面向老年人的药品智能辨识系统设计与实现

魏 晗,吴 恋,2,杨娅婷,谭江波,赵广宽

(1.贵州师范学院 数学与大数据学院,贵州 贵阳 550018;2.贵州师范学院 大数据科学与智能工程研究院,贵州 贵阳 550018)

0 引言

在全面脱贫的大背景下,乡村振兴,不返贫,求发展,已成为时代最强音,让智慧“心”医疗的概念深入人心。 鉴于老年人的视力、记忆力普遍欠佳的现状,本文中的设备能够正确智能的读取、识别、解析出所需药品的作用、使用频率、禁忌等关键信息,并进行语音播报,从而最大限度地保证用户在用药安全的大前提下,将医疗模式从传统化向智能化转型。

本文主要介绍了一种智能医药系统,此系统的图像信息采集模块通过扫描药盒或说明书等,采集图像利用OCR 技术解析文字后运用TCP 协议与服务器建立联系,并返回关键信息进行语音播报,为乡镇独居老人等特殊群体医疗实现智能化、现代化。 以用药安全、智能用药为点,智能新医疗作面,以点绘面力争在医疗条件欠发达的乡镇地区补足资源稀缺的短板,开创智能医疗的新局面。

1 总体设计

识药系统的大体由物联网模块、信息采集模块、服务管理模块、云端服务平台组成。 物联网模块采用树莓派(Raspberrypi)[1]作为系统的软硬件交互中心、调度中心。 信息采集模块包括图像信息采集、信号信息采集两个版块,调度中心将从用户获取到的信号信息驱动摄像头从而完成图像采集。 服务管理模块对数据库信息进行维护,保证信息完整、正确。 云端服务平台作为数据中心,是由Nginx 技术搭建的高可用数据库集群,储存信息的云端载体。 系统整体结构如图1 所示。

图1 智能识药系统

2 系统关键技术设计与实现

该系统分为用户硬件设备、嵌入式软件、数据服务软件几个关键部分。

2.1 软件部分

该系统软件部分主要分为运行在硬件载体上的嵌入式软件和运行在云端服务平台上的数据服务软件。

2.1.1 嵌入式软件

嵌入式软件部分功能实现了全自动接收用户指令、调度中心激活摄像头进行药盒的图像采集、向服务器上传采集的图片并接收服务器处理后返回的信息驱动扬声器进行语音播报[2],是硬件载体的指挥官。

接收用户指令是由shell 脚本实现,一旦用户发出指令,Raspberrypi 的gpio 接口将会精确捕捉该信号,接着将该信息传递给Python 代码。 该行为会激活shell 脚本中的指令,从而调用摄像头获取药盒的图像信息,提取图片信息部分由嵌入硬件设备在后台运行的Java jar 包代码实现,具体调用OpenCV,OpenMv 等库函数缩小药名范围、排除无关文字从而进一步减少服务器的工作量,然后将经过预处理的图片信息以流的形式上传到云端服务器,该部分由shell 脚本自动发送Wget 请求并携带流实现。 代码流程如图2所示。

图2 代码流程

2.1.2 数据服务软件

数据服务软件部分主要实现了接收硬件设备端上传的字节流图片信息,并利用百度AI OCR 的API 接口[3],实现将预处理过的图片字节流信息进行指定区域文字识别,减少识别工作量的同时提高了正确率。将搭建在服务端的数据库内指定的内容返回给客户的硬件设备,只有进行多次核对、审查才会返回信息,进一步保证了药品信息的正确性、安全性。

同时部署在主服务器上的除数据库信息之外,还为管理人员提供了对药品信息进行增加、修改、校对的B/S 模式的后台可视化管理平台。 该平台基于Java 语言、数据库技术配合SpringBoot 快速开发框架搭建脚手架管理人员通过项目负责人下发的登录标识进入系统,采用Redis 集群和频繁查询的数据,以避免过多占用服务器资源[4-5]。 管理员也可以查看相关用户提出的问题,并利用HTTP 请求返回并给予指导。

对于云端数据库的权限情况,由于药品信息的特殊性采用SpringSecurity 安全框架防止信息被篡改。 可以保证系统的数据管理体系和登录用户的权限是分开的,将Token 令牌(管理员唯一识别码)暂存在Redis 非关系型数据库中,减轻了数据库服务器并发压力,还可以保证管理员在一定时间内有对数据库服务器内数据操作的权限,数据加密采用了SHA-256+随机盐+密钥的方式,可以保障各个用户之间的登录信息和查询数据的安全性,基于安全因素的考虑,不同权限的工作人员登录系统之后,修改药品数据库的权限也不同,这样既避免了数据泄露或被篡改的风险,也提高了系统的调控性。

对于数据库而言,用户的信息是管理人员所提供的信息。 但对于用户而言,在识别过某种药品后可以对本地数据库内的信息进行修改,从而实现个性化配置。 与此同时,用户的操作将会记录在云端日志数据库内,原始数据发生修改操作将进行拷贝。 云端数据平台采用差别拷贝模式,在未增加新数据的情况下,原数据发生修改,差别拷贝模式只会拷贝修改的数据,节省了数据库内存和数据拷贝时间,使识药系统保持高效运行。 用户进行修改操作后会将该数据与原数据进行信息比对,如有发现信息异常则认定为误操作,对用户进行反馈,主要数据库字段设计如表1所示。

表1 药品数据库字段

2.2 硬件部分

该系统硬件部分主要由Raspberrypi 作为载体,同时它也是该系统的调度、交互中心,负责协同信号信息采集模块、图像信息采集模块、云端服务平台等硬件单元去驱动各设备之间的交互,共同完成识药功能。

2.2.1 交互、调度中心

硬件部分为客户端,Raspberrypi 作为可以搭载Linux 系统的“卡片式电脑”是“低成本物联网”这一概念的有力践行者,正是因为有了它,每个人都可以动手实现嵌入式。 同时本项目也选择使用Raspberrypi 作为项目的硬件载体和交互、调度中心,由它来驱动各功能模块完成识药流程,这个过程需要由gpio 提供输入输出针脚的信息,可以通过基于Linux 的系统来读取各个接口的状态,基于此用户可以点击载体上的按钮,由信号信息采集版块处理后将该信号信息传递给shell 脚本,再由调度中心向图像信息采集版块发布命令,从而驱动外部设备采集信息,负责发布命令和接收反馈,获取图像信息后由交互中心向云端服务平台发送字节流进行软硬件平台的交互,经过云端服务平台处理后返回的信息再由调度中心调用扬声器设备进行语音播报。 Raspberrypi 设备实体如图3 所示。

图3 硬件设备

2.2.2 信号信息采集版块

此版块依赖于gpio 接口,运行在硬件设备上的Python 代码可以通过硬件设备载体外接在gpio 上的按钮来控制gpio 的高低电平变化,Shell 脚本可以开启监听gpio 模式,当用户点击外接的按钮后,指定的gpio 接口的高低电平就会发生变化并反馈信息给调度中心,高低电平的变化可以利用在gpio 接口与按钮之间连接的LED 灯珠亮灭来进行可视化展示。

2.2.3 图像信息采集版块

此版块主要接收调度中心发出的信号从而启用摄像头采集图像信息,将此字节流图像暂存在本地[6],该操作被Shell 脚本监听后传递信号给调度中心,进而将暂存在本地的字节流图像信息以Wget 请求命令上传到服务器。

3 实验效果与展示

由表2 不难看出,该系统硬件用户单元在环境明亮、正常的情况下正确率可以达到商用水平,但在极度昏暗或存在不正常操作的情况下正确率不尽人意。 排除极端环境因素影响该设备的运作正常,返回的数据正确、安全。

表2 实验效果汇总

4 结语

目前,本文的智能医药系统解决了老年人由于视力、记忆力普遍欠佳,无法确保安全用药而存在的一些问题,同时该系统具有智能读取和语音播报的功能,为老年人用药提供了极大的便利。 当前该系统经过多次改进与测试,工作性能稳定,实现效果良好。 在人口老年化的当下,智能医药系统为老年人安全用药提供了保障。 此外,本文的智能医药系统具有很广阔的市场前景,在未来将会占据部分市场份额,为人们的工作和生活提供便利,降低了用户因为视力下降和记忆力衰退而产生的安全隐患,使用户的用药模式向智能化转变。