CN108500981B - 基于物联网的药品投递智能机器人系统及药品投递方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于物联网的药品投递智能机器人系统及方法，所述系统包括上位机、云服务器、配药装置、摄像装置、多核嵌入式数据处理中心以及多个网络节点，所述上位机与云服务器连接，所述云服务器通过无线路由器分别与多核嵌入式数据处理中心连接，所述多核嵌入式数据处理中心分别与多个网络节点连接，且多核嵌入式数据处理中心还分别与配药装置、摄像装置连接。本发明来采集环境以及老人体征参数，更主要的应用了非接触式射频识别技术来识别养老院房间节点的信息，从而使多核嵌入式系统来控制配送药物以及监控的情况，此外，系统时刻都在利用云技术将采集到的数据通过TCP协议上传至云端，保证了数据稳定高效的上传以及长时间的保存。

Description

基于物联网的药品投递智能机器人系统及药品投递方法
技术领域
本发明涉及一种药品投递智能机器人系统及药品投递方法，尤其是一种基于物联网的药品投递智能机器人系统及药品投递方法，属于智能药品投递领域。
背景技术
由于我国在本世纪50～60年代高出生率的结果，在21世纪的初期，60岁以上组将是全体人口中增长最快的部分，60岁以上老年人口占总人口的比例在本世纪末将由1982年的7.63％上升到10.35％，达到老年型人口结构。预计2020年将达到15.23％，2040年达到24.28％，即达到老龄化高峰阶段。大多数老年人都患有高血压、糖尿病、脑血栓等常见疾病以及心脏病等突发疾病，需要得到及时地监护。因此，养老院的医疗保障问题日益成为重要的社会问题。
经调查发现，养老院老人的医疗保障服务条件不容乐观。医疗服务条件落后原因主要表现在养老院在人才、医疗设备和服务管理等方面没有形成规模。医护人员数量不足，服务设施和设备匮乏，无法满足老年人的实际医疗需求。
现在国内的孔维康，研究的基于《ZigBee无线通信技术的养老院健康监护方案》，实时监测老人的心率、脉搏、血压；潘永友研究的是基于物联网技术的养老院管理系统设计与实现；潘永友研究的是《基于物联网技术的养老院管理系统设计与实现》：设计了针对老人的院区内外定位、摔倒检测、紧急呼叫、生命体征检测等看护管理功能。另外，还有国外关于这方面的研究，比如Jian Ming Huang，研究的课题是《esearch on Application ofInternet of Things in Nursing Home》，以及Romagnoni，研究的课题是《Analysis andResults of a Monitoring Campaign in an Elderly Nursing Home in Italy》；基于以上的调查分析发现，国内外研究的物联网医疗方向是倾向于监测老人的生命体征参数。
根据以上的课题研究可知，国内外研究的物联网医疗方向是倾向于监测老人的生命体征参数，并没有充分地把物联网技术引入到养老院的医疗服务上。之所以会有这种不足，是因为大部分人没有考虑到养老院的老人应该更注重平时的监护和疗养，而是去监测老人的突发状况，没有起到一种防范于未然的作用，加上养老院在人才、医疗设备和服务管理等方面没有形成规模。医护人员数量不足，服务设施和设备匮乏，无法满足老年人的实际医疗需求。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种基于物联网的药品投递智能机器人系统，该系统能够定点为养老院不同房间进行药物配送，医务人员线上控制老人的服药情况，以及能够线上监测养老院内部环境参数。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述系统的药品投递方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于物联网的药品投递智能机器人系统，所述系统包括上位机、云服务器、配药装置、摄像装置、多核嵌入式数据处理中心以及多个网络节点，所述上位机与云服务器连接，所述云服务器通过无线路由器分别与多核嵌入式数据处理中心连接，所述多核嵌入式数据处理中心分别与多个网络节点连接，且多核嵌入式数据处理中心还分别与配药装置、摄像装置连接。
进一步的，每个网络节点包括处理模块、射频识别模块、环境信息采集模块、体征参数采集模块、寻迹模块、驱动模块、无线模块和移动模块，所述处理模块、射频识别模块、环境信息采集模块、寻迹模块、驱动模块、无线模块设置在移动模块上，所述移动模块与驱动模块连接，所述射频识别模块、环境信息采集模块、体征参数采集模块、寻迹模块、驱动模块分别与处理模块连接，所述处理模块通过无线模块与多核嵌入式数据处理中心连接。
进一步的，所述环境信息采集模块包括温湿度传感器、空气质量传感器和有毒气体传感器。
进一步的，每个网络节点还包括指示灯，所述指示灯与处理模块连接。
进一步的，所述处理模块采用基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103RC单片机，所述射频识别模块采用RC-522射频识别模块。
进一步的，所述多核嵌入式数据处理中心采用四核ARMV8处理模块的树莓派三代。
进一步的，所述上位机为PC端或手机端。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于上述系统的药品投递方法，所述方法包括：
每个网络节点中，处理模块上电后，驱动射频识别模块，通过射频识别模块开启天线发出高频微波，当高频微波接触网络节点时，读取网络节点的信息；
每个网络节点的处理模块读取的网络节点信息存储在字符串变量中，并驱动无线模块，将字符串数据发送至多核嵌入式数据处理中心；
多核嵌入式数据处理中心接收到字符串数据后，判断数据类型，并控制配药装置运动对网络节点所在房间进行配药动作，以及控制摄像装置进行监控。
进一步的，所述方法还包括：
每个网络节点中，处理模块上电后，通过输入指令配置无线模块，以及通过输入指令配置射频识别模块；
每个网络节点的无线模块访问云服务器的数据，并返回获取的数据；
对于每个网络节点，当返回的数据有控制命令时，则开启射频识别模块的天线，并将新的数据写进网络节点中。
进一步的，所述方法还包括：
每个网络节点中，处理模块上电后，环境信息采集模块开始工作，以采集网络节点所在房间内的环境参数。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明系统与现有技术通过利用各种传感器采集环境参数或老人的体征参数，然后通过数据库等技术来存储采集到的数据，以便管理人员查看并分析相比，通过网络节点采集环境参数以及老人体征参数，并且可以识别养老院各房间内的网络节点信息，从而使多核嵌入式数据处理中心来控制配送药物以及监控的情况，此外，系统时刻都在利用云技术将采集到的数据通过上传至云服务器，保证了数据稳定高效的上传以及长时间的保存。
2、本发明系统能够识别养老院每个房间节点配药和监控的信息，利用射频识别技术来识别每个房间网络节点的IC卡信息，从而使系统做出相应的动作(配送药物以及监控)。
3、本发明系统可以根据老人身体的情况，在线更改房间节点的信息。也是利用了射频识别技术写卡技术，将上位机(PC端或手机端)下达的指令重新写入网络节点的IC卡中。
4、本发明在线查看系统的位置，方便管理，利用云技术，将系统的位置信息上传到云端，有利于管理员对系统的管理和维护。
附图说明
图1为本发明实施例的药品投递智能机器人系统的物联网技术体系框架图。
图2为本发明实施例的药品投递智能机器人系统的功能设计图。
图3为本发明实施例的药品投递智能机器人系统的结构框图。
图4为本发明实施例的药品投递智能机器人系统的网络节点控制示意图。
图5为本发明实施例的药品投递智能机器人系统的网络节点控制流程图。
图6为本发明实施例的药品投递智能机器人系统的配药示意图。
图7为本发明实施例的药品投递智能机器人系统的多核嵌入式数据处理示意图。
图8为本发明实施例的药品投递智能机器人系统的多核嵌入式数据处理流程图。
图9为本发明实施例的药品投递智能机器人系统的处理模块运动、感知控制示意图。
图10为本发明实施例的药品投递智能机器人系统的处理模块运动、感知控制流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
本实施例提供了一种基于物联网的药品投递智能机器人系统可以通过多核嵌入式数据处理中心来控制网络节点的配送药物以及监控的情况，并且时刻利用云技术将网络节点采集到的数据上传至云服务器，保证了数据稳定高效的上传以及长时间的保存。
如图1所示，本实施例的药品投递智能机器人系统的技术体系框架包括感知层、网络层和应用层，感知层实现的功能包括数据采集、传感器网络组网与协同信息处理，网络层包括移动通信网、互联网和其他专网，应用层包括物联网应用支撑子层和物联网应用。
如图2和图3所示，本实施例的药品投递智能机器人系统包括上位机、云服务器、配药装置、摄像装置、多核嵌入式数据处理中心以及四个网络节点，所述云服务器通过无线路由器分别与多核嵌入式数据处理中心连接，所述多核嵌入式数据处理中心分别与四个网络节点连接，且多核嵌入式数据处理中心还分别与配药装置、摄像装置连接，其中网络节点属于感知层，无线路由器属于网络层，上位机属于应用层。
所述上位机结合不同用户需求，特别设计两种人性化的终端：PC端和手机端，其中PC端采用网站设计形式，手机端采用具体的APP端设计，两种终端可以满足不同人群的需要，用户可以根据自己的特性选择不同的终端。
所述配药装置具有舵机，舵机采用SG90舵机，接口类型为数字信号接口，可以实现配药动作；所述摄像装置采用摄像头，接口类型为CSI接口，通过摄像头可以使云服务器和上位机监控房间内的情况。
所述多核嵌入式数据处理中心作为主控部分，也可以称为树莓派数据处理中心，采用四核ARMV8处理模块的树莓派三代(Raspberry Pi Model 3B)，优选地，ARMV8处理模块具体为1.2GHz四核Broadcom CEM2837 64位ARMV8处理模块，树莓派三代板载有BCM43143WIFI模块等，接口类型可以为各种接口。
每个网络节点设置在养老院的一个房间，其包括处理模块、射频识别模块、环境信息采集模块、体征参数采集模块、寻迹模块、驱动模块、无线模块和移动模块，所述处理模块、射频识别模块、环境信息采集模块、寻迹模块、驱动模块、无线模块设置在移动模块上，所述移动模块与驱动模块连接，所述射频识别模块、环境信息采集模块、体征参数采集模块、寻迹模块、驱动模块分别与处理模块连接，所述处理模块通过无线模块与多核嵌入式数据处理中心连接。
所述处理模块作为协助主控部分，采用基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103RC单片机，其突出优点是高性能、低成本、低功耗，内置96K的SRAM，时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，功耗低至36mA，实际相当于0.5mA/MHz，接口类型可以为各种接口。
所述射频识别模块采用RC-522射频识别模块，优选地，RC-522射频识别模块为MFRC-522射频识别模块，接口类型为SPI串口，用于读写IC卡信息，即读取和修改网络节点信息；IC卡为S50M1卡(复旦卡70)，接口类型为ISO14443协议，作为网络节点动作的控制、判断；RC-522是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成度读写卡系列芯片中的一员，是NXP公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，具有集成度的调制解调电路、支持ISO/IEC 14443TypeA和MIFARE&reg；通信协议、10Mbit/s的SPI接口、灵活的中断模式等优良性能，有利于系统快速、稳定地获取卡里的信息。
所述环境信息采集模块包括温湿度传感器、空气质量传感器和有毒气体传感器；优选地，温湿度传感器采用DHT11温湿度传感器，接口类型为单线制串行接口，用于测量温湿度，空气质量传感器采用PM2.5传感器，接口类型为AO接口，用于检测PM2.5指数，有毒气体传感器采用甲醛传感器，接口类型为AO接口，用于检测甲醛指数，温湿度传感器、空气质量传感器和有毒气体传感器采集的数据会由处理模块进行处理。
所述体征参数采集模块采用心率传感器，用于对养老院的老人心率进行检测，心率传感器采集的数据会由处理模块进行处理。
所述寻迹模块采用红外线模块，接口类型为AO接口，所述驱动模块采用电机，所述移动模块为一移动小车，处理模块通过脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制电机，从而驱动移动小车在网络节点所在房间内移动，并通过红外线模块寻迹。
所述无线模块采用ESP8266WIFI模块，用于无线数据传输，接口类型为USART串口。
进一步地，每个网络节点还包括指示灯，该指示灯采用LED指示灯，用于在射频识别模块将信息写入IC卡进行指示。
通过上述系统可以实现如下功能：
1)网络节点控制：能够通过PC端或手机端控制线下系统对每个房间的配品投送种类和数量，以及监控情况，如图2～图5所示，具体包括：
1.1)处理模块上电后，通过USART输入指令配置无线模块并让其连上有网络的热点环境，通过SPI串口输入指令配置射频识别模块。
1.2)然后无线模块通过EDP协议访问云服务器上面的数据，并返回获取的信息。
1.3)如果检测到返回的数据没有控制命令，则不开启射频识别模块的天线也不进行射频识别模块的读写操作；如果检测到返回的数据有控制命令，则开启射频识别模块的天线以及指示灯，并且将新的数据通过ISO14443A写进网络节点中。
2)线上系统位置显示：系统开始工作时，会在PC端(网页)或手机端(APP)显示系统所处的位置。
3)基于射频识别模块的药品配送：通过射频识别模块读取每个房间的节点(M1卡)信息，决定每个房间的药物需求情况，如图2、图3和图6所示，具体包括：
3.1)上电后，处理模块配置SPI串口驱动射频识别模块，通过射频识别模块开启天线发出13.56MHZ高频微波，当微波接触节点时以ISO14443A协议读取网络节点的信息。
3.2)处理模块将读取来的网络节点信息储存在字符串变量中，并通过USART串口驱动无线模块，将字符串发送至多核嵌入式数据处理中心。
3.3)多核嵌入式数据处理中心接收到数据后判断数据类型，通过引脚输出的时基脉冲控制配药装置的舵机运动，从而使配药装置对房间进行配药动作，以及通过CSI排线控制摄像头进行监控。
4)室内环境参数采集：利用PC端或手机端实时显示养老院各个房间的环境情况，具体包括：
环境参数采集方面，由于选用的环境传感器包括温湿度传感器、空气质量传感器和有毒气体传感器，在数据传输方面采用了无线串口。
当处理模块上电后，空气质量传感器和有毒气体传感器开始工作，读取两种传感器AO引脚的数据并进行A/D转换,转换成数字量的电压，再根据它们的浓度与电压的线性关系，换算出实际的浓度；温湿度传感器开始工作，温湿度传感器工作时，采用单线双向的串行接口，一次完整的数据传输为40bit，高位先出。
5)云服务器存储：云服务器作为系统的媒介，用于储存养老院的环境数据，监控数据。
6)PC端或手机端：系统采集的数据更加直观得反馈给用户，也让用户能可视化得控制系统。
本实施例的药品投递智能机器人系统的多核嵌入式数据处理如图7和图8所示，其程序包括：系统开始启动时，多核嵌入式数据处理中心充当客户端和处理模块充当服务器一同连上同一个热点环境，然后多核嵌入式数据处理中心开设多线程通过无线模块用于监听来自处理模块上的动作控制数据(如：射频识别模块的读写情况，各环境传感器数据等)；在接收到无线模块的数据后，第一时间判断数据类型，如射频识别模块读取的节点数据，再进行判断决定是否开设摄像头，是否配送药物，如各环境传感器收到的数据就立即上传到云服务器进行存储，否则没有收到数据就返回等待接受数据的状态。
本实施例的处理模块运动、感知控制如图9和图10所示，其程序设计流程包括；系统启动时，处理模块控制驱动模块的寻迹功能随即启动，驱动各环境传感器不间断得采集房间内环境数据，并且每4s发送一次数据给多核嵌入式数据处理中心，动作控制的处理模块先判断是否有可读取数据的节点，若有，则将数据存进字符串变量中，通过无线模块传送至多核嵌入式数据处理中心，然后回到寻迹运动中。若无，则返回寻迹运动中。
本实施例的药物配送程序设计如下表1所示。
Figure GDA0002399536990000071
表1药物配送程序
药物配送设计程序流程包括：在每个网络节点的M1卡中，都定义了相应的存储区来存放数据，当系统达到节点时，系统利用射频识别模块将里面的信息读取出来，存放到一个长度为12的字符数组变量中，监控及倒药的信息为前三个字节，后面的字节为空余空间。第一个字节(byte1)存放监控的信息，第二个字节(byte2)存放药物一信息，第三个字节存放(byte3)代表药物二的信息；然后多核嵌入式数据处理中心根据此信息，输出相应的动作；具体控制关系，如下：
1)第一个字节(byte1)、第二个字节(byte2)和第三个字节(byte2)的值均为0时，不拍照、不配送药物。
2)第一个字节(byte1)为0，第二个字节(byte2)为1，第三个字节(byte2)为0时，不拍照，配送药物一为1份，配送药物二为0份。
3)第一个字节(byte1)为0，第二个字节(byte2)为2，第三个字节(byte2)为0时，不拍照，配送药物一为2份，配送药物二为0份。
4)第一个字节(byte1)为1，第二个字节(byte2)为0，第三个字节(byte2)为1时，拍照一次，配送药物一为0份，配送药物二为1份。
5)第一个字节(byte1)为1，第二个字节(byte2)为1，第三个字节(byte2)为1时，拍照一次，配送药物一为1份，配送药物二为1份。
6)第一个字节(byte1)为1，第二个字节(byte2)为2，第三个字节(byte2)为1时，拍照一次，配送药物一为2份，配送药物二为1份。
7)第一个字节(byte1)为2，第二个字节(byte2)为0，第三个字节(byte2)为2时，拍照两次，配送药物一为0份，配送药物二为2份。
8)第一个字节(byte1)为2，第二个字节(byte2)为1，第三个字节(byte2)为2时，拍照两次，配送药物一为1份，配送药物二为2份。
9)第一个字节(byte1)为2，第二个字节(byte2)为2，第三个字节(byte2)为2时，拍照两次，配送药物一为2份，配送药物二为2份。
综上所述，本发明系统与现有技术通过利用各种传感器采集环境参数或老人的体征参数，然后通过数据库等技术来存储采集到的数据，以便管理人员查看并分析相比，通过网络节点采集环境参数以及老人体征参数，并且可以识别养老院各房间内的网络节点信息，从而使多核嵌入式数据处理中心来控制配送药物以及监控的情况，此外，系统时刻都在利用云技术将采集到的数据通过上传至云服务器，保证了数据稳定高效的上传以及长时间的保存。
以上所述，仅为本发明专利优选的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于物联网的药品投递智能机器人系统的药品投递方法，其特征在于：所述系统包括上位机、云服务器、配药装置、摄像装置、多核嵌入式数据处理中心以及多个网络节点，所述上位机与云服务器连接，所述云服务器通过无线路由器分别与多核嵌入式数据处理中心连接，所述多核嵌入式数据处理中心分别与多个网络节点连接，且多核嵌入式数据处理中心还分别与配药装置、摄像装置连接；
每个网络节点包括处理模块、射频识别模块、环境信息采集模块、体征参数采集模块、寻迹模块、驱动模块、无线模块和移动模块，所述处理模块、射频识别模块、环境信息采集模块、寻迹模块、驱动模块、无线模块设置在移动模块上，所述移动模块与驱动模块连接，所述射频识别模块、环境信息采集模块、体征参数采集模块、寻迹模块、驱动模块分别与处理模块连接，所述处理模块通过无线模块与多核嵌入式数据处理中心连接；
所述方法包括：
每个网络节点中，处理模块上电后，驱动射频识别模块，通过射频识别模块开启天线发出高频微波，当高频微波接触网络节点时，读取网络节点的信息；
每个网络节点的处理模块读取的网络节点信息存储在字符串变量中，并驱动无线模块，将字符串数据发送至多核嵌入式数据处理中心；
多核嵌入式数据处理中心接收到字符串数据后，判断数据类型，并控制配药装置运动对网络节点所在房间进行配药动作，以及控制摄像装置进行监控。
2.根据权利要求1所述的药品投递方法，其特征在于：所述环境信息采集模块包括温湿度传感器、空气质量传感器和有毒气体传感器。
3.根据权利要求1或2所述的药品投递方法，其特征在于：每个网络节点还包括指示灯，所述指示灯与处理模块连接。
4.根据权利要求1或2所述的药品投递方法，其特征在于：所述处理模块采用基于ARMCortex-M3内核的STM32F103RC单片机，所述射频识别模块采用RC-522射频识别模块。
5.根据权利要求1或2所述的药品投递方法，其特征在于：所述多核嵌入式数据处理中心采用四核ARMV8处理模块的树莓派三代。
6.根据权利要求1或2所述的药品投递方法，其特征在于：所述上位机为PC端或手机端。
7.根据权利要求1所述的药品投递方法，其特征在于：所述方法还包括：
每个网络节点中，处理模块上电后，通过输入指令配置无线模块，以及通过输入指令配置射频识别模块；
每个网络节点的无线模块访问云服务器的数据，并返回获取的数据；
对于每个网络节点，当返回的数据有控制命令时，则开启射频识别模块的天线，并将新的数据写进网络节点中。
8.根据权利要求1所述的药品投递方法，其特征在于：所述方法还包括：
每个网络节点中，处理模块上电后，环境信息采集模块开始工作，以采集网络节点所在房间内的环境参数。
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