药物配送控制系统的出药控制

戴圣伟，刘 忆，熊一菲，周源睿，杨明霄

（1. 湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007；2. 湖南化工职业技术学院 智能控制工程学院，湖南 株洲 412006）

配送药物[1-2]是现代化医院和零售药店建设中的关键环节。配送人员配送药物的过程中，会受到药物清单排列顺序的影响。这些作用在药物配送人员上的影响具有时滞性、随机性，对于这种复杂的配送过程，采用配送人员配送药物的方法很难达到配送时间要求。而智能药物配送算法的优越性在于不需要知道复杂的配送药物顺序，只需识别EAN-13 码即可推出对应药物。由于配送药物的配送顺序的不确定性，简单的配送人员配送药物不能满足其要求。为此，研究组提出以智能药物配送算法对药物配送顺序进行控制，并通过实物模型运行实验，以实验数据证明了控制算法的可行性与有效性。

1 药物配送出药控制系统及原理

1.1 药物配送控制系统

药物配送控制系统如图1 所示。其中，由EAN-13 码扫码枪构成取药码输入模块，将EAN-13 取药码数据进行采集并通过串口通信[3]送给STM32 单片机，循环检验模块由步进电机组成，STM32 单片机控制步进电机循环推动扫码枪扫描EAN-13 码，判断之前采集到的取药码是否正确。STM32 单片机通过各驱动模块控制取药模块将药物推出、控制由减速电机驱动的传送带模块将药物稳定推动至目标位置，实现药物的配送。

图1 药物配送控制系统Fig. 1 Pharmacy distribution control system

1.2 取药模块直推式机械结构

STM32 识别取药码后，控制驱动模块驱动取药模块直流推杆推送药物，取药部分机械机构的选择关系到整个系统的执行效率。药槽最前面的储药盒需要一定的机械力推动才能脱离槽前端的束缚，然后被推出掉落[4]。而直推式机械结构符合出药部分机械结构要求，直推式机械结构主要由电动机、储药盒、电动机同轴偏心轮、直流电动推杆组成，利用电动推杆的可伸缩结构以及重力的作用将药品推出至传送带上，具有简便性、高效性和稳定性等特性[5]，直推式机械结构如图2 所示。

图2 直推式机械结构Fig. 2 Direct push type mechanical structure

1.3 取药码输入模块编码识别原理

在药物配送控制系统取药码输入模块中，取药码采用EAN-13 的编码方式，扫码枪采集EAN-13 码后将数据传输给STM32 单片机进行识别。EAN-13 编码识别原理如图3 所示，图形内编码表示EAN-13 码的一个字符。C1～C4表示该字符中4 个相邻的条（黑）或空（白）的宽度。由图可得：

图3 EAN-13 码字符识别原理Fig. 3 The recognition principle of EAN-13 code

用n表示一个模块的宽度，L表示一个字符的宽度，则

式中i=1, 2, 3, 4。

若m1=1，m2=3，m3=1，m4=2，且条码排列为“条—空—条—空”，则当前字符二进制编码为1000100，代表当前字符为“7”。

1.4 直流电动推杆转矩方程

直推式机械结构中电动推杆通过直流电动机进行推动，通过计算直流电动推杆转矩方程，结合运动学与力学方程，可以将药物准确地推送到目标位置。

直流电动机的额定容量PN及额定输出转矩T2N分别如下：

式（4）（5）中：UN为额定电压；IN为额定电流；ηN为额定效率；nN为额定转速。

直流电动推杆电枢电动势Ea和电磁转矩T分别为

式（6）（7）中：Φ为磁通；n为电机转速；Ia为电枢电流；CE、CT为常数，大小由电动推杆结构决定。

通过计算额定输出转矩T2N，结合运动学与力学方程，可以得出电动推杆的标准行程，通过调整电枢电流Ia、磁通Φ，计算电磁转矩T，结合运动学与力学方程，可以调整电动推杆行程，使其满足实际情况。

2 药物配送系统控制算法

病人将自己的取药码放在扫描区域内，取药码输入模块扫码枪扫描EAN-13 码后通过串口USART1将数据发送给STM32[6]，再由STM32 经驱动模块驱动器来驱动不同的电机运转。整个运作系统由3 个直流电动推杆、1 个减速电机和1 个步进电机[7]组成。直流推杆1、直流推杆2、直流推杆3 构成取药模块，负责推送出3 种不同的药物，减速电机构成传送带模块，负责将推出的药物输送到指定的地点，步进电机构成循环检验模块，负责循环推动扫码枪，通过扫码枪循环扫描EAN-13 码[8]，来实现对所需药品的二次确认，确认无误后则将这个药物推至传送带。最后完成整个药物配送控制系统控制，药物配送控制系统的控制算法如图4 所示。

图4 药物配送控制系统控制算法Fig. 4 Pharmacy distribution control system

3 药物配送控制系统控制电路

药物配送控制系统控制电路如图5 所示。

图5 药物配送控制系统控制电路图Fig. 5 Control crcuit diagram of pharmacy distribution control

药物配送控制系统利用STM32 单片机、OV7670模块（摄像头模块，属外围扩展电路）构成扫码枪获取取药码并通过识别程序进行取药码解码，然后将控制指令传输给各控制驱动器，移动导轨中的步进电机受步进电机驱动器控制，推杆中的直流电机由L298N 驱动模块直接驱动，传送带中的减速电机由桥式驱动器驱动。

由于TB6600 驱动器具有H 桥双极恒流驱动、电机噪声优化、自动半电流散热等特点，细分数达6 400，具有过压、过流、短路、欠压等保护，因此步进电机驱动器选择TB6600 驱动器，该驱动器基本参数如表1 所示。

表1 TB6600 型驱动器参数Table 1 TB6600 drive parameters

通过S1、S2、S3 共3 位拨码开关细分后，步进电机的步距角设定如表2 所示。

表2 电机步距角设定表Table 2 The motor step angle setting table

通过TB6600 驱动器6 位拨码开关设定8 种细分（NC、1、2/A、2/B、4、8、16、32）和8 档输出电流（0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5 A）。通过S4、S5、S6 共 3 位拨码开关选择8 档电流控制（0.0, 0.5,1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5 A），如表3 所示。

表3 电流大小设定表Table 3 Current size setting table

通过对整个系统的设计，减速电机用来带动传送带转动，由于自行焊接的传送带力矩较大，所以普通直流电机力矩不够大，对减速电机有特别要求，故采用37GB555 型减速电机，37GB555 型减速电机具体参数对照表见表4。由于37GB555 型减速电机电流较大，使用普通的L298N 型驱动器容易烧坏，必须使用大功率的桥式驱动，故采用YYH-1 桥式驱动，YYH-1 桥式驱动参数及真值表如表5 所示。

表4 37GB555 型减速电机参数对照表Table 4 Gear motor 37GB555 parameter comparison table

表5 YYH-1 桥式驱动参数及真值表Table 5 YYH-1 bridge drive parameters and true value table

4 药物配送控制系统运行结果分析

药物配送控制系统实物模型如图6 所示。

图6 药物配送控制系统实物模型Fig. 6 Physical model of pharmacy distribution control system

进行推药杆每分钟推药次数的统计、每个储药箱储存药物的统计，以及传送带送药效率的统计，最后计算了整个系统运行一次的时间（扫码枪扫码时间可忽略不计），具体数据如表6 所示。

表6 药物配送控制系统运行数据Table 6 Operation data of pharmacy distribution control system

由表6 可以得知每人取药一次的时间为6.25 min（假设3 个储药盒所有药物清空即为一个人的取药盒数），通过调查和元器件性能的分析，初步估算的每个人取药时间为5 min，实际取药时间为6.25 min，出现1.25 min 的偏差，经过多次调试，让整个系统达到稳定运行状态，反复调试程序，使各部分动作精确、快速，能达到技术要求。在运行调试过程中，发现机械结构设计不巧妙导致出药时因摩擦影响，偶尔会出现卡盒的情况，导致整个系统出现1%的动作偏差。但1%的动作偏差满足动作误差小于6%的控制要求。

5 结语

用智能的自动化药物配送系统代替医院取药房的人工过程[9]，节约了时间，提高了工作效率。整个系统结构简单、维护方便，在保证工作效率下提高了稳定性，可长时间准确地高强度工作，明显优于人工取药[10]。采用串口的信息传输，结构简单、响应速度快、药品选择精准。亦可调整STM32 芯片的程序，针对不同的工作量，随时改变系统各部分的运行速度[11]，满足医院取药房的工作需求。采用智能化配药方式，不仅高效稳定，更能通过对劳动力的解放带来直接经济效益[12-15]。