎn)管理系統(tǒng)優(yōu)勢明顯：數(shù)據(jù)處理采集效率可以提高80%；可完全消除解決藥品丟失和錯誤周轉(zhuǎn)的情況；提高了生產(chǎn)效率，有實時錯誤報警通知，可實時查看工作狀態(tài)和生產(chǎn)進(jìn)度。綜上所述，該RFID 智能藥品管理系統(tǒng)系統(tǒng)有很強(qiáng)的應(yīng)用場景，提高了企業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量和管理水平。

圖6 硬件測試平臺連接

圖8 查看生產(chǎn)進(jìn)度

4 結(jié)語

利用超高頻RFID 技術(shù)，結(jié)合傳感器實現(xiàn)了對藥品智能化生產(chǎn)與管理。設(shè)計的智能化系統(tǒng)在軟件硬件平臺支撐下，相比傳統(tǒng)的人為生產(chǎn)監(jiān)管具有明顯優(yōu)勢，提高了企業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量和管理水平。