基于STM32与NB-IoT的拣药系统设计

魏东杰，刘美麟，张峻山，田官权

（1.西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 601010；2.西南科技大学 制造科学与工程学院，四川 绵阳 621010）

0 引 言

随着科技的快速发展，人们的生活渐渐智能化，让科技走进民生乃大势所趋，而医疗又是民生的最大需求之一。目前对于一些采取人工取药方式的医院，存在劳动强度较大、处方处理速度慢等问题，因此研究智能设备服务于医院乃大势所趋[1]。对此现状，利用STM32作为主控，运用NB-IoT技术、检测技术、云数据库技术、图形UI应用程序开发、微信小程序开发等研究了一种自动拣药装置，用于管理药品信息并能实现对多种药品的自动上药、储药与拣药过程的管理与监控，提高药房的运行效率。

1 系统总体设计

本文拣药系统整体采用分布式控制系统结构进行设计，这种结构的基本思想是分级管理、配置灵活。从设备级到管理级共4个分级，分别是管理级、监控级、控制级、设备级。系统整体框图如图1所示。

图1 系统整体框图

管理级包括药物管理数据库，手机端小程序和PC端人机交互界面。根据系统所面临的实际业务及性能需求，选择合适的数据库存储药品信息；使用Qt设计合适的PC端UI界面，让医护人员能方便实现上药取药等功能；使用微信小程序开发工具设计小程序，实现患者端取药状态监测与药方查看等功能。

监控级便是物联网平台，物联网平台选用阿里云，其为用户提供了安全可靠的通信能力，其支持设备数据采集上云，规则引擎流转数据和云端数据下发设备端，在拣药系统中发挥着数据传输的重要作用[2]。

控制级采用STM32主控，通过控制步进电机和传送带实现上药，通过GPRS模组连接阿里云，完成实时上报数据到云端的操作，通过与Qt界面通信和手机端小程序实现取药。

设备级为拣药系统装置，其由上药部分和取药部分组成。根据特性与参数，选择满足本项目需求的型号，运用运动控制技术，通过智慧拣药装置的电磁阀和步进电机等对系统进行操作。

2 硬件方案设计

2.1 结构设计

拣药系统机械结构设计如图2所示，主要由三维移动滑台模组构成自动上药部分，水平传送带组成该系统的储药以及取药部分，在无用药需求时药品存储在传送带上，当医生操作管理系统取药时，相应药品的传送带在系统控制器的控制下向前移动合适的距离，使得药品掉落，完成出药。

图2 系统机械结构

2.2 主控模块

主控采用STM32F1系列单片机。对于拣药系统的自动上药及取药的控制需求，F1系列单片机能够较好满足，同时不会因资源冗余而造成不必要的浪费。此外，STM32支持基于Paho MQTT协议栈连接阿里云，为拣药机连接阿里云物联网平台提供了保障。

2.3 通信模块

系统设计时选用GPRS模组。相比WiFi模块而言，GPRS模块连接网络更为方便，能满足拣药系统的移动性需求。GPRS模组采用安信可A9G模组，该模组不仅能通过串口发送指令实现信息发送、语音通话等功能，还能连接物联网。由于其功能丰富，故被广泛应用于诸多领域。模组电路连接如图3所示，左侧为A9G芯片、右上为SIM卡槽、右下为咪头，采用该模组可以将STM32连接阿里云物联网平台，同时通过AT指令实现数据的发布与订阅。

图3 GPRS联网模组

2.4 传感器

拣药系统采用TCRT5000传感器实现对在传送带上药物的监测。传送带末端传感器用于检测系统是否处于上药状态并核实上药数量；传送带前端传感器用于检测控制调取规定数量的药品。TCRT5000传感器具有高灵敏度等特点，且其输出信号经过施密特电路整形后信号稳定可靠，尽力保证药品检测时不出现误检[3]。此外，在上药过程中为防止机械爪把药品抓坏，特加入了压力传感器模块，当压力传感器检测到压力后停止舵机转动，有效保证药品完好无损。

3 软件设计

3.1 拣药装置端

拣药装置端程序流程如图4所示。在装置启动后，系统自动检测是否插入SIM卡，若不存在则提示用户；若装置内存在SIM卡，且该卡功能正常，装置自动接入阿里云。装置成功接入阿里云后便开始不断执行信息上报、信息获取并显示、触发上药及取药等一系列操作。

图4 药盒端程序功能

对于上药装置，机械爪上的摄像头通过识别药盒上特定的条码，利用步进电机组成的三维立体装置将药品放置在对应传送带上，并把药品信息上传至云端。对于取药装置，当客户使用微信小程序进行购药、取药操作时，相应的传送带便会移动一定距离使药品掉落，通过传送带上传感器识别的次数来计算剩余的药品并上传至云端。对于Qt界面，显示药品信息，方便用户使用。

3.2 阿里云端

拣药装置与微信小程序依靠阿里云物联网平台联系在一起，通过MQTT协议的订阅/发布完成拣药装置端与小程序端的信息交互[4]。MQTT发布、订阅信息相对更简单、容易。使用该协议，消息发送与接收方均不受时空限制。通过阿里云平台，拣药装置与小程序可以实现远程连接、完成数据传输以及远程控制等。

标准的MQTT协议一般直接订阅双方相应的主题，然后向主题发布消息。但需要注意的是，阿里云物联网平台的主题订阅设有权限，并且在订阅主题之后还需要设定相应的规则转发数据，否则即使订阅了相应的主题，还是不会收到控制端或其他设备端发送的消息。通过使用规则引擎—云产品流转，可实现标准MQTT的相互收发。

3.3 小程序端

微信小程序提供有云开发功能，通过使用其提供的云数据库、云函数等，开发者可以较为容易的满足数据存储等需求[5]。在小程序中，通过调用MQTT相关库，可以较容易连接阿里云平台。小程序的功能如图5所示。小程序自动连接阿里云物联网平台并获取云端数据，显示在主界面。由主界面可以完成对药物信息的查看和选购。在信息管理界面可以实现个人资料的设置，保护病人隐私[6-8]。

图5 小程序端程序功能

4 结 语

针对当前社会医院药房人工取药效率低下等问题，文中设计了一个应用NB-IoT技术、检测技术、云数据库技术、图形UI应用程序开发、微信小程序开发等可实现相关功能的智慧拣药系统，该系统采用PC端界面及微信小程序进行管理与监控，便于医生及用户操作和查看信息。系统采用分模块设计，技术方实施较为简单，稳定性强。随着生活的智能化，智慧拣药系统具有较好的应用空间[9-10]。