一款基于Raspberry Pi的云智能中药煎药机设计

2021-10-27刘福建

物联网技术 2021年10期

刘福建，宗峰

（山东英才学院工学院，山东济南 250104）

0 引言

中医药作为传统医学的组成部分，在我国的医疗保健领域起到了关键的作用，同时为全球人民的健康事业做出了较大的贡献[1]。在现有的研究中逐步证实了中医在疾病治疗与调理中发挥的作用，所以对于中医药的研究引发了广泛的关注[2]。在中医治疗中采用的药物大多是经过煎煮，传统的人工方式效率较低；而智能煎药机的应用具有良好的前景，自动化程度高，弥补了人工操作的不足。在本次研究中设计了基于Raspberry Pi的智能煎药机，其中在软件部分主要基于Python语言实现，以此可以对各个引脚进行有效控制。在此基础上设计煎药助手APP，可以通过远程控制的方式进行操作，提升了应用的便捷性与可靠性。然后，使用云智能煎药机作为实验平台，设计了基于PID控制算法的智能中药煎煮温度控制系统，该系统可以根据煎煮药材要求自动切换煎药火候。最终实现的煎药机具有自主下药、浸泡、供水、吸取药液、保温、远程操作等功能，在确保药液有效成分不会丢失的同时还能提高药液制备效率，减轻人力劳动，体现出巨大的应用价值。

1 研究现状及发展趋势

煎药机最早是在韩国使用，因为韩国受中国传统中医药的影响较深[3]。2003年的“非典”疫情让大家对中药的独特疗效刮目相看，去年新冠疫情暴发，中医更是在治疗中发挥了重要作用。所以中药逐步得到了更多的关注，在中药熬制过程中开始采用智能化的煎药机，一般很多医疗机构中已经配置了这些设备，在部分患者家庭中也采用了此类设备煎药。这些设备的应用降低了对于人员煎药的依赖性。然而当前采用的煎药机依然存在一定的不足，主要基于高压方式增大水的沸点，使得药材溶解，但是温度过高时容易导致部分有效成分分解，从而影响到药效；此外由于自动化程度较低，依赖于人工进行操作，有待于进一步提高自动化水平[4]。

目前中药煎药机逐渐向自动化趋势发展，随着中医的发展，中药治疗的效果逐渐显著，中药的需求也逐渐增多。但目前各类中药煎药机的自动化水平普遍偏低，煎煮过程不能实现全自动化，而且操作不易控制，如果操作不当将会直接影响药效。因此，提高煎药机的自动化水平，实现智能操作，能够很大程度上提高药材的煎煮质量。

2 系统总体设计

整个系统主要由两部分组成，分别介绍如下。

2.1 机电一体化智能中药煎药机

中药熬制过程中需要考虑到较多的因素，特别是煎药的时间、火候以及水量等因素会直接影响到最终的药效。所以需要对这些参数进行针对性的设计，并基于规范的流程进行操作，使得中药真正发挥应有的疗效[5]。本文设计的这款煎药机属于小型机电产品，体积小，用户操作起来简单方便。智能煎药机通过实时监测和调整温度，使其处于正常范围。在操作上基于模块化的方式设计，可以灵活进行操作，通过远程控制方式实现预期的功能，提升了煎药的自主性与可靠性[6]。

2.2 远程人机交互

系统软件部分主要为用户提供操作的页面，即通过煎药助手 APP进行交互操作，可以点击对应的功能模块完成既定的控制功能。同时煎药时的温度以及水量等信息可以实时显示在界面中，一旦发现未处于正常的范围之内则可以进行调整。在该部分设计中采用OneNET平台，可以直接在编辑器中进行应用设计，用户可以对煎药的方案以及时间等参数进行设计，从而满足不同的煎药要求。除了这些功能之外，考虑到患者的需求，在软件中还设计了在线交流模块，便于患者之间以及与医生之间进行沟通，实时交流病情变化，学习相关的医疗保健知识等[7]。

3 系统具体设计

3.1 Raspberry Pi 开发环境的搭建（软件系统）

树莓派（Raspberry Pi）实际是一个小型的计算机系统，尽管在尺寸上类似于一个信用卡，但是集成了计算机的全部功能。整个系统划分为多个部分，包括处理器以及各种接口[8]，常用的有USB、以太网接口等，可以与鼠标以及显示器等进行连接，从而构建起完整的计算机系统。此外还能够与传感器以及其他设备进行连接，从而实现多样化的功能[9]。另外，其使用的成本较低，稳定性较高，广泛应用到了科学研究以及电子产品设计领域中。在本次设计中主要利用树莓派完成了智能煎药机的设计工作。

该系统使用Raspberry Pi 4 搭建开发环境，选用的操作系统是树莓派的官方系统Raspbian，界面程序的编写由Python完成，本部分涉及的技术及步骤如下：

（1）设置Raspberry Pi参数，选择合适的树莓派硬件接口分布和设置相应的引脚参数。

（2）针对操作系统进行重装以及设置，可以从官网中下载Raspbian镜像，并依据规范的流程完成系统的烧录以及启动工作。

（3）编程环境配置，安装好操作系统后，使用Python为树莓派的端口进行配置，调试程序，使之能正确运行。

树莓派体积小成本低，运行稳定，硬件故障率低，选用树莓派的官方操作系统Raspbian可便于操作系统稳定运行。Python具有免费开源的优势，可为树莓派端口的配置提供便利。

3.2 智能中药煎药机（硬件系统）

在智能中药煎药机设计过程中采用了模块化的设计理念，总体划分为多个模块，包括主控模块、温度采集以及加热模块等。各个模块的功能存在一定的差异性，需要保持正确的连接才能实现既定的功能。系统的核心部分是Raspberry Pi，也就是控制器，在温度检测上利用DS1SB20传感器、在水位检测上利用水位浮球。在加热板控制上需要将形成的PWM信号传输到驱动电路中[6]。基于各个模块的配合可以将获取到的水位以及温度信息显示在软件中，并通过指令完成对应的控制操作。整个煎药机的具体架构如图1所示。

图1 智能煎药机硬件模块示意图

3.3 OneNET云平台（通信模块）

本文设计的智能煎药机是利用物联网技术将传统的终端操控移植到手机上，让用户可以远程操控和随时查看煎药机。目前国内的物联网平台服务商较多，本文选用的是中移物联网开放平台OneNET作为智能中药煎药机的接入平台，OneNET平台的主要功能有海量连接：基于多类型标准协议和API开发满足海量设备的高并发快速接入；消息分发：即通过消息转发等方式实时将采集到的信息传输到具体的业务平台中，便于实现双向通信功能；在线监控功能：可以实时对设备运行状态进行监测，对于发现的异常状态进行告警提示，便于用户解决存在的问题，防止设备发生故障等；数据存储：基于分布式存储方式完成对数据的管理，安全性与稳定性较高，能够实时响应用户的操作；能力输出：针对信息输出提供了统一的接口，有效降低了应用的开发周期，集成了视频以及短信等服务；数据分析：采用Hadoop等分布式处理框架完成对数据的处理与分析工作，效率更高，能够获取到更多有价值的信息[10]。

在使用过程中需要先在OneNET开发者中心进行注册和登录，在成功登录之后继续添加智能中药煎药机，然后继续进行应用创建、添加APKey以及数据上传等操作，最后在鉴权等各项信息设置完成之后可以连接相关的设备。

3.4 软件总体架构

软件主要划分为两大部分，分别是运行软件、操控软件。前者主要完成系统的基本功能，包括煎药模式设置、温度控制以及数据传输管理等；后者主要是操控页面部分，与树莓派以及手机应用交互操作有关。软件结构如图2所示。

图2 智能煎药机软件架构

4 系统测试

在云智能煎药机设计开发完成之后，需要对其功能以及性能进行全方面的测试。在本次测试中采用了泽补汤，该药物有助于机体实现活血通络。但是为了保证药效，对于煎药过程提出了较高的要求。在熬制过程中需要依据科学的流程，同时有效控制煎药的具体过程，确保温度以及水位等处于正常范围内。

根据医嘱需要先把药材放入浸泡盒浸泡30 min，接着将储水箱注入适量的水，打开智能中药煎药机显示终端，系统将自动运行相关程序，自动连接到 OneNET 平台并输出煎药机此时的连接状态。然后通过APP来设置“2次煎煮”，各次持续时间分别是30 min，25 min；依次在界面中设置“一般药”“先煎30”“头煎25”，通过终端接收这些指令。最后依据解析之后的命令进行操作，并实现自动加水、加药以及煎药等过程。

根据上述完成了对于药物的煎制过程，最终煎煮得到的中药液和人工煎药方式得到的药物在品质上基本是一致的，而且相对于市场中现有的一些煎药机具有一定的优势，显示出广阔的应用前景。