何麗君，唐健豪，孔令茵

佛山市第一人醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備科 (廣東佛山 528000)

2021年12月，工信部聯(lián)合10個(gè)部門(mén)發(fā)布的《“十四五”醫(yī)療裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出，加快智能醫(yī)療裝備發(fā)展，嵌入人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新技術(shù)，從而推動(dòng)醫(yī)療裝備智能化、精準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展[1]。近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究和實(shí)踐處于快速發(fā)展階段，眾多新型技術(shù)已逐漸被用于醫(yī)療裝備領(lǐng)域，醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)已著手布局院內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架。醫(yī)院物聯(lián)網(wǎng)可為醫(yī)療裝備提供定位、通信、監(jiān)測(cè)等功能的應(yīng)用基礎(chǔ)，平臺(tái)集成醫(yī)療裝備功能進(jìn)行控制，提升了裝備間的協(xié)調(diào)能力，為醫(yī)療裝備智慧化發(fā)展提供了新方向[2]。

醫(yī)用車(chē)床是現(xiàn)代化醫(yī)院常用裝備之一，主要用于患者轉(zhuǎn)運(yùn)。但醫(yī)用車(chē)床的智能化水平卻相對(duì)較低，通常依賴護(hù)工、家屬推運(yùn)，需花費(fèi)較高的人力、時(shí)間成本，車(chē)床位置信息無(wú)法實(shí)時(shí)反映不利于統(tǒng)一調(diào)配。因此，亟需開(kāi)發(fā)智能院內(nèi)導(dǎo)航自行走車(chē)床，以推進(jìn)醫(yī)用車(chē)床的智能化、信息化，同時(shí)通過(guò)路線規(guī)劃、集中調(diào)配促進(jìn)車(chē)床高效率運(yùn)轉(zhuǎn)，提高利用率，降低運(yùn)營(yíng)成本。

本設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用藍(lán)牙AOA定位技術(shù)能夠?qū)⑺P(guān)注的人或物在地圖上顯示，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)定位導(dǎo)航，并配合多個(gè)高精度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自行走車(chē)床[3]。

1 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)使用藍(lán)牙AOA室內(nèi)定位技術(shù)，即在醫(yī)院內(nèi)廣泛布置藍(lán)牙基站(主要負(fù)責(zé)藍(lán)牙信號(hào)的接收)，通過(guò)為自行走車(chē)床安裝不間斷發(fā)出信號(hào)的藍(lán)牙模組，由基站接收藍(lán)牙模組的信號(hào)，再通過(guò)多個(gè)基站計(jì)算通信夾角與通信時(shí)間，并將計(jì)算后的信息傳送至位置服務(wù)器上，服務(wù)器通過(guò)內(nèi)置運(yùn)算得出自行走車(chē)床的位置坐標(biāo)，并將信息加載至已測(cè)繪的電子地圖上，后臺(tái)工作人員即能夠在應(yīng)用軟件上監(jiān)測(cè)自行走車(chē)床的視像位置目標(biāo)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)主要包括導(dǎo)航技術(shù)模塊、自行走車(chē)床硬件模塊、軟件功能模塊。

2 導(dǎo)航技術(shù)方案

藍(lán)牙室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)是基于Bluetooth5.1 AOA到達(dá)角度位置服務(wù)實(shí)現(xiàn)原理，定位精度實(shí)測(cè)在0.5 m以內(nèi)[4]。藍(lán)牙AOA技術(shù)是以發(fā)射器和接收器為基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)原理中，將在室內(nèi)使用圓陣天線陣列的藍(lán)牙基站作為實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙AOA技術(shù)室內(nèi)定位接受器，將自行走車(chē)床搭載藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)射用作藍(lán)牙AOA室內(nèi)定位的發(fā)射器。當(dāng)藍(lán)牙模塊發(fā)射信號(hào)時(shí)，圓陣天線陣列的天線獲取到信號(hào)的波達(dá)方向角后，繼而可計(jì)算出定位終端的位置[5]。

圓陣天線陣列通過(guò)POE交換機(jī)供電并統(tǒng)一接入位置服務(wù)器，位置服務(wù)器負(fù)責(zé)接收所有圓陣天線陣列藍(lán)牙基站的信息；通過(guò)算法計(jì)算，將位置信息形成一個(gè)二維室內(nèi)導(dǎo)航坐標(biāo)；隨后將二維室內(nèi)導(dǎo)航坐標(biāo)發(fā)送至自動(dòng)駕駛轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)床的實(shí)時(shí)運(yùn)算系統(tǒng)中，最終形成一條位置發(fā)送，位置計(jì)算服務(wù)和位置二維信息應(yīng)用的數(shù)據(jù)鏈接，最終實(shí)現(xiàn)室內(nèi)高精度導(dǎo)航。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

自行走車(chē)床設(shè)計(jì)有上下收縮的護(hù)欄，在患者需要使用車(chē)床和轉(zhuǎn)移病床時(shí)，收縮護(hù)欄可向下收縮，整體收藏，使整個(gè)上下床動(dòng)作不受護(hù)欄的影響。床板四周布置顯示屏按鍵模塊，聲光模塊和超聲、TOF避障模塊。由于室內(nèi)導(dǎo)航的定位精度在0.5 m范圍內(nèi)，因此實(shí)現(xiàn)車(chē)床的自行走必然需增加避障模塊，以在遇到障礙物和路上行人時(shí)作出適時(shí)的方向調(diào)整和避讓[6]。自行走車(chē)床的整體控制由顯示屏按鍵模塊實(shí)現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)裝備的整體開(kāi)關(guān)機(jī)、模式選擇和確認(rèn)等功能，同時(shí)將自動(dòng)行駛車(chē)床的電池信息，行進(jìn)速度、路程進(jìn)度和通信狀態(tài)等信息呈現(xiàn)在顯示屏上。聲光模塊的設(shè)計(jì)目的是在行進(jìn)過(guò)程中提醒路人注意防止碰撞，利用播放循環(huán)聲音和燈光的警示警戒過(guò)往路人；同時(shí)，自行走車(chē)床可將電量狀態(tài)和錯(cuò)誤狀態(tài)以最簡(jiǎn)單的燈光模式作出相應(yīng)的提示，使用者能夠在最短時(shí)間內(nèi)了解自行走車(chē)床的實(shí)際狀態(tài)。自行走車(chē)床底盤(pán)使用六輪設(shè)計(jì)，包含4個(gè)減震萬(wàn)向輪和2個(gè)電動(dòng)輪，電動(dòng)輪通過(guò)收、放腳踏實(shí)現(xiàn)自行走狀態(tài)和人工應(yīng)急推行狀態(tài)的切換。

3.2 車(chē)床自行走底盤(pán)設(shè)計(jì)

自行走車(chē)床不僅應(yīng)用了導(dǎo)航自駕駛技術(shù)，還兼顧實(shí)現(xiàn)了普通車(chē)床的功能。本設(shè)計(jì)使用可伸縮的電動(dòng)輪，在應(yīng)對(duì)緊急突發(fā)情況時(shí)，電動(dòng)輪可進(jìn)行收縮。當(dāng)電動(dòng)輪收縮時(shí)，車(chē)床4個(gè)帶減震的萬(wàn)向輪只能在人力的推動(dòng)下進(jìn)行移動(dòng)。電動(dòng)輪采用雙電機(jī)結(jié)構(gòu)，通過(guò)雙電機(jī)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)床的整體全方向移動(dòng)。

3.3 車(chē)床硬件電路模塊設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)主要包括電源電池供電模塊、高性能微控制器STM32F407功能模塊、LINUX系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能模塊、WIFI模塊、藍(lán)牙定位模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、六軸陀螺儀模塊、超聲避障模塊、TOF避障模塊、聲光提醒模塊、顯示器模塊、按鍵控制模塊等。(1)高性能微控制器STM32F407功能模塊：意法半導(dǎo)體STM32系列的STM32F407擁有2個(gè)12位的DAC和1 MB Flash，提供168 MH的CortexTM-M4內(nèi)核(具有浮點(diǎn)單元)性能，主要實(shí)現(xiàn)行進(jìn)環(huán)境障礙物和方向的感知和自行走車(chē)床的各個(gè)功能控制。(2)LINUX系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能模塊：LINUX系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件使用英偉達(dá)Jeston Nano[7]，其開(kāi)發(fā)板包含1塊4核A57CPU、128核Maxwell架構(gòu)GPU以及4G內(nèi)存，主要用于與院內(nèi)網(wǎng)連接，并從院內(nèi)網(wǎng)獲取當(dāng)前的位置坐標(biāo)信息，通過(guò)對(duì)獲取的坐標(biāo)信息進(jìn)行運(yùn)算后，將信息傳送至下位機(jī)實(shí)時(shí)操作硬件的STM32F407中，并由STM32F407控制整臺(tái)自行走車(chē)床的移動(dòng)方向；Jeston Nano同時(shí)也從下位STM32F407中獲取得到超聲避障模塊和TOF避障模塊所提供的障礙物信息和六軸陀螺儀信息，結(jié)合自身已編譯的地圖坐標(biāo)和障礙距離，加上六軸陀螺儀的加速度和方向信息，完成自行走車(chē)床整個(gè)移動(dòng)環(huán)境、車(chē)身四周情況和車(chē)身方向速度狀態(tài)情況的感知[8]；此外，Jeston Nano連接8寸顯示屏，可顯示電池電量、目標(biāo)地址、當(dāng)前坐標(biāo)等信息，藍(lán)牙定位模塊通過(guò)供電完成定位信號(hào)的發(fā)射，信號(hào)坐標(biāo)通過(guò)位置服務(wù)器計(jì)算后將坐標(biāo)回傳到Jeston Nano中，最終形成自行走車(chē)床的位置信息服務(wù)數(shù)據(jù)鏈[9]。(3)WIFI模塊：Jeston Nano并未集成WIFI模塊，但提供了1個(gè)M.2接口用于外接無(wú)線網(wǎng)卡，WIFI模塊使用無(wú)線網(wǎng)卡Intel 8265NGW，以及802.11ac無(wú)線網(wǎng)上標(biāo)準(zhǔn)，雙頻段(2.4G和5G)、2×2的WIFI天線設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)傳輸速度高達(dá)867 Mbps；該模塊主要實(shí)現(xiàn)Jeston Nano與定位服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信，Jeston Nano使用WIFI與定位服務(wù)器實(shí)時(shí)連通，可讀取定位服務(wù)器中的地圖信息和坐標(biāo)信息。(4)藍(lán)牙定位模塊：藍(lán)牙AOA技術(shù)是藍(lán)牙5.1標(biāo)準(zhǔn)提供的服務(wù)，本設(shè)計(jì)采用Nordic nRF52811藍(lán)牙5.1定向測(cè)距系統(tǒng)級(jí)芯片，Nordic Semiconductor推出nRF52811系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)，這個(gè)全功能無(wú)線連接解決方案支持藍(lán)牙5.1測(cè)向(Direction Finding)功能和一系列流行低功耗無(wú)線協(xié)議，nRF52811 SoC的藍(lán)牙5.1測(cè)向功能使得定位解決方案不僅僅依賴于接收信號(hào)強(qiáng)度數(shù)值(RSSI)，還可基于信號(hào)的實(shí)際方向；自行走車(chē)床的定位坐標(biāo)是基于nRF52811 SoC的藍(lán)牙5.1定位功能實(shí)現(xiàn)。(5)六軸陀螺儀模塊：六軸陀螺儀模塊使用MPU6050，可測(cè)量加速度、角速度和姿態(tài)角，采用I2C數(shù)據(jù)接口[10]；STM32F407通過(guò)連接MPU6050實(shí)現(xiàn)讀取自行走車(chē)床的行進(jìn)方向、車(chē)體加速度的測(cè)量。(6)超聲避障模塊：超聲避障模塊選用URM09超聲波傳感器[11]，其中，URM09超聲波傳感器有內(nèi)置的溫度補(bǔ)償，確保在溫度變化的應(yīng)用場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)距，有效測(cè)距為2～500 cm，分辨率為1 cm；該超聲波傳感器分布在自行走車(chē)床的床板前沿和后沿，分前、后、左、中、右布置共6個(gè)，使用I2C通信，實(shí)現(xiàn)全方位的障礙物感應(yīng)。(7)TOF避障模塊：TOF避障模塊使用TOF Sense激光測(cè)距傳感器模塊，其中，TOF Sense是一款基于TOF(飛行時(shí)間)技術(shù)的激光測(cè)距傳感器，分辨率為1 mm，量程為1～500 cm，使用UART接口，最多支持級(jí)聯(lián)8個(gè)，項(xiàng)目使用前、后、左、右各1個(gè)的分布方式；TOF Sense的使用可確保在一種方式獲取距離失敗后并不影響避障的功能性，使用I2C通信，實(shí)現(xiàn)安全避障的雙保險(xiǎn)。(8)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：使用2個(gè)24 V大扭矩減速電機(jī)，通過(guò)控制2個(gè)電機(jī)的速度和正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)自行走車(chē)床的全方向行動(dòng)。(9)聲光模塊：“3.1設(shè)計(jì)思路”中已作介紹，此處不再贅述。(10)顯示器模塊：顯示器模塊與Jeston Nano連接，使用8寸多點(diǎn)觸控電容屏，顯示自動(dòng)行駛車(chē)床的電池信息，行進(jìn)速度、路程進(jìn)度和通信狀態(tài)等信息，并能夠通過(guò)屏幕觸控進(jìn)行功能的選擇和參數(shù)的調(diào)節(jié)。

4 軟件設(shè)計(jì)

自行走車(chē)床的軟件包含上位機(jī)多任務(wù)操作系統(tǒng)和下位機(jī)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)2個(gè)部分，Jeston Nano部署多任務(wù)操作系統(tǒng)，單片機(jī)STM32F407使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；上位機(jī)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)地圖導(dǎo)航和信息交互功能，下位機(jī)系統(tǒng)則主要實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)讀取、車(chē)輪控制等即時(shí)動(dòng)作功能。

4.1 上位機(jī)多任務(wù)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)使用ubuntu18.04安裝ROS(Robot Operating System) Melodic版本的ROS[12]。ROS是一款機(jī)器人軟件平臺(tái)，可為異質(zhì)計(jì)算機(jī)集群提供類(lèi)似操作系統(tǒng)的功能，如ROS可提供實(shí)現(xiàn)不同功能的各種軟件包，如定位繪圖、行動(dòng)規(guī)劃、感知、模擬等，其中，定位繪圖由軟件map_server實(shí)現(xiàn)，map_server提供包提供了1個(gè)map_server ROS Node，該Node通過(guò)ROS Service方式提供地圖數(shù)據(jù)。自行走車(chē)床的地圖來(lái)源于物聯(lián)網(wǎng)定位服務(wù)器，將已創(chuàng)建的地圖和定位數(shù)據(jù)傳至map_server。藍(lán)牙AOA定位技術(shù)的定位精度實(shí)測(cè)約在30 cm，因此，需要配合多個(gè)輔助傳感器提升避障能力，并將障礙物數(shù)據(jù)回傳至上位機(jī)map_server，重新規(guī)劃路線。上位機(jī)Jeston Nano與下位機(jī)STM32F407通信使用TTL通信協(xié)議，在上位機(jī)ubuntu18.04系統(tǒng)中使用Python處理上下位機(jī)的通信握手對(duì)接，并應(yīng)用pyserial封裝模塊處理對(duì)串口的訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)Jeston Nano傳送速度，將方向數(shù)據(jù)傳至下位機(jī)STM32F407，由下位機(jī)STM32F407執(zhí)行，下位機(jī)STM32F407則將采集的超聲避障傳感器、TOF避障傳感器和六軸陀螺儀傳感器的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)Jeston Nano用于修正路徑。

4.2 下位機(jī)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位機(jī)使用Keil uVersion 5.0語(yǔ)言編譯，主要使用STM32庫(kù)函數(shù)開(kāi)發(fā)處理，其中，庫(kù)文件主要使用stm32f4xx_hal_gpio.c、stm32f4xx_hal_rcc.c、stm32f4xx_hal_usart.c和stm32f4xx_hal_i2x.c。在自行走車(chē)床的設(shè)計(jì)中，使用的超聲避障傳感器、TOF避障傳感器和六軸陀螺儀傳感器均使用I2C通信。

stm32f4xx_hal_gpio.c用于下位機(jī)STM32F407的引腳設(shè)置。由于自行走車(chē)床的電機(jī)驅(qū)動(dòng)由下位機(jī)STM32F407控制，因此下位機(jī)STM32F407需設(shè)置相應(yīng)的引腳。引腳設(shè)置為GPIO_Mode_AF_PP復(fù)用推挽輸出，引腳的頻率GPIO_Speed_50 MHz帶寬設(shè)置在50 Hz。自行走車(chē)床通過(guò)下位機(jī)STM32F407的引腳輸出PWM信號(hào)控制電機(jī)的速度、前進(jìn)和后退。此外，超聲避障傳感器、TOF避障傳感器和六軸陀螺儀傳感器均需要與下位機(jī)STM32F407相連接，引腳需增加設(shè)置為GPIO_OType_OD開(kāi)漏輸出，實(shí)現(xiàn)I2C的線與邏輯。

stm32f4xx_hal_rcc.c文件主要是實(shí)現(xiàn)內(nèi)部和外部時(shí)鐘以及總線時(shí)鐘的配置。PWM信號(hào)的發(fā)生需要時(shí)鐘的啟動(dòng)，同樣I2C的數(shù)據(jù)傳輸也需要時(shí)鐘的配合。在下位機(jī)STM32F407控制電機(jī)中，需使能RCC_APB1Periph_TIM3產(chǎn)生電機(jī)PWM信號(hào)定時(shí)器，在I2C通信中使能RCC_APB1Periph_I2C1定時(shí)器進(jìn)行通信使用。

異步串口初始化函數(shù)，初始化串口時(shí)我們調(diào)用的函數(shù)在源文件stm32f4xx_hal_usart.c中。上位機(jī)Jeston Nano控制著下位機(jī)STM32F407的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，下位機(jī)STM32F407上傳傳感器信息至上位機(jī)Jeston Nano，整個(gè)過(guò)程基于串口通信進(jìn)行。在串口使用前需初始化UART1_Handle.Init.BaudRate輸入波特率，UART1_Handle.Init.Mode串口異步收發(fā)模式，UART1_Handle.Init.Parity串口收發(fā)校檢位，UART1_Handle.Init.StopBits串口收發(fā)停止位和UART1_Handle.Init.WordLength串口數(shù)據(jù)位。

stm32f4xx_hal_i2x.c是下位機(jī)STM32F407操作I2C通信的文件。在下位機(jī)STM32F407使用I2C通信與超聲避障傳感器、TOF避障傳感器和六軸陀螺儀傳感器連接時(shí)，需對(duì)HAL_I2C_Init()函數(shù)進(jìn)行初始化，配置hi2c1.Init.OwnAddress1的I2C地址，設(shè)置hi2c1.Init.Timing的通信頻率。

5 小結(jié)與展望

隨著新一代信息技術(shù)與醫(yī)療裝備技術(shù)跨學(xué)科發(fā)展的提速，未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行各業(yè)中將擔(dān)當(dāng)越來(lái)越重要的角色。在醫(yī)院物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)逐漸普及的背景下，精準(zhǔn)的室內(nèi)導(dǎo)航地圖基礎(chǔ)已較成熟，其應(yīng)用需要不斷拓展。本設(shè)計(jì)通過(guò)接入醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)切實(shí)降低了硬件的開(kāi)發(fā)成本，實(shí)現(xiàn)了車(chē)床的中央監(jiān)控和統(tǒng)一調(diào)配，同時(shí)從選材和設(shè)計(jì)方面不斷優(yōu)化，配備可收縮護(hù)欄便于患者上下床，為自行走、人力推運(yùn)的狀態(tài)切換提供了保障，并使用較成熟的傳感器提高了車(chē)床運(yùn)行的穩(wěn)定性；為降低自動(dòng)駕駛車(chē)床的制造成本，本設(shè)計(jì)通過(guò)模塊加裝將普通車(chē)床升級(jí)至具有自動(dòng)駕駛功能的自行走車(chē)床，適合推廣應(yīng)用。

總之，自行走車(chē)床的設(shè)計(jì)及推廣提高了患者轉(zhuǎn)運(yùn)效率，降低了醫(yī)院運(yùn)營(yíng)成本，提升了智能診療質(zhì)量，是數(shù)字化醫(yī)院未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。