CN110581837A - 一种基于物联网的智能急救箱管理系统和方法 - Google Patents

一种基于物联网的智能急救箱管理系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于物联网的智能急救箱管理系统和方法。本系统由本地智能急救箱实体、本地系统控制模块、云平台维护端和用户端组成。数据通过本地智能急救箱配置本地系统控制模块检测，并发送于云平台维护端。利用人工智能算法实现药物最优调度路径及规划、预测各类药物日需求量及区域内智能急救箱最优地理位置部署。用户端向用户提供远程查看智能急救箱实时药物余量、取药二维码、视频与套装说明书的功能，以进行医疗知识辅助与普及，同时用户可用IC卡与取药二维码获取药物。整套系统可让后台维护人员更方便快捷地进行远程监控以及提供维护的指向性，让维护工作变得更简单高效，让用户使用变得更便捷。具有较高的推广及教育意义，可广泛运用。

Description

一种基于物联网的智能急救箱管理系统和方法
技术领域
本发明公开了一种基于物联网的智能急救箱管理系统和方法，属于一种智能的应急医疗设备管理方案，提供包括基础紧急医疗救援功能、自动化机械控制功能、远程云端维护功能，为维护者和使用者提供更为准确且高效的智能应急医疗救助服务，以改善现有急救箱的单一功能。
技术背景
每当在人们在外生病或者受伤的时候，大部分首先想到的是去医院，但是当伤情并不严重时，会由于就医路程、时间太晚等各方面因素放弃处理，然而有些时候往往会因为拖延而使小疾酿成大病。
据考察，大多公共场所内人群活动较多的地点如学校教学楼、实验室、体育场馆、工厂园区等并没有配置足够的应急医疗用品或设备；与此同时，公共场所已有的急救箱使用率却并不高，甚至很少人知道其存在。所以目前公共场所的应急医疗保障设备面临着无人知、无人用以及总体数量不足的问题，这导致了现阶段我国公共环境下人民群众在医疗应急安全问题上存在很大空缺。为使人民群众意外受伤的时候，能够更迅速有效地得到所需药物以缓解伤情。针对上述问题，利用人工智能算法、物联网技术等，针对传统急救箱所存在的弊端，以急救箱为载体，将区域内应急医疗设备与互联网结合，将应急医疗设备、用户、运营方连接起来，形成了一个集应急、宣传、防治、救助为一体的有机系统方案。其意义旨在让人民群众慢慢了解急救箱和急救知识，以更好地发挥其作用，保障区域内人群在紧急情况下的生命安全，也可通过这种方式提升人民群众的应急医疗水平，具有广泛的应用与发展前景。
发明内容
本发明目的在于针对已有技术的不足，提供一种基于物联网的智能急救箱管理系统和方法，该方法可实现维护人员远程查看智能急救箱GPS定位信息、药物余量等参数，且实时获取用户急救帮助请求功能。同时通过算法分析不同位置智能急救箱药物的使用需求，并提供药物调整、调度方案以及智能急救箱最优部署位置。对于用户而言，该维护方法中的实体部分----智能急救箱，可实现用户群体利用用户端远程查看相应位置的急救箱药物余量，用户可利用用户端实现预约取药功能，也可手持已认证的IC卡直接至现场取药。同时该方法提供配套的用户端视频及所含药物说明书进行指导，可应用于各个不同的公共场所。
为达到上述目的，本发明的构思为：
本发明包括智能急救箱机械实体、本地系统控制模块、云平台维护端、用户端。
四个模块中，智能急救箱机械实体主要为：箱体外壳(主药仓、副药仓、用户交互面板、维护门)、副药仓载药台、填药三角形凸台、舵机及舵机半齿轮、舵机固定平台、隔板、滑轨、主控安装平台。
四个模块中，本地系统控制模块主要为：由主控制器ATmega2560-16AU通过UART串口连接HSART HMI智能串口屏和GM65二维码模块，通过I2C接口连接RC522 RFID射频IC卡感应模块，使用数字与模拟接口连接直流吸盘式电磁铁、AX20S串行总线舵机、VL53L0X激光测距传感器、紧急报警按钮、蜂鸣器、GPSNEO-6M卫星定位模块、人体红外热释能传感器、光敏传感器、LED灯、单晶硅太阳能板。智能串口屏用于用户交互，二维码模块用于识别用户随机获取的二维码，射频IC卡感应模块用于获取并处理IC卡数据并发送至主控制器，电磁铁用于控制急救箱主药仓仓门的开合，总线舵机用于控制急救箱副药仓仓门的开合及药物推送，激光测距传感器用于药物数量检测，报警按钮和蜂鸣器用于紧急事件呼救，热释能传感器用于识别附近人体以开闭智能急救箱省电模式，光敏传感器用于识别周围环境光线强弱以实现开关LED灯功能，太阳能板用于光能转换。
四个模块中，云平台维护端主要为Apache Apollo服务器、MySQL数据库、维护者网页端以及实现调度算法。Apache Apollo服务器需要用户名、密码登陆，基于订阅-发布机制，实现TCP、WebSocket方式的接入，可查看实时连接数。维护者网页端需要用户名、密码登陆，用于显示急救箱各类状态信息、GPS位置信息与报警信息，作后台监管界面。数据库保存急救箱药物余量信息，包括取药记录表、急救箱表、药物表和药物存量与需求表。当数据库数据量足够时，就可以基于数据进行智能算法的训练和预测。云平台智能算法的执行共分为3个部分：数据处理与整合、神经网络训练与预测及最优调度路径计算与规划。(1)数据处理与整合部分通过数据库接口访问用药记录，对不同表中的数据进行基本的处理与整合，将所有数据转化为可以被神经网络直接读取的标准样式；(2)神经网络训练与预测部分通过读取处理后的数据构建神经网络模型，输入部分包括药物索取日期、站点经纬度、人群密度、地理特征、药物类型等，输出一种特定药物的需求量，并且基于此预测出当前所有站点各类不同药物的日需求量；(3)最优调度路径计算与规划部分通过比较上述预测出的需求量与实际药品数量的差值来寻找最优哈密顿回路，并将最终计算出的最优调度结果回馈给运营部门。运营部门只需要在云服务器上分别运行上述3个事先编写好的程序，就可以实时监控不同站点的药物数量，并计算得到最优药物调度路径。同时云服务器上还嵌有区域内急救箱最优地理位置部署的程序，可以为急救箱地理空间布局的优化提供数据支撑。
四个模块中，用户端为：微信小程序。在微信小程序中底部导航栏内分三个页面：“急救箱分布”、“急救视频”、“我”。主页面为“急救箱分布”：页面置有“取码拿药”按钮及定位地图，点击“取码拿药”可转入生成二维码预约拿药界面，点击定位地图上的急救箱图标可以转入相应急救箱药物余量页面(所有数据通过MQTT协议从云平台处获得)；“急救视频”页面：以窗格形式显示急救视频，用于引导用户学习及使用；“我”页面：保存用户个人信息，可做用户验证。保存用户已预约生成的二维码、取药时间以及地点。
本维护系统与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：(1)急救箱内置ATmega2560-16AU嵌入式系统，本地数据对接服务器，维护端界面采用网页形式实现数据实时查看及最优调度方案选择。用户端采用微信小程序方式进行。(2)实现云平台数据管理功能，药物信息、用户信息以及取药信息可以实时传输到云平台维护端后台进行存储，以供后台维护人员集中管理与查询。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种基于物联网的智能急救箱管理系统，由一个本地智能急救箱实体、本地系统控制模块、云平台维护端和用户端组成，所述本地系统控制模块配置于本地智能急救箱实体中，并实时反馈数据给所述云平台维护端进行监控，同时供用户端调取。其特征在于：所述本地智能急救箱实体由一个主药仓、一个中层副药仓、三个底层副药仓、一个用户操作面板及其背后的一个主控安装平台，其中由五块隔板、四个齿条、四个副药仓载药台、八个滑块、八个滑轨、四个串行总线舵机、四个副药仓仓门、四个半齿轮、四个三角形凸台、八个平台、十二块挡板、四块顶板、一个主药仓仓门、两个IC卡感应模块、一个二维码模块、一个智能串口屏、一个紧急报警按钮组成；所述本地系统控制模块由一个控制器模块、一个检测模块和一个执行模块组成，其特征在于：所述控制器模块由一个ATmega 2560-16AU联接一个ESP8266构成；所述检测模块由一个光敏传感器、一个人体红外热释能传感器、一个二维码模块、一个GPS卫星定位模块、一个紧急报警按钮、五个激光测距传感器以及两个IC卡感应模块构成；所述执行模块由一个直流吸盘式电磁铁、四个串行总线舵机、五个LED灯、一个蜂鸣器以及一个智能串口屏构成；所述云平台维护端由Apollo服务器、MySQL数据库、人工智能算法、维护者监管网页构成；所述用户端为微信小程序；
所述本地智能急救箱实体设计由置于上方的一个主药仓、中间右边设有一个中层副药仓，下方设有三个底层副药仓；中层副药仓左侧设有用户操作面板，其板面下方有紧急报警按钮，左上方有一智能串口屏，左边设有一IC卡感应模块与二维码模块，用户操作面板后方为主控安装平台；副药仓左右两边通过隔板分隔，底部装有两对滑块与滑轨，且在滑块上固定副药仓载药台；副药仓载药台后方设有一三角形凸台，左右两侧的上方各设有一平台，并在右侧边缘处装有一根齿条，在右侧隔板上方靠近用户使用面处装有一个半齿轮；半齿轮与固定于副药仓顶部的一个串行总线舵机相连，同时与靠近用户面的端面与副药仓仓门固连；在副药仓顶部设有一块顶板，其下表面前后左右处竖直安装有四块挡板；主药仓正面有一主药仓仓门，且在其底部设有一大型IC卡感应模块；
所述本地系统控制模块中控制器模块以ATmega2560-16AU为主控制器，ESP8266为从控制器，主控制器通过UART串口连接从控制器并输入其所采集到的数据；所述检测模块中的光敏传感器经所述ATmega 2560-16AU联接LED灯，从而通过识别周围环境光线强弱以实现LED灯的开关；人体红外热释能传感器经ATmega 2560-16AU识别附近人体以关闭智能急救箱省电模式；二维码模块通过UART串口与ATmega 2560-16AU通讯实现二维码药物信息读取，从而控制所联接的串行总线舵机的运作；GPS卫星定位模块通过数字与模拟接口与ATmega 2560-16AU联接，实现急救箱GPS位置信息的实时采集；紧急报警按钮经ATmega2560-16AU联接蜂鸣器，从而对报警按钮信号做出现场的物理反馈并实时采集报警信息；激光测距传感器通过数字与模拟接口与ATmega 2560-16AU联接，实现药物数量信息的实时检测与采集；IC卡感应模块经ATmega 2560-16AU联接直流吸盘式电磁铁，从而实时采集与认证IC卡数据，并控制装有所述电磁铁的主仓门的开合；所述执行模块中，直流吸盘式电磁铁、串行总线舵机、LED灯、蜂鸣器、智能串口屏的控制线连接于ATmega 2560-16AU的输出端，而串行总线舵机又分别通过机械连接与对应的驱动对象连接；
所述云平台维护端中，MySQL数据库分别与微信小程序、ESP8266通讯以接收数据并保存，并与智能算法以及网页端通讯对其提供数据支持。Apollo服务器与ESP8266通讯以收到数据并即时转发到网页端与用户端。
所述微信小程序由“急救箱分布”页面、“急救视频”页面、“我”页面以及“取码拿药”页面组成。
上述基于物联网的智能急救箱管理系统所涉及模块的具体功能描述如下：
1.智能急救箱机械实体：(参见图1至图6急救箱实体视图)
分为三层五部分，分别为：一个顶层主药仓、三个底层副药仓、中层右边的一个中层副药仓、中层左边的用户操作面板以及背后的主控安装平台。总体尺寸设计为582.5mm×250mm×614mm：主药仓保留了常见急救箱所有功能，用于存放创可贴、酒精棉片、工具包等；副药仓主要用于存放盒装药物(设计盒子长宽高不超过125mm*125mm*25mm)；用户操作面板用于给用户提供交互，在其背后空间内部则为主控安装平台用于安装大部分电子元器件。
用户使用面(正面)上的每个副药仓均以隔板隔开。以一个副药仓为例，底面装有两对配套滑轨及滑块，滑块上装有副药仓载药台用于出药。在副药仓载药台右侧固定有一根齿条，后方中间装有一个三角形凸台。隔间中所有药盒均为水平层叠式放置，由于载药台上方的左右两侧分别有两个不随其前后移动的平台，在未完全到达出药位置时，副药仓载药台上表面与最底层药盒的底面不接触。出药时底层药盒以这两个平台为支撑进行移动。右侧隔板上方靠近用户面处装有四分之一个齿轮(半齿轮)，其一端固定于副药仓仓门上，驱动齿轮的舵机与齿轮(半齿轮)相连且固定于顶板上。模数一致的齿条与齿轮(半齿轮)在同一区域啮合。
在隔间顶板四周分别竖直安装挡板以防其余药盒发生水平位移或旋转导致出药失败。后挡板与顶板使用阻尼铰链联接，不仅起到限位作用，也便于后续维护时打开。
齿轮转动会带动副药仓载药台和与之固定联接的滑块，沿滑轨前后滑动，此时载药台上的三角形凸台会平稳推动底层药盒外移，药盒可推出136mm。同时，副药仓仓门同步开启，最大角度可达76.5°。
顶层主药仓的载药平台下方以及用户面设有IC卡感应模块，在主药仓中每种药的包装上都可贴有相应的电子标签用于感应记录。主药仓仓门为上翻式，并通过阻尼铰链与箱体联接，其背面设有直流吸盘式电磁铁，在刷卡消磁后即可开门取药，在取药完毕后门会自动关上并上磁锁死。
用户操作面板上装有紧急报警按钮、智能串口屏、二维码模块、IC卡感应模块。在其背后为主控安装平台用于安装所有控制模块及大部分传感器。
2.本地系统控制模块：(本地系统控制模块电连接图参见图7)
本地系统控制模块执行流程如下，由二维码模块读取用户端微信小程序生成的二维码图片信息，经由UART串口传输获取信息，ATmega2560-16AU单片机使用函数Serial.read()读取串口中的内容，对字符内容判断后，根据结果选择相应的串行总线舵机，使用单片机“servo1.write()；”语句函数，写入PWM值方式控制AX20S串行总线舵机动作行为，转动四个副药仓中对应的半齿轮，最终将用户所需要的盒装药物推出。主药仓仓门通过IC卡感应模块读取IC卡信息，以同步I2C通信接口方式传输给本地控制芯片ATmega2560-16AU，将读取到的IC卡信息与本地存储器数据库进行比对，若信息通过验证，芯片通过拉低电磁吸盘针脚电平的方式关闭电磁吸盘模块，开启仓门。主药仓载药平台下方同样装有IC感应模块用于感应各类药物上贴有的电子标签，用于数量统计。利用人体红外热释能传感器与主控制器内部的定时器以启动与关闭省电模式，调用单片机中库文件：#include<avr/sleep.h>及#include<avr/wdt.h>进入，通过外部中断与看门狗功能来唤醒主控制器，达到省电目的。采用激光测距传感器循环十次测量取均值的方式进行判断以消除机器电路抖动系统误差计算副药仓内部药盒数量。通过光敏传感器进行环境光线强弱判断，以控制LED灯照明。由单晶硅太阳能板与相应的电源管理模块进行充电供电。GPS卫星定位模块通过UART串口与该设备传输获取信息，使用语句函数“GpsSerial.read()”获取GPS数据后，再通过“parseGpsBuffer()”语句函数来解析GPS帧数据，获取需要的帧数据GPRMC或者GNRMC，从中解析出来UTC时间和经纬度，对解析数据的内容判断准确无误后，输出准确的位置信息。蜂鸣器的使用则是触发紧急报警按钮通过芯片I/O口拉低蜂鸣器模块电平来实现。通过可中断的I/O口，根据报警开关电压变化执行中断进行报警判断及上传。综上所有数据信息均通过UART串口将信息发送给ESP8266，急救箱物理状态判断是通过GY-61ADXL三轴加速度倾斜角模块来实现，模块输出模拟量与ESP8266模拟接口连接，在每次系统开机时，使用语句函数“analogRead()；”读取开机时初始位置状态，后续运行时，根据当前位置与初始位置状态的差值，并进行位置异常判断，若角度变化量大于20°，则系统判断为硬件异常状态，上报平台进行报警提示。无线通信部分则是按照ESP8266机器周期循环，通过主程序进行采样，收集数据循环上传至云平台维护端，并通过UART串口将数据写入智能串口屏，显示无线通信模块系统网络及实时运行状态，便于用户交互、调试及维护。
硬件接入设计：系统与Apach Apollo服务器南向通信由ESP8266wifi模块使用MQTT协议实现，在ESP8266的程序中添加<ESP8266WiFi.h>、<ESP8266WiFiMulti.h>、<ESP8266HTTPClient.h>三个头文件为后续代码编写提供便捷。通过函数内置函数WiFi.begin(WIFINAME,WIFIPW)连接附近wifi，使用<ESP8266HTTPClient.h>中WiFiClientespClient；PubSubClient client(espClient)；建立单片机clientMQTT客户端，“client.connect(客户端ID,MQTT用户名，MQTT对应密码)”进行服务器连接，使用client.publish("topic","上传内容")；client.subscribe("topic")；两个功能函数分别进行服务器对应topic进行发布与订阅行为。
3.云平台维护端具体实现方式：(云平台维护端各部件连接图参见图7)
1)Apache Apollo服务器：Apollo服务器搭建于Windows云服务器上，版本号为1.7.1。Apollo服务器可以实现基于TCP和WebSocket的连接，并实时显示连接的客户端的数量。MQTT协议使用TCP/IP提供网络连接，基于图9所示的订阅-发布机制：可在Apollo服务器上建立话题，可使多个客户端向话题发布信息，也可以订阅该话题。当有客户端向话题发送消息时，Apollo服务器将立即将此消息转发给订阅了该话题的客户端。实现了消息的即时传送并免去了客户端定期主动向服务器请求数据的繁琐过程。并且，通过设置发送到Apollo服务器的消息的头部，可以使Apollo服务器保留发往到话题的最后一条信息，当有新的客户端订阅话题时，Apollo服务器将把这最后一条信息发往该客户端。所以，当有新的客户端(如小程序)连接到Apollo服务器时，将会分别收到来自订阅了的每个话题的最后一条消息，用它们作为原始数据。保证了在新的数据变更产生前，客户端有数据用作显示。
2)网页端及其与Apollo服务器的通信：网页由Windows云服务器的上的IIS web服务器发布。网页需要用户名、密码登录，维护者输入正确的用户名及密码信息后进入后台监管界面。网页通过显示图表、文本信息的方式反映所有得到的数据信息，网页界面示意图如图11。其中，展示的动态数据数据全部来自Apollo服务器，包括：报警信息、药物余量信息、GPS定位信息、震动信息等。MQTT协议支持HTML5的WebSocket客户端连接，在网页的JavaScript代码中引入mqttws31.min.js，利用它编写代码实现与Apollo服务器的连接。其中，与Apollo服务器建立连接的代码片段如下：
client＝new Paho.MQTT.Client("服务器域名",Number(61623),"客户端ID"])；client.connect({userName:"admin",password:"password",onSuccess:onConnect})；
代码片段中需要填入服务器域名、端口号、服务器登陆用户名、服务器登录密码、客户端ID。连接成功后，网页订阅Apollo服务器的发布急救箱状态信息的话题，从而获得服务器主动发布的消息。通过判断得到的消息属性，将其对应地发送至html的相应容器内。html由此将各类数据显示于界面上。
3)MySQL数据库及其操作方法：MySQL数据库搭建于前文中地Windows服务器下，在该数据库下创建“四张表”：取药记录表、急救箱表、药物表和药物存量与需求表。“取药记录表”包括取药日期、取药时间、用户编号、急救箱编号、药物编号和取药数量；“急救箱表”包括急救箱编号、急救箱经纬度、POI密度和特殊地理类型；“药物表”包括药物编号、药物名称和药物类别；“药物存量与需求表”包括急救箱编号、药物编号、药物余量、累积取药量、药物预测需求量和偏差值。
微信小程序、网页端、本地控制模块、人工智能算法(前述四者在本段落统称为客户端)对MySQL数据库的操作都是通过发起HTTP请求访问IIS服务器发布页文件夹下的PHP脚本实现的。客户端访问PHP时，可以在发起请求的url(访问地址)后面携带参数。比如http://www.XXX.com/test.php？database＝”xxx”，“？”后面即为携带的参数。文件夹下放有多个具有不同功能的PHP脚本(比如：插入、查询、删除)，PHP根据得到的消息登陆数据库并对其进行对应的操作。然后向客户端返回相应数据。PHP登陆数据库的代码示例如下：
4)人工智能算法：人工智能算法的执行共分为3个部分：数据处理与整合、神经网络训练与预测、最优调度路径计算与规划，三个部分的子程序全部为Python编程实现，在云服务器上逐一执行。除此之外，云服务器上还嵌有区域内急救箱最优地理位置部署的程序，运营部门可以在需要的时候执行该程序，为急救箱地理空间布局的优化提供数据支撑。
数据处理与整合部分通过数据库接口访问用药记录，对不同表中的数据进行基本的处理与整合。针对索取日期，通过计算不同日期和起始日期的偏差值来作为模型的输入；针对站点位置，将其转化为该站点的经度和纬度坐标；针对人群密度，通过地图软件POI兴趣点进行间接统计，以POI兴趣点的数量作为人群密度的间接度量；针对急救箱所处位置的地理特征，包括运动场、游泳馆、实验室等，进行one-hot编码，将单一变量转化为若干个输入变量；针对各类药品的每日索取量，将其看作为药品的日需求量。在各字段的基本处理之后，以7:3的比例划分训练集与测试集，供神经网络模型使用。
神经网络训练与预测部分需要对每一种药物构建一套神经网络模型(如图12)。在数据预处理之后，Python程序读入药物与站点信息，通过输入药品索取日期、所处的站点位置、人群密度和特殊地理类型来预测指定日期指定站点某种特定药品的日需求量。神经网络由Tensorflow框架进行实现，使用Adam算法，损失函数为预测的日需求量与历史数据中的日索取量的均方误差。在模型训练完成之后，计算当前所有站点各类不同药品的需求量，并把预测的结果保存到数据库中。
最优调度路径计算与规划由蚁群算法(如图13)进行实现。这里假设急救箱需要满足n日索取的需求，即药物箱中存放的所有药品应当大于等于n日总需求量。对于药物箱来说，设药物i的实际药品数量为Ai，对应n日的预测需求量为Bi，定义偏差值Ci＝Ai-Bi。若偏差值大于0，则说明供大于求，期望移出药物i；若偏差值小于0，则表示供不应求，希望移入药物i。除了急救箱以外，对于专门的药物供应商(如医院、药房、仓库等)，将他们抽象为只可移出药物的站点，其偏差值Ci表示该药物供应商能够提供药物i的最大的数量。
药物调度问题的建模：假设把急救箱和药物供应商看作是站点，那么该问题被抽象为了一个图论问题：有一个特定位置的货车点，希望从该货车点出发，寻找到一条最优的调度路线，在这个过程中完成药品的调度。我们希望货车进行调度的总路程最短，也希望完成调度后各站点各药物的实际数量和n日预测需求量的误差尽可能小。即有两个目标函数：
Cwi为站点w的药物i的偏差值，为从站点wk到wk+1的路径距离。
药物调度问题的求解：上述问题是一个多目标规划下的整数规划问题，既需要确定货车每一步经过的站点，还需要确定货车在该站点运上或卸下多少药物。设货车在第k步到达的站点编号为wk，货车经过站点的序列为{W0,W1,…,WK,W0}，货车在第k步从站点wk运上来的药物i的数量为如果要移下药物，则设货车上目前的药品i的数量为ωi，则每一次经过站点，有约束条件：ωi≥0，和∑ωi≤Max。由于该问题有较多的目标函数和约束条件，难以使用一般的数学规划进行求解，因此我们编写了Python程序，使用基于随机性算法的蚁群算法进行实现，在数百次的迭代后，找到一条最优的药品调度路径，并以可视化的形式回馈给维护人员。
区域内智能急救箱地理位置优化：在神经网络训练完成之后，维护端的运营人员可以人为执行一个事先编制好的Python程序，通过输入新的待选地理位置信息，计算该地理位置上部署急救箱时各药物的日需求量预测值总和，并依此排序，筛选出最优的若干急救箱部署位置。运营部门可以将待选位置和已有急救箱的需求量总和进行比较，优化急救箱的地理位置布局。
4.用户端小程序具体功能为：(微信小程序功能页面组成图参见图10)
1)界面样式：底部导航栏内分三个页面：急救箱分布(图14所示)、急救视频(图15所示)、我(图17所示)。
2)获取数据：小程序的数据来源为Apache Apollo服务器，与前文网页端Apollo服务器(39)的连接与类似，通过websocket通信。需要引入paho-mqtt.js，paho-mqtt.js由mqttws31.min.js改编而来，以兼容微信小程序。在小程序页面内的JS文件中填写Apollo服务器域名、端口号、服务器登陆用户名、服务器登录密码、客户端ID，以实现与Apollo服务器连接。分别订阅多个目标话题，从而收到服务器发往的数据，获得每个急救箱的药物余量信息以及GPS定位信息。
3)GPS文本信息转化为图像定位：小程序内置的腾讯地图使用了小程序地图组件，通过在地图上标记急救箱图标的方式进行急救箱的地位。在JS代码内，通过API调用腾讯地图官方的GPS加密转换接口，携带从服务器收到的真实的GPS文本信息，就能得到腾讯地图返回的经加密的可以正确显示在腾讯地图上的GPS数据。将此GPS数据应用于地图组件内，即使急救箱图标正确定位标记。
4)生成二维码：用户在线生成二维码时，二维码的信息为“当前时间”(格式为年+月+日+时+分+秒，如20181025092255，共14个字符)+“openid”(小程序用户唯一身份id，共28个字符)+“药品信息”(药品拼音首字母，共1个字符)。总字符长度相同，共43位，当前时间及小程序openid共同决定了二维码的唯一性，最后一位字符帮助急救箱判断出药类型。并且，生成的二维码将保存于数据库中，以确保二维码信息的准确性、安全性(防止伪造二维码，以及二维码重复使用)。
5)急救视频(“急救视频”页面)：视频使用了小程序的“video”组件，使用样式编辑手段使其以窗格形式展示。可播放本地视频，也可播放来自网络位置的急救视频。为管理大量视频，制作侧栏索引，索引按伤情的不同往下进行分类，点击索引中的相应条目即可直接定位到对应视频处。
6)个人信息(“我”页面)：使用小程序免费提供的专用数据库，储存用户信息、取药记录、生成二维码数量及种类。用户每次重新打开微信小程序，在小程序App.js内使用生命周期函数onLaunch()首先访问数据库，从而加载出数据库内的个人信息显示于用户端。
本控制系统的具体管理方法如下：
1.系统各组件间的连接调试：
急救箱实体按照要求安装完成后，填入药品，打开本地控制模块电源。查看Apollo服务器中是否有新的客户端接入，接入成功后查看网页端、微信小程序是否有数据流入，登陆数据库查看，是否有新的纪录产生。然后打开急救箱背板，取出药仓内的部分药物，再次重复进行上述查看的步骤。状态正确，则连接调试成功。
2.急救箱信息变更自动引发的数据传送、数据储存：(参见图8)
上述系统处在正常工作状态时，急救箱信息变更自动引发的数据传送、数据储存的步骤如下：
1)分别判断本地系统控制模块(36)是否识别到二维码，本地系统控制模块(36)是否识别到IC卡，报警按钮是否按下或GPS数据是否变更。
2)若识别到二维码或IC卡，则读入信息并访问数据库(40)；若报警按钮按下或GPS数据变更，则直接进入5)。
3)判断数据库内是否存在此信息。
4)若识别的是二维码，且数据库内存在此信息：驱动舵机实现出药；若识别的是IC卡，且数据库内存在此信息：打开主药仓；若不存在，返回1)。
5)确定为急救箱信息变更。
6)分两路传送数据：(两条路径，A路用于动态显示，B路用于保留历史。)
A：ESP8266(32)向Apollo服务器(39)发送数据变更；Apollo服务器(39)向订阅话题的网页端(42)、微信小程序(43)发送数据。
B：本地系统HTTP访问后台PHP脚本；脚本操作数据库(40)以记录数据变更。
3.小程序、网页端使用动态数据
当有数据从Apollo服务器发来时：对于维护者端：JS代码将判断何种数据发生变更，然后将该新数据发送至html中相应的视觉容器中，重新渲染相应图表、文本。对于微信小程序，其处理数据的思路与网页端相同，但逻辑有略微改变。小程序的JS文件将变更的数据存入特定对象“data”中，小程序的WXML直接使用data对象中数据重新渲染页面。
4.网页端与智能算法调取数据库数据
网页端和智能算法思路相同，同样是调取数据库内数据，使用相同方法。两者发起请求访问功能为提取数据库数据的PHP脚本，PHP成功执行后，将请求的数据返回。不同点在于，网页端将数据用于可视化以供维护人员实时监管，智能算法将数据用于执行数据处理与整合、神经网络训练与预测、最优调度路径计算与规划。
本发明与现用技术相比较，具有如下显而易见的突出实施性特点和显著技术进步：本系统由本地智能急救箱实体、本地系统控制模块、云平台维护端和用户端组成。数据通过本地智能急救箱配置本地系统控制模块检测，并发送于云平台维护端。利用人工智能算法实现药物最优调度路径及规划、预测各类药物日需求量及区域内智能急救箱最优地理位置部署。用户端向用户提供远程查看智能急救箱实时药物余量、取药二维码、视频与套装说明书的功能，以进行医疗知识辅助与普及，同时用户可用IC卡与取药二维码获取药物。整套系统可让后台维护人员更方便快捷地进行远程监控以及提供维护的指向性，让维护工作变得更简单高效，让用户使用变得更便捷。具有较高的推广及教育意义，可广泛运用。
附图说明
图1为系统总结构图。
图2为急救箱整体正面轴测图。
图3为副药仓内部的导轨滑块以及隔板等。
图4为副药仓内顶部侧视图。
图5为副药仓内底部结构轴测图。
图6为急救箱顶层正面轴测图。
图7急救箱整体背面轴测图。
图8为急救箱信息变更后的流程图。
图9为MQTT协议订阅-发布机制示意图。
图10为微信小程序功能页面组成图。
图11为维护者网页监管系统界面。
图12为神经网络算法示意图。
图13为蚁群算法示意图。
图14为微信小程序的“急救箱分布”界面。
图15为微信小程序的“急救视频”界面。
图16为微信小程序的“取码拿药”界面。
图17为微信小程序的“我”界面。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
实施例一：
参见图1，本基于物联网的智能急救箱管理系统，由一个本地智能急救箱实体、本地系统控制模块、云平台维护端和用户端组成，其特征在于：所述本地系统控制模块配置于本地智能急救箱实体中，本地系统控制模块经云平台维护端无线电连接用户端；所述本地系统控制模块，实时反馈数据给所述云平台维护端进行监控，同时供用户端调取。
实施例二：
参见图1-图7，本基于物联网的智能急救箱管理系统，由一个本地智能急救箱实体、本地系统控制模块、云平台维护端和用户端组成，所述本地系统控制模块配置于本地智能急救箱实体中，并实时反馈数据给所述云平台维护端进行监控，同时供用户端调取。其特征在于：所述本地智能急救箱实体由一个主药仓、一个中层副药仓、三个底层副药仓、一个用户操作面板及其背后的一个主控安装平台，其中由五块隔板、四个齿条、四个副药仓载药台、八个滑块、八个滑轨、四个串行总线舵机、四个副药仓仓门、四个半齿轮、四个三角形凸台、八个平台、十二块挡板、四块顶板、一个主药仓仓门、两个IC卡感应模块、一个二维码模块、一个智能串口屏、一个紧急报警按钮组成；所述本地系统控制模块由一个控制器模块、一个检测模块和一个执行模块组成，其特征在于：所述控制器模块由一个ATmega 2560-16AU联接一个ESP8266构成；所述检测模块由一个光敏传感器、一个人体红外热释能传感器、一个二维码模块、一个GPS卫星定位模块、一个紧急报警按钮、五个激光测距传感器以及两个IC卡感应模块构成；所述执行模块由一个直流吸盘式电磁铁、四个串行总线舵机、五个LED灯、一个蜂鸣器以及一个智能串口屏构成；所述云平台维护端由Apollo服务器、MySQL数据库、人工智能算法、维护者监管网页构成；所述用户端为微信小程序；
所述本地智能急救箱实体设计由置于上方的一个主药仓、中间右边设有一个中层副药仓，下方设有三个底层副药仓；中层副药仓左侧设有用户操作面板，其板面下方有紧急报警按钮，左上方有一智能串口屏，左边设有一IC卡感应模块与二维码模块，用户操作面板后方为主控安装平台；副药仓左右两边通过隔板分隔，底部装有两对滑块与滑轨，且在滑块上固定副药仓载药台；副药仓载药台后方设有一三角形凸台，左右两侧的上方各设有一平台，并在右侧边缘处装有一根齿条，在右侧隔板上方靠近用户使用面处装有一个半齿轮；半齿轮与固定于副药仓顶部的一个串行总线舵机相连，同时与靠近用户面的端面与副药仓仓门固连；在副药仓顶部设有一块顶板，其下表面前后左右处竖直安装有四块挡板；主药仓正面有一主药仓仓门，且在其底部设有一大型IC卡感应模块；
所述本地系统控制模块中控制器模块以ATmega2560-16AU为主控制器，ESP8266为从控制器，主控制器通过UART串口连接从控制器并输入其所采集到的数据；所述检测模块中的光敏传感器经所述ATmega 2560-16AU联接LED灯，从而通过识别周围环境光线强弱以实现LED灯的开关；人体红外热释能传感器经ATmega 2560-16AU识别附近人体以关闭智能急救箱省电模式；二维码模块通过UART串口与ATmega 2560-16AU通讯实现二维码药物信息读取，从而控制所联接的串行总线舵机的运作；GPS卫星定位模块通过数字与模拟接口与ATmega 2560-16AU联接，实现急救箱GPS位置信息的实时采集；紧急报警按钮经ATmega2560-16AU联接蜂鸣器，从而对报警按钮信号做出现场的物理反馈并实时采集报警信息；激光测距传感器通过数字与模拟接口与ATmega 2560-16AU联接，实现药物数量信息的实时检测与采集；IC卡感应模块经ATmega 2560-16AU联接直流吸盘式电磁铁，从而实时采集与认证IC卡数据，并控制装有所述电磁铁的主仓门的开合；所述执行模块中，直流吸盘式电磁铁、串行总线舵机、LED灯、蜂鸣器、智能串口屏的控制线连接于ATmega 2560-16AU的输出端，而串行总线舵机又分别通过机械连接与对应的驱动对象连接；
所述云平台维护端中，MySQL数据库分别与微信小程序、ESP8266通讯以接收数据并保存，并与智能算法以及网页端通讯对其提供数据支持。Apollo服务器与ESP8266通讯以收到数据并即时转发到网页端与用户端。
所述微信小程序由“急救箱分布”页面、“急救视频”页面、“我”页面以及“取码拿药”页面组成。
实施例三：
参见图8，本基于物联网的智能急救箱管理方法，采用实施例一所述的控制系统进行操作。其具体控制步骤如下：
1)分别判断本地系统控制模块(36)是否识别到二维码，本地系统控制模块(36)是否识别到IC卡，报警按钮是否按下或GPS数据是否变更。
2)若识别到二维码或IC卡，则读入信息并访问数据库(40)；若报警按钮按下或GPS数据变更，则直接进入5)。
3)判断数据库内是否存在此信息。
4)若识别的是二维码，且数据库内存在此信息：驱动舵机实现出药；若识别的是IC卡，且数据库内存在此信息：打开主药仓；若不存在，返回步骤1)。
5)确定为急救箱信息变更。
6)分两路传送数据：两条路径是：A路用于动态显示，B路用于保留历史。
A：ESP8266(32)向Apollo服务器(39)发送数据变更；Apollo服务器(39)向订阅话题的网页端(42)、微信小程序(43)发送数据。
B：本地系统HTTP访问后台PHP脚本；脚本操作数据库(40)以记录数据变更。
实施例四：
本实施例以用户生成二维码到完成取药的过程为例，结合图8-图17详细的介绍本基于物联网的智能急救箱管理系统的具体实施过程。
1.用户生成二维码：
用户在微信小程序的“取码拿药”界面选择一款想要取得的药物，进入页面并生成二维码，二维码将保存于“我”界面里的“我的二维码”内，也可以暂时存放在生成界面(退出界面则停止存放)。生成二维码成功后，微信小程序将发起HTTP请求并在访问地址内携带该二维码的信息，访问IIS发布页文件夹下的实现插入数据功能的PHP文件，PHP得到该二维码信息并登陆数据库，将该信息插入存放二维码信息的数据表内。
2.急救箱实体扫描二维码实现出药：
用户向急救箱的扫描口出示二维码，本地控制模块得到二维码信息后，发起HTTP请求并在访问地址内携带识别到的二维码信息，访问IIS发布页文件夹下具备检索数据功能的PHP文件，PHP脚本得到该二维码信息后，在数据库内存放生成二维码信息的数据表内搜索该信息，若存在则向本地控制模块返回“YES”，不存在则返回“NO”。本地控制模块收到“YES”后，驱动舵机完成出药。
3.数据变更引发数据转发、储存：
当用户取走药物后，本地控制模块检测到药物数量变化并将采用与上述2所述相同的HTTP访问方式间接操作数据库。此时携带的信息为：1)取走药物使用的二维码信息，2)取出的药物名称。根据携带信息分别实现两个功能：1)删除数据库中存在的此二维码信息(防止重复取药)，2)记录药物数量变化。同时，急救箱将药物数量的变更数据发送至Apollo服务器相应的“话题”。收到数据后，Apollo服务器即时地将此数据发往订阅了该“话题”的网页端与小程序。
4.取药后，用户生成的二维码自动消除：
小程序用户退出查看二维码界面后，小程序将自动发起HTTP请求携带openid(小程序用户唯一身份标识)，在数据库内查找用户自身是否还存在二维码。若已经取药，则数据库内已经不再存有此用户的二维码信息，小程序则消除在“我”界面里的“我的二维码”内的二维码。
以上所述全部内容仅仅表达了本发明对于各种功能模块的创新和集成使用，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这都属于本发明的保护范围。因此本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于物联网的智能急救箱管理系统，由一个本地智能急救箱实体（44）、本地系统控制模块（36）、云平台维护端（37）和用户端（38）组成，其特征在于：所述本地系统控制模块（36）配置于本地智能急救箱实体（44）中，本地系统控制模块（36）经云平台维护端（37）无线电连接用户端（38）；所述本地系统控制模块（36）实时反馈数据给所述云平台维护端（37）进行监控，同时供用户端（38）调取。
2.根据权利要求1所述的基于物联网的智能急救箱管理系统，其特征在于：所述本地智能急救箱实体（44）包含有壳体中的一个主药仓（1）、一个中层副药仓（2）和三个底层副药仓（3），还有一个用户操作面板（4）及其背后的一个主控安装平台（22），其中由五块隔板（5）、四个齿条（6）、四个副药仓载药台（7）、八个滑块（8）、八个滑轨（9）、四个串行总线舵机（10）、四个副药仓仓门（11）、四个半齿轮（12）、四个三角形凸台（13）、八个平台（14）、十二块挡板（15）、四块顶板（16）、一个主药仓仓门（17）、两个IC卡感应模块（18）、一个二维码模块（19）、一个智能串口屏（20）、一个紧急报警按钮（21）组成；所述主药仓（1）位于本地智能急救箱实体（44）上方，中间右边是中层副药仓（2），下方是三个底层副药仓（3）；中层副药仓（2）左侧是用户操作面板（4），其板面下方是紧急报警按钮（21），左上方是一智能串口屏（20），左边是IC卡感应模块（18-2）与二维码模块（19），用户操作面板（4）后方为主控安装平台（22）；副药仓（2）左右两边通过一个隔板（5）分隔，底部安装两对滑块（8）与滑轨（9），且在滑块（8）上固定副药仓载药台（7）；副药仓载药台（7）后方设置一三角形凸台（13），左右两侧的上方各设置一平台（14），并在右侧边缘处装一根齿条（6），在右侧隔板（5）上方靠近用户使用面处装一个半齿轮（12）；半齿轮（12）与固定于副药仓顶部的一个串行总线舵机（10）相连，同时与靠近用户面的端面与副药仓仓门（11）固连；在副药仓（2）顶部设一块顶板（16），其下表面前后左右处竖直安装四块挡板（15）；主药仓（1）正面有一主药仓仓门（17），且在其底部设有一大型IC卡感应模块（18-1）。
3.根据权利要求1所述的基于物联网的智能急救箱管理系统，其特征在于：所述本地系统控制模块（36）由一个控制器模块（23）、一个检测模块（24）和一个执行模块（25）组成，所述控制器模块（23）由一个ATmega 2560-16AU（31）联接一个ESP8266（32）构成；所述检测模块（24）由一个光敏传感器（27）、一个人体红外热释能传感器（28）、一个二维码模块（19）、一个GPS卫星定位模块（29）、一个紧急报警按钮（21）、五个激光测距传感器（30）以及两个IC卡感应模块（18）构成；所述执行模块（25）由一个直流吸盘式电磁铁（33）、四个串行总线舵机（10）、五个LED灯（34）、一个蜂鸣器（35）以及一个智能串口屏（20）构成；所述本地系统控制模块（36）中控制器模块（23）以ATmega2560-16AU（31）为主控制器，ESP8266（32）为从控制器，主控制器通过UART串口连接从控制器并输入其所采集到的数据；所述检测模块（24）中的光敏传感器（27）经所述ATmega 2560-16AU（31）联接LED灯（34），从而通过识别周围环境光线强弱以实现LED灯（34）的开关；人体红外热释能传感器（28）经ATmega 2560-16AU（31）识别附近人体以关闭智能急救箱省电模式；二维码模块（19）通过UART串口与ATmega 2560-16AU（31）通讯实现二维码药物信息读取，从而控制所联接的串行总线舵机（10）的运作；GPS卫星定位模块（29）通过数字与模拟接口与ATmega 2560-16AU（31）联接，实现急救箱GPS位置信息的实时采集；紧急报警按钮（21）经ATmega 2560-16AU（31）联接蜂鸣器（35），从而对报警按钮（21）信号做出现场的物理反馈并实时采集报警信息；激光测距传感器（30）通过数字与模拟接口与ATmega 2560-16AU（31）联接，实现药物数量信息的实时检测与采集；IC卡感应模块（18-2）经ATmega 2560-16AU（31）联接直流吸盘式电磁铁（33），从而实时采集与认证IC卡数据，并控制装有所述电磁铁的主仓门的开合； 所述执行模块（25）中，直流吸盘式电磁铁（33）、串行总线舵机（10）、LED灯（34）、蜂鸣器（35）、智能串口屏（20）的控制线连接于ATmega 2560-16AU（31）的输出端，而串行总线舵机（10）又分别通过机械连接与对应的驱动对象连接。
4.根据权利要求1所述的基于物联网的智能急救箱管理系统，其特征在于：所述云平台维护端（37）由Apollo服务器（39）、MySQL数据库（40）、人工智能算法（41）、维护者监管网页（42）构成；所述云平台维护端（37）中，MySQL数据库（40）分别与微信小程序（43）、ESP8266（32）通讯以接收数据并保存，并与智能算法（41）以及网页端（42）通讯对其提供数据支持，Apollo服务器（39）与ESP8266（32）通讯以收到数据并即时转发到网页端（42）与用户端（38）。
5.根据权利要求1所述的基于物联网的智能急救箱管理系统，其特征在于：所述用户端（38）有微信小程序（43），该微信小程序（43）由“急救箱分布”页面（44）、“急救视频”页面（45）、“我”页面（46）以及“取码拿药”页面（47）组成。
6.一种基于物联网的智能急救箱管理方法，采用根据权利要求1所述的基于物联网的智能急救箱管理系统进行操作，其特征在于其操作步骤如下：
1）分别判断本地系统控制模块（36）是否识别到二维码，本地系统控制模块（36）是否识别到IC卡，报警按钮是否按下或GPS数据是否变更；
2）若识别到二维码或IC卡，则读入信息并访问数据库（40）；若报警按钮按下或GPS数据变更，则直接进入步骤5）；
3）判断数据库内是否存在此信息；
4）若识别的是二维码，且数据库内存在此信息：驱动舵机实现出药；若识别的是IC卡，且数据库内存在此信息：打开主药仓；若不存在，返回步骤1）；
5）确定为急救箱信息变更；
6）分两路传送数据：下述A路用于动态显示，B路用于保留历史；
A：ESP8266（32）向Apollo服务器（39）发送数据变更；Apollo服务器（39）向订阅话题的网页端（42）、微信小程序（43）发送数据；
B：本地系统HTTP访问后台PHP脚本；脚本操作数据库（40）以记录数据变更。
7.根据权利要求6所述的基于物联网的智能急救箱维护方法，其特征在于所述的步骤（6）中的A路径中，ESP8266（32）、微信小程序（43）以及网页端（42）与Apollo服务器（39）的通信采用了MQTT协议，其采用了订阅-发布的机制;Apollo服务器（39）将即时地把收到的动态数据发往网页端（42）与用户端（38），用以实现数据的可视化，避免了客户端主动向服务器请求数据的繁琐过程。
8.根据权利要求6所述的基于物联网的智能急救箱维护方法，其特征在于所述的步骤（6）中的B路径中，ESP8266（32）操作数据库（40）将变更信息保存于数据库（40）中，达到保存历史数据的目的，为网页端（42）和智能算法（41）调取数据提供支持。
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