基于树莓派的物联网智能药柜系统

2021-07-31王国伟陆华丽张苗苗薛瑞晨郝媛媛

物联网技术 2021年7期

王国伟，陆华丽，张苗苗，薛瑞晨，郝媛媛，赵华

（南京师范大学计算机与电子信息学院，江苏南京 210000）

0 引言

随着医疗和信息技术的快速发展，人们生活质量不断提高，人类的平均寿命在不断增加，但同时“老龄化社会”“慢性疾病”等问题日益突出[1]。成年人由于工作忙碌常忘记服药，老年人也因为健忘而常常忘记服药，错误服药已经成为整个社会密切关注的问题[2]。为了解决用户错误服药等一系列的问题，设计一款集智能化与人性化的智能药柜系统已经迫在眉睫。

目前，智能药柜系统应用广度虽远不及其他的智能家居产品，但也已经有了一些成果[3]。美国Mobile Aspects公司采用了RFID设计了一款智能型的药柜，可以将存储量和使用情况记录下来，而且可以识别药品的使用期限，提醒过期药品需要清除[4]。国内市场也有相关的产品出现，例如，天津德致伦电子科技有限公司基于STM32设计与实现了一款新型智能药箱，该产品可以提醒老年人群体按时用药，安全用药[5]。同时国内市场上也出现了很多适合在智能手机上使用的软件，如“医生树”“医指通”等[6]。但以上涉及的产品存在系统复杂，实施困难，成本较高，功能相对单一等一系列问题，并不能保证正确的人在正确的时间服用正确的药物。

为了解决以上问题，本文结合多种产品的优点，从用户实际使用时易出现的问题的角度出发，设计一款基于树莓派（Raspberry PI）的智能药柜系统。在设计的智能药柜系统中，采用指纹模块以识别服药对象、采用扫码模块扫入条码编号、利用网络爬虫技术提取并存储药品信息、搭建数据库用于信息管理。通过以上设计结合开发的交互界面，保证了用户在正确的时间服用正确的药物。为了进一步提高系统的可用性，在Android Studio开发平台设计了一款基于智能保健系统的掌上管理应用程序（APP），APP可以远程查看和设置服务器的药品信息和用户信息。实验表明，本文提出的系统实施成本较低、功能齐全，从用户使用需求出发，解决了现有产品无法识别身份、无法管理信息的问题。

1 系统总体结构及硬件电路设计

本文设计的智能药柜由树莓派主控板、条形码扫入模块、指纹识别模块、闹钟提醒模块、电磁锁模块和智能Android手机组成，系统总体架构如图1所示。用户通过树莓派显示器进行人机交互，移动终端通过无线网络获得本地服务器数据库数据。

图1 系统总体架构

选用的树莓派主控板是一款基于ARM的微型电脑主板，有40个引脚，包括4个USB接口，以及1个HDMI视频线接口[7]。图1中，电磁锁模块采用GPIO高低电平控制的方式；指纹模块采用串口通信，RXD与TXD交叉连接；扫码模块和闹钟模块采用USB的方式与主控板通信。

2 树莓派服务器软件设计

2.1 主控及周边模块驱动设计

智能药柜功能模块的驱动和上层通信均采用Python语言设计，功能代码在PyCharm平台上完成。指纹电路用于录入用户指纹，通过指纹特征值比对确认身份进入用户界面，显示用户信息。随后可以通过存取药品模块，扫入药品条码检索提取药品信息并存储、显示当前用户该服用的药物并取出、同时可以取出其他药品；可在服药设置模块选择药物后显示药品具体信息，并根据用法用量设置服药闹钟时间；可在信息查询模块查询服药记录、查询药品库存、查询存取药日志；可在参数设置模块设置用户信息和系统设置。程序流程如图2所示。

图2 程序流程

2.2 指纹识别功能实现

指纹模块和主控的通信采用主从模式，主设备发送的命令以及从设备模块的应答根据数据长度分为等于8 B和大于8 B两类，大于8 B的数据格式为“数据头+数据包”，数据头的格式见表1所列。其中：CMD为命令/应答类型；P1，P2，P3为命令参数；Q1，Q2，Q3为应答参数，Q3用于返回操作的有效性信息，0x00为操作成功，0x01为操作失败，0x04为数据库已满，0x06表示用户已存在。

表1 数据头格式

为了确保指纹数据库指纹的唯一性，1枚指纹只能添加1个用户，需要将模块设置为“禁止重复模式”，此时CMD设置为0x2D，P1设置为0，P2设置为Byte5=1：0。在采集图像时，命令数据长度为8 B，CMD=0x24，P1，P2，P3为0，应答数据包中指纹图像200×264像素，每个像素灰度用8位表示，指纹图像如图3所示，模块成功上传指纹图像后提取指纹的特征值，按指定用户号存入DSP模块数据库中。

图3 指纹图像

下传指纹特征值与DSP模块数据库比对为1∶N时，CMD=0x43，命令格式为“数据头+数据包”，数据包中存入当前用户的指纹特征值。

2.3 数据库设计

服务器的数据库使用目前最流行的关系型和关联性数据库管理系统MySQL[8]。关联性数据库将数据保存在不同的表中，而不是将所有的数据放在一个大仓库，这样就提高了速度和灵活性。MySQL使用的操作语言是SQL，操作数据非常便捷。

设计的智能药柜系统的数据库需要存储用户信息、药品库存信息、服药记录信息、存药取药日志信息、药品信息。

建立的表与对应的含义见表2所列。

表2 数据库表

2.4 药品信息扫入功能设计和实现

扫码存药功能采用扫码模块识别药盒上的条码，系统将条码编号输入到“1药网”药品网站检索此药品，进一步地，系统爬虫模块爬取药品的名称、功能主治、用法用量、用药禁忌、不良反应并保存到数据库药品信息表中，系统流程如图4所示。扫码模块录入药盒条码编号并检索信息过程如图5所示。

图4 系统流程图

图5 扫码检索药品过程

传统的爬虫通过直接模拟HTTP请求来爬取站点信息，由于这种方式和浏览器访问差异比较明显，很多站点都采取了反爬手段，无法有效地爬取需要的信息。为了避免站点的反爬导致药品信息爬取失败，本文采用Selenium爬虫框架对药品进行主要信息检索、分类、存储。Selenium是一个用于对Web网页进行自动化测试的工具，可以通过它提供的方法自动操作浏览器，完全模拟人的操作行为，浏览器选择Google Chrome 87.0.4280.88，同时安装对应版本的驱动WebDriver。Selenium通过WebDriver协议控制浏览器来完成一系列的任务。首先，通过Selenium的API得到“1药网”输入框对象；接下来在输入框输入条码编号进入此药品对应的页面，此时就拿到了该药品网页的HTML源码；下一步利用Xpath方法提取系统需要的“药品名称”“功能主治”“用法用量”“用药禁忌”“不良反应”。爬取过程如图6所示。在数据库药品信息表中创建字段，将上述5类药品信息保存至数据库中。创建的字段与对应的含义见表3所列。

图6 爬取过程

表3 MySQL药物信息字段

2.5 用户界面设计

智能药柜系统用户界面设计采用PyQt5工具包。PyQt是由 Phil Thompson开发的一个创建GUI应用程序的工具包，其是Python编程语言和Qt库的成功融合[9-10]。在本系统上位机的设计中，使用QtDeSinger设计用户GUI，将生成的UI文件通过PYUIC5工具转换成PY文件，下一步在PyCharm平台编写功能代码，使用到的组件包括QWidget、QLabel、QPushButton、QTextEdit、QMessageBox、QTextBrowse。智能药柜登录页面如图7所示。

图7 智能药柜登录页面

3 移动端应用程序设计

3.1 功能设计

应用程序（APP）的设计使用Java语言，在Android Studio平台上完成[11]。手机APP模块包括存取药日志、健康信息、服药记录、药品库存信息和用户信息5个子模块，如图8所示。其中：存取药日志模块用于查看存药和取药记录；健康信息模块用于查看用药禁忌；服药记录模块用于查看用户历史服药记录；药品库存信息模块用于查看药品信息及药品的剩余量；用户信息模块用于查看用户的个人信息。

图8 手机APP功能设计框图

3.2 操作数据库

数据库操作使用JDBC（Java Database Connectivity）。JDBC是实现Java应用程序与各类不一样数据库会话的一种体制，主要作用是实现了对数据库的访问和操作。JDBC能实现的主要功能包括：请求连接数据库、向数据库发送 SQL请求、查询结果等功能[12]。其实现步骤为：加载JDBC驱动程序；提供JDBC连接的URL；创建数据库的链接和执行SQL语句操作[13]。加载驱动就是在使用数据库之前需要导入MySQL和JDBC的驱动包到Android的Java build path[14]，使用JDBC驱动程序链接MySQL数据库，连接成功之后就可以使用SQL语句对数据库进行操作，在MySQL数据库中建立数据表。

4 系统测试

本文通过硬件及软件的设计，实现了如图9所示的智能药柜。为了验证系统的可行性和系统工作流程，将可触摸显示器安装到药柜上，将主控板及周边功能模块部署到药柜对应位置。首先给主控板供电，设置目标IP地址为192.168.1.101，固定端口号。经过测试，Android手机APP与数据库可以做到实时通信，各功能模块均可正常工作。系统各模块如10所示。