完整版基于GPRS的智能药品分拣装置设计毕业设计.docx
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完整版基于GPRS的智能药品分拣装置设计毕业设计
基于GPRS的智能药品分拣装置设计
摘要
近年来，人们生活水平不断提高，逐渐出现了许多因为没有合理膳食，也缺乏适量运动引发的慢性常见病。
随着看病人群数量的急剧增多，由于医院药房工作人员要根据病人递给的药单逐个地找药和取药，效率低，所以经常在医院看到这样的情形：
人们在取药的窗口排很长的队伍，等待取药。
本毕业设计针对上述问题，为提高医院药房工作人员的效率，设计实现了一种智能药品分拣装置。
本设计实现的装置由触摸屏、GPRS通信模块、西门子S7-200PLC、药品架等组成。
该智能药品分拣装置可接收医院医疗信息服务器的处方信息，快速指导工作人员找到处方药品，发放给病人，大大缩短了药房工作人员的取药时间，节省了患者等待的时间，并且能够避免在取药过程中人为造成的取错药问题。
关键词：
西门子S7-200PLC触摸屏GPRS通信药品分拣
DesignofanintelligentdrugssortingdevicebasedonGPRS
Abstract
Inrecentyears,people'slivingconditionscontinuetoimprove.Graduallypeoplewhotaketoohighcaloriefoodandlackexercisearesufferingfromsomecommonchronicdiseases.Thenumberofmedicalpeopleisincreasingsharply.Thehospitalpharmacystaffsneedtakemedicineandgetmedicinetoapatientonebyoneaccordingtotheprescriptions.Sotheefficiencyislow.Ofteninthehospitalthelinesofpeoplewhoarewaitingforgettingmedicinearelong.
Inordertosolvingtheaboveproblems,thisdesignproducedanintelligentsortingdevice.Thedeviceiscomposedofatouchscreen,aGPRSDTUmodule,aSIEMENSS7-200PLC,medicinecabinets.Theintelligentsortingdevicecanreceivetheinformationofprescriptionfromthehospitalserver,andquicklyguidethestafftofindthedrugs.Thenthedrugscanbeprovidedtothepatient.Thetimeoftakingmedicinecanbeshortenbyusingthisdevice.Andthewaitingtimeofthepatientcanbesavedtoo.Particularlyduringtheprocessoftakingthemedicine,theproblemoftakingthewrongmedicinecanbeavoided.
Keywords：
SiemensS7-200PLCTouchscreenGPRScommunicationSortingdrugs
目录III
参考文献-1-
致谢-2-
附录-3-
1绪论
1.1课题研究背景及意义
近年来，人们生活水平不断提高，尤其体现在吃上，很多人大鱼大肉，山珍海味，没有进行合理膳食，也缺乏适量运动，一些慢性的常见病，如高血压、高血脂、高血糖等，以及急性的肠胃炎、腹泻等都成了高发病。
看病的数量急剧增多，而医院工作人员要根据病人递给的药单一个一个的找药和取药，效率低，所以经常在医院可以看到这样的情形，人们在取药的窗口排很长的队伍，等待取药。
另外，医院药房的药品种类非常多，摆放分散，药师需要不停奔走取药，是对体力的巨大考验，难免由于疲累会取错药，所以医院药房要2个以上的药师共同确认药品的名称和数量，这又造成了人力的浪费。
因此，为提高医院药房的工作效率，完全有必要设计一种智能药品分拣装置，用以缩短取药人员的工作时间，更重要的是减少人力，节约患者的时间，以及减少在取药过程中人为造成的错误等。
1.2本课题所在研究领域的国内外现状与发展趋势
要提高药品分拣效率，减少人工劳动，配合企事业单位信息化建设，可采用GPRS技术实现药品分拣信息的无线传输，利用工业可编程控制器PLC、人机交互设备触摸屏实现药方信息的解析和显示，并控制点亮待取药品所在药品架格子上的信号灯，提示药房工作人员待取药品所在的位置。
1.2.1国外研究和应用现状
20世纪90年代开始，欧美一些发达国家如德国、美国、英国，还有东亚的一些发达国家如日本、韩国、新加波等，开始进行医院药房的取发药自动化的研究，并研制出了许多与本国医院配套的自动化设备，申请了很多专利技术。
随着网络技术、计算机技术、通信技术、自动化技术的发展，目前已经实现商用的自动化药品分拣设备主要有机械手动式、储药槽式、散装药品分拣式和数控回转式四种。
1.2.2国内研究和应用现状
和发达国家相比，我国在医院药房的药品分拣自动化设备研发上起步较晚。
21世纪初，逐渐有一些大学和科研院所与一些大型医药集团联合开发药品分拣自动化设备。
例如，北京航空航天大学和深圳三九集团联合承担开发了一个国家863计划项目“智能化药房”，已于2004年通过验收。
该智能化药房仅仅是针对三九集团生产的中药饮片和胶囊设计而成的配发药一体的自动化设备，只能供给药店和医院药房用来发放三九品牌的药品，发放量小，应用面窄。
另外，黑龙江省大庆市的三维有限科技责任公司研制成功了一款药房全自动包药机，该设备根据处方将供一顿吃的药片或胶囊自动包入一个药袋内（即单剂量药袋），已申请专利，具有自主知识产权。
与日本、韩国的全自动药品包药机相比，该设备功能强大、价格低，已在国内北方部分三级以上医院的住院部药房推广使用。
1.3本课题研究的内容
本课题设计实现了一种智能化药品分拣装置。
该装置在医院药房取药流程中需实现以下功能：
（1）接收医院医疗信息服务器端的数据中心软件传递的当前病人需取的药品名称、数量、所地位置等相关信息。
（2）在药品架区域的触摸屏上显示需取的相关药品信息，供药房工作人员查看。
（3）控制点亮待取药品所在药品架格子上的信号灯，提示药房工作人员待取药品所在的位置。
（4）取药完成后，灭掉信号灯，发送取药完成的确认信息给医院医疗信息服务器，则完成了一次取药过程。
为了实现以上功能，该装置由通信、显示单元、控制单元及药品架等四个部分组成。
具体完成的工作有：
一、采用厦门才茂公司的工业级无线数据传输终端CM3610PGPRSDTU模块实现药品库存信息的无线传输。
另外，利用花生壳动态域名解析软件模拟建立医院医疗信息服务器，便于测试本智能药品分拣装置的通信功能。
二、采用北京昆仑通态公司的TPC7062K嵌入式一体化触摸屏实现待取药品信息的显示，首先根据该装置显示及控制功能要求确定具体MCGS触摸屏组态方案，编写嵌入式MCGS组态程序，实现药方数据的显示。
三、采用西门子S7-200CPU226PLC控制点亮待取药品所在药品架格子上的信号灯。
所制作的药品架有16格，每一格使用1个指示灯，PLC共需控制16个指示灯。
在编程时控制每个指示灯的亮灭，具体编程内容将在下面的章节进行介绍。
四、药品架制作。
根据设计方案确定药品架的尺寸，然后计算所需的木料数量及木板的面积，购买木料，制作药品架。
五、待前面的所有工作完成后，把触摸屏、PLC、电源、GPRSDTU模块等安装到药品货架上，进行系统调试，验证功能。
2装置的总体设计
2.1基于GPRS无线通信方式的医院药房取药过程的分析
为了提高药品分拣效率，减少人工劳动，配合企事业单位信息化建设，对医院药房拟采用如下取药工作流程，如图2.1所示。
图2.1基于GPRS无线通信方式的药房取药工作流程图
由图2.1可知，病人取药时，事先已根据需要取的药品名称和数量生成一个处方，该处方对应一个唯一的条形码，将该条形码打印好，贴在一个篮子上，交给前台工作人员，前台工作人员用条码扫描枪扫描本篮子上的条形码，将该条形码发送到服务器（蓝牙或wifi无线方式发送），医疗信息服务器根据该条形码检索药品管理数据库，将当前要取的药品名称、数量、所在位置等相关信息通过公网动态IP+域名解析的通信链路发送给药品分拣装置；药品分拣装置接收并显示药品信息，并控制点亮药品架上待取各药品所处位置的信号灯，可使取药人员很快找到待取药品所在位置，取到药品后，取药人员点击“订单确认”按钮，灭掉信号灯，同时输送带自动将药品送到前台，至此一次取药过程完成。
2.2基于GPRS的智能药品分拣装置的总体设计
因服务器、药品输送带、通信链路都是已有的，要实现2.1节中的医院药房取药流程，关键在于智能药品分拣装置的设计制作。
该智能药品分拣装置由电源、通信单元、显示单元、控制单元和药品架组成，结构如图2.2所示。
其中，通信单元由厦门才茂公司的工业级无线数据传输终端CM3610PGPRSDTU模块构成，该模块通过花生壳软件解析的动态域名访问医疗信息服务器，接受服务器下发的药品订单信息并转发该订单信息给显示单元。
显示单元由触摸屏构成，进行通信协议的解析和订单信息显示，并控制PLC（控制单元）的继电器输出，点亮待取药品在药品架上所处位置的灯，以提示工作人员所需取的药品所在地。
图2.2智能药品分拣装置的结构图
3装置的具体设计
智能药品分拣装置的具体工作过程为其通信单元接收到医疗信息服务器发送的药方信息后，由显示单元对数据进行转义处理，把处理好的数据显示在触摸屏上；另外，显示单元还需把处理好的数据发送给PLC，点亮某些待取药品所在货架的指示灯来引导工作人员快速准确取到药品。
整个装置由通信单元、控制单元、显示单元和药品架组成。
以下对这四个部分的设计实现分别进行介绍。
3.1通信单元的设计实现
3.1.1GPRSDTU模块的选用、安装及配置
（1）GPRSDTU模块的选用
通用分组无线业务GPRS（GeneralPacketRadioService），是由移动通信服务运营商提供的2G移动通讯技术的增强版，俗称2.5G，是为日益增长的除语言通信之外的数据通信需求而设计的。
GPRS技术支持不连续的、突发的数据传输,通信的链路不需使用者自己维护，而由服务运营商维护，运营商按用户使用的流量来计费，使用成本低，对少量频繁断续传输的远程数据传输是非常适用的一种无线通信方案。
本毕业设计中智能药品分拣装置需与服务器传输的数据就是间断、量少、频繁的。
GPRS无线网络采用透明传输方式，在传输过程中,GPRS网络就像排球运动中的二传手，不对接收的数据进行任何处理就转发出去,用户可根据自身的具体业务要求设计数据帧格式，提供较大的设计余地。
从GPRS无线网络的以上特点可知:
利用GPRS无线网络实现智能药品分拣,无论是从数据传输效率、数据传输格式,还是后期的系统实施维护都很方便。
本设计中采用了厦门才茂公司的CM3610PGPRSDTU模块，该产品采用工业级设计，工作温度范围达到-40ºC～+85ºC，采用高速高性能的工业级ARM9嵌入式处理器，超大内存，内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈，为实现本智能药品分拣装置的通信功能提供高速、稳定、数据终端永远在线、多种协议转换的虚拟专用网络。
（2）GPRSDTU模块的安装
厦门才茂公司的CM3610PGPRSDTU模块的接口如图3.1所示。
安装SIM卡时从天线同侧的插孔插入，插入时将SIM卡的金属接触面朝上放入SIM卡座，在将SIM卡座插入插孔后，可试图拔出SIM卡座，如果不能直接拔出即确认SIM卡座完全插入。
取出SIM卡座时，需用大头针等尖头小金属件按SIM卡插孔左侧黄色小按钮，SIM卡座即可弹出。
图3.1CM3610PGPRSDTU的接口图3.29针串口
如图3.2所示，DTU用户数据接口采用9针串口，RS232标准，公头。
连接好串口线并检查无误后，连接天线，放入已开通GPRS数据业务的SIM卡，接通9V的直流电源，DTU上的PWR指示灯长亮，表明DTU已通电。
在设备连接到网络后Online指示灯闪烁，连接上服务器后即常亮，表示DTU正常工作。
如果ACT灯闪烁表示用户数据接口有数据输入/输出。
安装时需注意：
上电前，务必确认DTU连接好天线、串口线和插好SIM卡。
（3）GPRSDTU模块的配置
安装好DTU模块后，需对DTU进行配置。
具体配置步骤如下：
a、用串口线将DTU的串口和电脑的串口连接起来，并注意所连的电脑串口编号。
b、打开“厦门才茂DTU配置软件V544.exe”（可从厦门才茂公司的官网下载），并打开此程序。
程序界面如下图3.3所示。
在“产品型号选择区域”中，“类型”选择为“DTU”，“型号”选择为“CMxx60（P_EP）”。
在串口参数设置区域选择相应的串口号，把波特率配置为115200bps，数据位为8，校验位为NONE，停止位为1，流控制为NONE。
单击“打开”按钮以打开串口。
图3.3配置软件界面图3.4读取配置参数界面
c、根据软件提示给DTU上电，直到提示“读取配置参数：
成功！
”就可以对参数进行配置了，如图3.4所示。
d、将配置页面切换到“快速配置参数”，如图3.5所示。
将主中心地址和备份中根据与DTU相连接的下位机（和DTU相连的设备）设备的串口实际波特率、校验位、数据位、停止位和流控制参数值，来一一对应配置DTU的波特率、校验位、数据位、停止位和流控制。
本装置中DTU连接的下位机是MCGS触摸屏，其串口波特率是9600BPS，数据位为8，校验位为NONE，停止位为1，流控制为NONE。
设备ID号是用户自定义的8e、修改完相应的参数后，点击图3.3所示功能按钮区域的“保存配置参数”按钮保存修改的参数，日志窗口提示“保存配置参数：
成功！
”就配置完成了，如图3.6所示。
配置完这些参数后就可以连接服务器进行测试了，具体测试过程在后续3.1.4中介绍。
图3.5快速配置参数界面图3.6保存配置参数界面
3.1.2模拟医疗信息服务器的建立
（1）无固定公网IP地址的服务器搭建方案介绍
由于本装置的DTU所在的GPRS网络是外网，而所使用的服务器在学校的内网，DTU要和服务器之间能够通讯需要做端口映射。
端口映射是把外网主机的IP地址的一个端口映射到内网中一台机器，当用户访问该IP的这个端口时，服务器自动将请求映射到对应局域网内部的机器上。
[9]
通俗来讲，端口映射是将一台主机的内网（LAN）IP地址映射成一个公网（WAN）IP地址，当用户访问提供映射端口主机的某个端口时，服务器将请求转移到本地局域网内部提供这种特定服务的主机；利用端口映射功能还可以将一台外网IP地址机器的多个端口映射到内网不同机器上的不同端口。
[9]
通常端口映射可以在路由器上完成，现在的路由器基本上都带有端口映射的功能。
一般情况下通过路由进行端口映射可以满足要求，但是学校的网是有几级路由构成的，需要在每一级的路由都进行映射，显然不可能完成。
因此使用了花生壳动态域名解析软件来解决这个问题。
（2）利用花生壳软件搭建服务器
花生壳是完全免费的桌面式域名管理和动态域名解析（DDNS）等功能为一体的客户端软件。
用户无需通过IE浏览器，直接通过客户端使用上海贝锐信息科技有限公司所提供的各项服务，用户操作界面清晰简单。
互联网上各设备是通过IP地址进行访问的，作为校园网用户只能获得动态IP地址。
但是租用静态IP地址费用很高，动态IP+花生壳动态IP域名解析软件可以解决这个难题，通过花生壳软件的动态IP域名解析，无论IP如何变化，都能通过客户端上的域名来实时访问。
在本装置的设计调试阶段，申请了免费试用一个月的名额，在这方面是零成本，后续商用推广可长期租用该域名解析服务，所花的成本不到拉条专线，租个静态IP地址的百分之一。
下面介绍具体的服务器搭建步骤。
a、首先去花生壳官网去下载一个新花生壳软件，并且安装好软件后去注册护照，就是注册一个用户名。
用该用户名登陆花生壳，如图3.7所示。
登陆后界面如图3.8所示。
图3.7登陆花生壳软件界面图3.8成功登陆后的界面
断”两个菜单，如图3.9所示。
点击“新花生壳管理”菜单，出现新花生壳管理的界面，如图3.10所示。
图3.9选择新花生壳管理的界面图3.10添加映射界面
c、点击“添加映射”菜单，在添加映射的界面，输入应用名称、主机IP以及端口号等信息如图3.11所示。
点击“确定”按钮完成映射，如图3.12所示。
图3.11填写映射信息界面图3.12映射完成界面
由于花生壳映射需要静态的IP地址，而所用的路由器原先是自动获取IP地址的，分配的是动态的IP地址，造成每次IP地址变化后，都需在花生壳客户端重新进行映射信息设置，增加了不必要的麻烦。
因此把服务器的IP设置成固定的内网IP地址192.168.1.124。
另外，还要在路由器的动态DNS中填入花生壳软件的域名，在浏览器中输入192.168.1.1，进入路由设置如图3.13所示，输入花生壳域名信息后点击保存。
接下来登陆花生壳软件看看是否已经开始工作，在花生壳软件成功登陆后的界面上右击
图3.13路由器动态DNS配置界面图3.14选择域名诊断的界面
点击“域名诊断”菜单，诊断信息如图3.15所示。
从诊断信息可以看出映射已经成功，再检查一下通道是否已经连通。
可在任一台外网电脑中找到命令提示符，输入命通道已经连通，现在就可以从外网访问内网的服务器了。
图3.15域名诊断图3.16通道测试
3.1.3服务器和装置之间双向通信的协议约定
（1）Modbus通信模式的选择
Modbus协议是适用于串口通讯的一种工业通用标准协议。
现在一些智能的工业仪器仪表都允许通过Modbus协议与上位机通信，上传采集的数据，或从上位机下发控制命令。
由于Modbus协议开放免费，数据帧格式简单，Modbus协议在工业控制行业被很多厂商采用，各种检测仪表、控制器等可以通过RS-232、RS-422、RS-485等串口或RJ45等以太网口连成工业网络，进行集中监控，组成现场总线控制系统。
标准Modbus协议有ASCII（美国标准信息交换代码）模式和RTU（远程终端设备）模式，各自的数据帧格式分别如图3.17和3.18所示。
图3.17ModbusASCII模式的数据帧格式
图3.18ModbusRTU模式的数据帧格式
由图3.17和3.18可知，MODBUSASCII协议拥有开始和结束标记，而MODBUSRTU却没有，所以采用ASCII协议的设备对数据包的处理更加方便。
MODBUSASCII协议的数据的都是可见的ASCII字符，其用于校验的LRC算法也比较简单，这些都是MODBUSASCII的优点。
但也正是由于它传输的都是可见的ASCII字符，用RTU传输的数据只需一个字节，用ASCII传输的话就要把这个字节拆分为两个字节，比如RTU传输一个十六进制数0xF9，ASCII就需要传输字符'F'和字符'9'，所以它的传输效率低。
因此，如果需要传输的数据量较小可以考虑使用ASCII协议，如果所需传输的数据量比较大，考虑使用RTU协议。
根据MODBUS的ASCII和RTU两种模式的上述区别，结合本装置在病人较多时需考虑传输效率的特点，所以选用RTU模式。
需要注意的是，处于一个Modbus网络上的所有设备必须选择相同的传输模式和串口参数。
（2）Modbus通信内容的约定
为了便于测试，在服务器和本装置之间约定了遵循ModbusRTU格式的通信编码，每组编码对应一个药方，在本装置侧，只要解析服务器发送来的药方编码即可。
这样有助于数据的快速传输，减少数据的发送量，达到快速响应的目的。
服务器和本装置的DTU模块之间按照Modbus协议，主设备服务器发起数据请求，从设备DTU根据从主设备接收到的数据执行相应的操作。
主设备对从设备发起的请求由不同的功能码进行定义。
常用的MODBUS功能码有：
01保持线圈状态、02读输入线圈状态、03读保持寄存器、04读输入寄存器、05写单个线圈、06写单个寄存器、15写多个线圈、16写多个寄存器等。
为了便于利用模拟的医疗信息服务器进行药方数据的传输测试，使得在服务器数据中心只发送一帧数据，本装置就能验证通信、显示及控制等功能，所以在医疗信息服务器侧对每个药方进行编号，约定了1、2、3一共3种药方的编码，服务器按照ModbusRTU协议的格式发送1或2或3给DTU模块，DTU转发给MCGS触摸屏，协议格式如表3.1所示，由设备地址、命令字、16位的寄存器地址、16位的发送数据、16位的CRC校验码组成。
表3.1ModbusRTU协议格式
名称
设备地址
命令字
寄存器高8位
寄存器低8位
发送数据高8位
发送数据低8位
CRC校验高8位
CRC校验低8位
举例
00
06
00
03
00
01
B9
DB
表3.1中，第二行数据000600030001是对设备0的4区寄存器的0003通道写入1。
需注意的是MODBUS协议要求有效数据末尾带2字节的CRC校验码，因此对000600030001计算CRC校验码，并填在末尾，实际发送的控制指令为000600030001B9DB。
当取药完成被确认后，服务器会对本装置返回的信息进行读取，以此来判断取药是否完成，更新病人的医疗信息和药品的库存信息。
3.1.4通信单元的通信测试
图3.19通信原理图
根据图3.19，搭建测试才茂DTU模块的软硬件平台。
采用一台联想启天M7170台式电脑作为服务器，在该服务器上运行厦门才茂公司提供的数据中心DEMO软件（厦门才茂公司网站上下载）。
将之前配置好的DTU通过串口线和电脑连接，然后将已经注册好的花生壳软件在服务器端的电脑上运行，并且测试花生壳是否映射成功，映射是否成功的测试过程已在3.1.2节中介绍过。
接下来主要介绍本装置和模拟医疗信息服务器之间的药方信息通信测试过程。
首先将服务器所处的内网IP地址配置为192.168.1.22，所处的外网IP地址配置为125.77.218.76，路由器的内网IP为192.168.1.10。
在服务器端打开厦门才茂公司提供的数据中心软件，在参数设置对话框中配置服务端口为16001，如图3.20所示。
配置完成后单击“启动”，如图3.21所示。
图3.20设置端口号界面3.21启动数据中心界面
如图3.22所示，出现“启动接收线程成功，系统就绪”的提示后，表明数据中心开启了。
大约2~3分钟后，DTU就会自动连接到数据中心，如图3.23所示。
图3.22数据中心启动图3.23数据中心
因为本装置的显示单元（MCGS触摸屏）通
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