摘 要：隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展，醫(yī)療物資的高效運(yùn)輸和智能化管理需求逐漸增加。為解決這一問題，設(shè)計(jì)并制作了一款基于STM32的多功能醫(yī)療小車。該小車通過路徑規(guī)劃系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療物資的智能運(yùn)輸，同時(shí)引入了語音識(shí)別技術(shù)提高用戶操作便捷性。通過HC-05藍(lán)牙模塊，小車能夠?qū)⑦\(yùn)送結(jié)果和人員信息實(shí)時(shí)傳輸至移動(dòng)端，實(shí)現(xiàn)高效的運(yùn)輸管理。同時(shí)為確保運(yùn)輸過程的安全性，以MQ-135空氣質(zhì)量傳感器為主體，集成了氣體體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)和自動(dòng)消毒功能，能及時(shí)反饋異常情況。本研究綜合運(yùn)輸效率和醫(yī)療環(huán)境安全，為醫(yī)療物資的智能管理提供了一種全面的解決方案，在家庭和醫(yī)療領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：STM32；多功能醫(yī)療小車；HC-05；MQ-135；路徑規(guī)劃；語音識(shí)別

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）04-00-08

0 引 言

隨著科技的不斷進(jìn)步，醫(yī)療行業(yè)對(duì)于提高醫(yī)療物資運(yùn)輸效率和管理智能化的需求越來越大。國內(nèi)很多醫(yī)院運(yùn)送醫(yī)療物品的方式主要靠人力和電梯來完成，但該方式存在運(yùn)輸效率低、交叉感染風(fēng)險(xiǎn)大、安全性差等諸多弊端[1]。針對(duì)這些問題，本文設(shè)計(jì)了基于STM32的多功能醫(yī)療小車，通過攝像頭模塊和藍(lán)牙模塊使得該小車在自動(dòng)運(yùn)輸、手動(dòng)遙控方面取得了顯著進(jìn)展，大大提高了運(yùn)輸效率。本設(shè)計(jì)還運(yùn)用了先進(jìn)的語音識(shí)別技術(shù)，使用戶能夠以語音方式控制醫(yī)藥盒的開關(guān)，降低了交叉感染的概率。此外，該裝置還配備了體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)功能，用于確保醫(yī)院的空氣質(zhì)量安全。

1 設(shè)計(jì)流程

多功能醫(yī)療小車的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)基于以STM32為核心的嵌入式系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件電路包括攝像頭模塊、語音開關(guān)模塊、空氣質(zhì)量模塊、藍(lán)牙模塊以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等；在軟件層面通過設(shè)計(jì)路徑規(guī)劃算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能小車的移動(dòng)控制，以確保醫(yī)療物資能夠被有效送達(dá)。語音識(shí)別技術(shù)用于對(duì)醫(yī)藥盒的語音控制啟閉，使小車具備智能化特性。

本文采用HC-05藍(lán)牙模塊將小車運(yùn)送結(jié)果和人員信息實(shí)時(shí)傳輸至移動(dòng)端。空氣質(zhì)量模塊實(shí)現(xiàn)了氣體體積分?jǐn)?shù)的自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)消毒功能。在運(yùn)輸過程中，系統(tǒng)能夠反饋空氣狀況，避免出現(xiàn)二氧化碳或有毒氣體體積分?jǐn)?shù)過高等情況。二氧化碳或有毒氣體體積分?jǐn)?shù)過高時(shí)，系統(tǒng)采用自動(dòng)消毒噴灑裝置噴灑消毒液體，有效降低了病毒傳播的風(fēng)險(xiǎn)。小車組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

車輛采用兩驅(qū)坦克底盤。該底盤精致美觀，結(jié)實(shí)耐用，具有靈活的轉(zhuǎn)彎能力、高載重等優(yōu)點(diǎn)。各模塊均被嵌入在車身，通過STM32單片機(jī)協(xié)同工作，確保各功能模塊高效運(yùn)行。

2 STM32單片機(jī)控制系統(tǒng)的介紹

STM32F407VET6是一款由意法半導(dǎo)體出品的32位ARM Cortex-M4內(nèi)核的單片機(jī)。該單片機(jī)的主頻可達(dá)到168 MHz，配備了高速嵌入式閃存和靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，為處理大規(guī)模數(shù)據(jù)和復(fù)雜算法提供了足夠的性能支持[2]。同時(shí)，STM32F407VET6擁有多個(gè)定時(shí)器，如通用定時(shí)器、高級(jí)控制定時(shí)器，以及通用異步收發(fā)器、通用同步收發(fā)器等[3]。這些外設(shè)的集成使得單片機(jī)能夠被廣泛應(yīng)用于定時(shí)、計(jì)數(shù)、通信和生成脈沖寬度調(diào)制（PWM）等場(chǎng)景。

在本設(shè)計(jì)中，STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)板中的攝像頭模塊通過I2C串行通信接口連接到相應(yīng)引腳，并使用GPIO引腳進(jìn)行控制。STM32單片機(jī)能夠接收攝像頭傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行圖像的處理和識(shí)別。同時(shí)，空氣質(zhì)量模塊通過UART串行通信接口連接到單片機(jī)，由其接收、解析和傳輸數(shù)據(jù)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊通過PWM通信接口連接到STM32單片機(jī)，生成相應(yīng)的控制信號(hào)以驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊，實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng)或操作?？諝赓|(zhì)量模塊通過通信接口連接到STM32單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)啟動(dòng)或停止消毒過程。STM32核心板原理如圖2所示。模塊連接電路如圖3所示。

3 雙驅(qū)有刷電機(jī)坦克小車運(yùn)動(dòng)模型的建立

雙驅(qū)有刷電機(jī)坦克小車通常采用兩組電機(jī)和輪子構(gòu)成，其中每組電機(jī)控制一個(gè)主動(dòng)輪，這些輪子相互緊靠并通過履帶連接，從而推動(dòng)坦克小車移動(dòng)。雙驅(qū)有刷電機(jī)坦克小車如圖4所示。

控制兩側(cè)電機(jī)的差異性轉(zhuǎn)速，能夠?qū)崿F(xiàn)小車的多樣化運(yùn)動(dòng)方式。當(dāng)兩側(cè)電機(jī)以相同速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，小車直線前進(jìn)或后退；而若兩側(cè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度不同，則小車轉(zhuǎn)向；若兩側(cè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，則小車原地轉(zhuǎn)動(dòng)。通過精確調(diào)整電機(jī)速度，小車可實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜路徑上的直線運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)。

每側(cè)電機(jī)控制一個(gè)輪子，使得雙驅(qū)有刷電機(jī)坦克小車具有較小的轉(zhuǎn)彎半徑，以提升其在狹小空間內(nèi)的機(jī)動(dòng)性。此外，履帶設(shè)計(jì)中融入了懸掛系統(tǒng)，極大地改善了車輛在不平坦路面上的穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)性能。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)的核心是實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度大小和方向的精準(zhǔn)控制。通過單片機(jī)進(jìn)行比例積分微分（PID）數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理，輸出PWM波形，經(jīng)過電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)小車的動(dòng)態(tài)平衡和穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)[4]。在直流電機(jī)中，調(diào)整電壓極性可以控制電機(jī)的正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整電壓的大小可以控制電機(jī)的速度。電壓增大則電機(jī)轉(zhuǎn)速提升，電壓減小則轉(zhuǎn)速降低。

PWM是一種常見的電機(jī)速度控制技術(shù)。單片機(jī)定期交替提供高電壓和低電壓，通過調(diào)整高電壓的占空比，可以控制輸出的平均電壓值，從而控制電機(jī)的平均速度。為了實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的速度控制，使用編碼器獲取電機(jī)的實(shí)際速度反饋，并應(yīng)用PID閉環(huán)控制算法來調(diào)整電壓，使實(shí)際速度接近期望速度[5]。為了達(dá)到對(duì)目標(biāo)速度的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，需要調(diào)整PID控制器的參數(shù)。PID控制的基本原理在于接收目標(biāo)值與當(dāng)前值之間的差異信號(hào)，并依據(jù)特定的情境算法計(jì)算控制量，隨后利用該控制量的信號(hào)反饋，實(shí)現(xiàn)精確的目標(biāo)控制。MATLAB調(diào)參如圖5所示。

小車的速度和方向確定后，采用姿態(tài)傳感器幫助小車維持特定的姿態(tài)或方向。選用MPU6050陀螺儀作為姿態(tài)傳感器，通過測(cè)量繞x軸、y軸、z軸的角速度，并對(duì)角速度積分得到小車的旋轉(zhuǎn)角度[6]。然而，陀螺儀存在累積誤差。隨著時(shí)間的推移，角度可能產(chǎn)生漂移。為了解決這一問題，將編碼器獲取的電機(jī)速度和陀螺儀測(cè)量的旋轉(zhuǎn)角度相結(jié)合，采用均值濾波器估計(jì)小車的姿態(tài)，使得小車能夠完成更為復(fù)雜的任務(wù)。速度修正原理如圖6所示。

4 小車與移動(dòng)設(shè)備的信息傳輸設(shè)計(jì)

移動(dòng)設(shè)備通過HC-05藍(lán)牙模塊（圖7）與小車的微控制器STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)通信與控制。手柄接收器通過2.4 GHz無線通信方式與小車連接，將手柄的操作信號(hào)傳輸給小車。操作信號(hào)包括控制軸的位置、按鈕的狀態(tài)等。

在小車上連接HC-05藍(lán)牙模塊，并將其與小車的微控制器STM32相連。小車的微控制器解析從移動(dòng)設(shè)備接收到的指令，根據(jù)指令內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的操作。例如，如果收到前進(jìn)的指令，則微控制器控制小車向前移動(dòng)；如果收到停止的指令，則控制小車電機(jī)停轉(zhuǎn)。

在小車上安裝手柄接收器模塊，并將其與小車的微控制器STM32相連；用戶通過手柄操作控制軸和按鈕；手柄接收器接收到信號(hào)后會(huì)傳輸給單片機(jī)。在這個(gè)系統(tǒng)中，用戶通過手柄進(jìn)行操作，手柄將操作信號(hào)編碼為指令，這些指令通過2.4 GHz無線通信方式發(fā)送給小車的STM32主控板。STM32主控板負(fù)責(zé)接收和解析指令，并根據(jù)解析結(jié)果控制小車執(zhí)行相應(yīng)的操作，如前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等。整個(gè)過程中，手柄接收器起到橋梁的作用，負(fù)責(zé)接收手柄發(fā)出的指令并將其傳輸給小車的STM32主控板，實(shí)現(xiàn)了用戶操作與小車動(dòng)作之間的無線通信。手柄接收器原理如圖8所示。

5 空氣質(zhì)量檢測(cè)設(shè)計(jì)

多功能醫(yī)療小車裝有MQ-135半導(dǎo)體空氣質(zhì)量檢測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣質(zhì)量的檢測(cè)功能。MQ-135對(duì)硫化物蒸氣、苯系蒸氣、氨氣等的靈敏度高，同時(shí)對(duì)其他有害氣體的檢測(cè)也較為敏感，適合于多種場(chǎng)合且性價(jià)比較高[7]。傳感器的模擬輸出電壓AOUT輸出模擬信號(hào)。模擬量輸出隨氣體體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，且氣體體積分?jǐn)?shù)越高，輸出電壓就越高[8]。將該模擬量傳送給單片機(jī)，通過單片機(jī)計(jì)算得到空氣中氣體體積分?jǐn)?shù)的近似值。當(dāng)氣體體積分?jǐn)?shù)超過空氣中的閾值（閾值可以通過調(diào)節(jié)傳感器的電位器來改變）時(shí)，數(shù)字輸出引腳DOUT變?yōu)楦唠娖?。將該引腳接信號(hào)燈，則輸出高電平時(shí)信號(hào)燈亮。將模塊上電，即可從指示燈上觀察到空氣中的危險(xiǎn)氣體體積分?jǐn)?shù)是否超標(biāo)。如果有害氣體體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)，指示燈亮起?？諝赓|(zhì)量檢測(cè)模塊原理如圖9所示。

6 電磁鎖智能語音識(shí)別與控制

采用語音識(shí)別技術(shù)控制小車上的醫(yī)藥盒是否開啟。只有當(dāng)用戶說出正確的取藥人姓名時(shí)，系統(tǒng)識(shí)別成功后才會(huì)解鎖電磁鎖，允許用戶取出藥品。本設(shè)計(jì)采用LD3320語音識(shí)別芯片，其具備處理最多50條指令的能力。語音識(shí)別芯片實(shí)現(xiàn)了用戶語音指令的識(shí)別，采用SPI通信協(xié)議將語音識(shí)別結(jié)果傳輸給STM32單片機(jī)。單片機(jī)接收信息后控制醫(yī)藥盒的電磁鎖開閉，有效實(shí)現(xiàn)了醫(yī)藥盒電磁鎖的智能語音識(shí)別與控制。用戶還可以通過修改拼音的方式，調(diào)整語音識(shí)別的詞條[9]。

電磁鎖系統(tǒng)由MOS管驅(qū)動(dòng)模塊和電控鎖組成。通過控制I/O口的高低電平，實(shí)現(xiàn)電磁鎖的開閉。當(dāng)針對(duì)LD3320的一、二級(jí)口令語音識(shí)別正確時(shí)，單片機(jī)的TXD串口會(huì)置高電平，而當(dāng)電磁鎖的I/O/PWM串口置高電平時(shí)，電磁鎖打開。所以只需將單片機(jī)的TXD串口連接電磁鎖的I/O/PWM串口即可。當(dāng)用戶正確說出取藥人姓名時(shí)，電磁鎖會(huì)自動(dòng)彈開，取藥人能夠順利取出藥品；當(dāng)用戶說出無關(guān)人員姓名時(shí)，電磁鎖保持閉鎖狀態(tài)，取藥人無法取出藥品。通過這樣的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電磁鎖的自動(dòng)開閉，為用戶取藥提供了便利。語音識(shí)別模塊原理如圖10所示。

7 數(shù)字識(shí)別與巡線設(shè)計(jì)

為了能夠識(shí)別病房門牌號(hào)，采用機(jī)器識(shí)別技術(shù)從圖像中提取數(shù)字信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)病房門牌號(hào)的自動(dòng)識(shí)別。另外結(jié)合巡線設(shè)計(jì)，車輛可自動(dòng)導(dǎo)航至目標(biāo)病房，提高了醫(yī)療物資的運(yùn)輸效率。

采用OpenMV4攝像頭模塊與機(jī)器視覺識(shí)別算法進(jìn)行數(shù)字識(shí)別與巡線設(shè)計(jì)。OpenMV4是一款集成了OV7725攝像頭芯片，基于MicroPython的嵌入式機(jī)器視覺模塊。該模塊在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)了優(yōu)異的性能，包括直線識(shí)別、歸一化互相關(guān)系數(shù)（NCC）模板匹配以及邊緣檢測(cè)等。

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，由于OpenMV4無法同時(shí)利用threading、concurrent.futures多線程庫和asyncio、curio協(xié)程庫，因此無法同時(shí)進(jìn)行數(shù)字識(shí)別和執(zhí)行巡線代碼?？紤]到醫(yī)院病房位置相對(duì)固定，因此讓小車在OpenMV4完成數(shù)字識(shí)別并將結(jié)果發(fā)送至STM32單片機(jī)后，再執(zhí)行巡線代碼。這樣的設(shè)計(jì)允許單片機(jī)根據(jù)數(shù)字識(shí)別結(jié)果進(jìn)行路徑規(guī)劃，有助于降低小車在行駛過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性。

在數(shù)字識(shí)別方面，通過對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，并利用NCC模板將識(shí)別到的數(shù)字與事先保存的數(shù)字圖片進(jìn)行閾值匹配，以獲取最終結(jié)果，如圖11所示。

在巡線設(shè)計(jì)方面，將圖像劃分為上下左右4個(gè)部分，通過檢測(cè)4個(gè)框內(nèi)是否存在路線來確定路口類型（十字路口、T字型路口、直角彎路口），并根據(jù)識(shí)別結(jié)果按路線行駛。

OpenMV4提供了多種通信接口，包括UART、I2C、SPL等，以便與其他設(shè)備進(jìn)行通信和控制[10]。本設(shè)計(jì)選用UART與微控制器STM32通信。數(shù)字識(shí)別完成后，系統(tǒng)立即執(zhí)行巡線代碼，STM32單片機(jī)負(fù)責(zé)接收巡線信息，將數(shù)字識(shí)別結(jié)果和巡線信息相結(jié)合，從而控制電機(jī)執(zhí)行前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)或停止操作。

8 成果測(cè)試

由于數(shù)字識(shí)別和巡線設(shè)計(jì)的整合旨在提高小車行駛過程中的準(zhǔn)確性和安全性，因此對(duì)OpenMV4在小車導(dǎo)航應(yīng)用中的數(shù)字識(shí)別與巡線控制進(jìn)行了全面驗(yàn)證。為了確保系統(tǒng)的可靠性，對(duì)藍(lán)牙與手柄遙控進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證。此外，還測(cè)試了系統(tǒng)所有的功能模塊，如語音開鎖模塊等。

測(cè)試步驟包括數(shù)字識(shí)別、巡線控制、差速調(diào)試、藍(lán)牙遠(yuǎn)程遙控、語音識(shí)別開鎖以及空氣質(zhì)量檢測(cè)等。

在數(shù)字識(shí)別測(cè)試過程中，模擬了不同數(shù)字場(chǎng)景，通過輸入一系列數(shù)字圖像來測(cè)試系統(tǒng)的識(shí)別準(zhǔn)確性，并執(zhí)行數(shù)字識(shí)別代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本設(shè)計(jì)的識(shí)別準(zhǔn)確率較高，與保存的數(shù)字圖片匹配，符合預(yù)期。數(shù)字識(shí)別畫面如圖12所示。

巡線控制測(cè)試模擬了不同路口的路面情況和線路形狀，通過攝像頭模塊檢測(cè)線路并進(jìn)行車輛方向控制。結(jié)果表明，小車成功根據(jù)巡線信息穩(wěn)定行駛且能避免偏離軌道，確保了系統(tǒng)在各種復(fù)雜環(huán)境中能夠有效巡線。巡線畫面如圖13所示。

在差速調(diào)試測(cè)試中，對(duì)車輛進(jìn)行了一系列速度和方向的變化測(cè)試，檢測(cè)系統(tǒng)是否能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整差速以保持良好的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，當(dāng)比例系數(shù)KP為0.4、積分時(shí)間常數(shù)KI為0、微分時(shí)間常數(shù)KD為0.2時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性最高。通過電機(jī)差速PID調(diào)節(jié)，提高了小車整體運(yùn)動(dòng)控制的精度，使小車能夠靈活應(yīng)對(duì)各種路況。

在藍(lán)牙遠(yuǎn)程遙控測(cè)試中，測(cè)試了遠(yuǎn)程遙控的響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性和安全性。小車在遠(yuǎn)程控制情況下能夠及時(shí)響應(yīng)，確保了遠(yuǎn)程操控的可行性，保證了用戶能夠方便、可靠地遠(yuǎn)程控制車輛。藍(lán)牙控制界面如圖14所示。

在語音識(shí)別開鎖的測(cè)試過程中，測(cè)試了系統(tǒng)對(duì)各種語音指令的識(shí)別率，并確保在不同環(huán)境噪聲條件下，語音識(shí)別功能仍然可靠。語音識(shí)別開鎖測(cè)試驗(yàn)證了醫(yī)藥箱能夠通過語音指令進(jìn)行開鎖等操作，增強(qiáng)了系統(tǒng)的人機(jī)交互性。

在空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊的測(cè)試過程中，首先，使用標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)零點(diǎn)和滿量程來建立一個(gè)可信的基準(zhǔn)；其次，通過模擬不同的氣象條件，驗(yàn)證了檢測(cè)模塊在各種環(huán)境下的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，以及對(duì)污染源變化的迅速響應(yīng)能力，有效保障了小車環(huán)境的安全性。

測(cè)試結(jié)果表明，小車導(dǎo)航系統(tǒng)在數(shù)字識(shí)別、巡線控制、電機(jī)差速PID調(diào)節(jié)、藍(lán)牙手柄通信傳輸、語音識(shí)別開鎖和空氣質(zhì)量檢測(cè)等方面取得了良好的實(shí)際效果。這不僅提升了小車在醫(yī)院環(huán)境下的導(dǎo)航能力，還增強(qiáng)了系統(tǒng)的智能性、實(shí)時(shí)性和安全性，為醫(yī)院內(nèi)部物流運(yùn)輸提供了可靠的解決方案。

9 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32的多功能醫(yī)療小車。該小車結(jié)合語音、通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了路徑規(guī)劃和醫(yī)療物資的智能運(yùn)輸。然而，小車在復(fù)雜環(huán)境中的自主導(dǎo)航仍存在局限性，需要進(jìn)一步優(yōu)化算法和傳感器。同時(shí)，小車可能存在數(shù)據(jù)干擾和誤判等問題，穩(wěn)定性和可靠性需要加強(qiáng)。本研究為醫(yī)療物資運(yùn)輸提供了借鑒，未來需致力于提高小車的導(dǎo)航性能，更好地服務(wù)于醫(yī)療行業(yè)。

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