基于多線程消息框架的智能藥房控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳文超，王鵬飛，陳一凡，王 瑞，葉 敏，瞿 寧

(上海無線電設(shè)備研究所,上海 200090)

0 引言

目前，信息技術(shù)在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域已經(jīng)得到了較普遍的應(yīng)用[1-3]，各種規(guī)模的醫(yī)院一般部署了HIS(醫(yī)院信息系統(tǒng))，這使得醫(yī)院中對(duì)各類信息的管理效率得到了大大的提高。發(fā)藥環(huán)節(jié)是影響工作效率提高的一個(gè)瓶頸環(huán)節(jié)，多數(shù)醫(yī)院目前還是使用手工方式進(jìn)行發(fā)藥操作，速度慢、工作強(qiáng)度大并且易產(chǎn)生錯(cuò)誤[4-7]。具有高度自動(dòng)化的智能藥房系統(tǒng)[8-10]較好地彌補(bǔ)了這方面的不足, 它將處方發(fā)藥操作由軟件系統(tǒng)控制，由基于嵌入式平臺(tái)的自動(dòng)化機(jī)件系統(tǒng)完成操作, 速度快、準(zhǔn)確率高并且容易維護(hù)。智能藥房系統(tǒng)大大提高醫(yī)療機(jī)構(gòu)的工作效率，是構(gòu)建現(xiàn)代醫(yī)療機(jī)構(gòu)的一個(gè)必然的發(fā)展方向[11-12]。

目前智能藥房自動(dòng)化設(shè)備形式主要有機(jī)械手式、存儲(chǔ)藥槽式、散裝藥品式、回轉(zhuǎn)柜式等方式[13- 17]，主要通過運(yùn)動(dòng)控制卡，PLC，CPLD，數(shù)控系統(tǒng)等傳統(tǒng)控制方式[18-19]，系統(tǒng)存在功能較為簡單，拓展性不足、智能化程度不夠的缺點(diǎn)。本文提出一種模塊化多線程消息機(jī)制軟件框架[20-21]，基于Windows進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以解決智能藥房控制系統(tǒng)上訴不足。

1 智能藥房系統(tǒng)組成

智能藥房系統(tǒng)包含的主要硬件有機(jī)架機(jī)構(gòu)，工控機(jī)，發(fā)藥控制模塊，一體式步進(jìn)電機(jī)，可編程伺服電機(jī)，IO控制板及相應(yīng)的傳感器、執(zhí)行器。智能藥房系統(tǒng)由3大模塊組成：發(fā)藥模塊、上藥模塊和左、右出藥模塊，通過工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)藥房各個(gè)模塊的控制。系統(tǒng)硬件模塊組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件模塊組成

發(fā)藥模塊實(shí)現(xiàn)藥品的發(fā)出功能，主要由發(fā)藥電控模塊，傳輸皮帶和安全門電機(jī)構(gòu)成，其中，發(fā)藥電控模塊通過CAN總線與工控機(jī)通信，接收工控機(jī)的指令實(shí)現(xiàn)發(fā)藥動(dòng)作，使得藥品從藥槽中滑出，并掉落在皮帶上方，此時(shí)通過控制皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)將藥品傳輸?shù)匠鏊幠K。上藥模塊實(shí)現(xiàn)藥品入庫功能，主要由上藥臺(tái)、龍門和機(jī)械手組成，機(jī)械手整體位于龍門移動(dòng)軸上，通過龍門X，Z軸的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到指定的上藥槽或儲(chǔ)藥槽。上藥平臺(tái)、龍門和機(jī)械手采用電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過RS485總線與工控機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。出藥模塊由左右兩個(gè)提升機(jī)及傳輸皮帶組成，將藥品最后輸送到指定的窗口，并提示用戶取藥。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 開發(fā)環(huán)境

智能藥房控制系統(tǒng)采用Labview開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)[21]，其采用G編程語言結(jié)合圖形化界面，提供豐富的對(duì)外通信接口和工具，能夠一定程度降低系統(tǒng)的開發(fā)難度，大大加快軟件系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)展。

2.2 任務(wù)劃分

智能藥房控制系統(tǒng)主要有外部接口通信，上藥功能，發(fā)藥功能，出藥功能，其中外部接口通信為背景后臺(tái)運(yùn)行，負(fù)責(zé)響應(yīng)外部系統(tǒng)的任務(wù)指令。出于軟件模塊化以及開發(fā)調(diào)試簡化的考慮，上藥功能，發(fā)藥功能，出藥功能設(shè)計(jì)為獨(dú)立并行運(yùn)行模塊，以保證在進(jìn)行外部發(fā)藥任務(wù)時(shí)，藥房控制系統(tǒng)仍然有能力響應(yīng)上藥指令動(dòng)作以及實(shí)現(xiàn)左右兩個(gè)出藥機(jī)構(gòu)的同時(shí)運(yùn)行，增加智能藥房系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

2.3 模塊及線程分配

根據(jù)智能藥房的模塊與功能組成，并考慮到各模塊之間的并發(fā)和開發(fā)調(diào)試方面的獨(dú)立性，軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，將智能藥房控制系統(tǒng)分為TCP通信模塊、藥倉模塊、左提籃機(jī)模塊、右提籃機(jī)模塊、上藥綜合模塊、配置數(shù)據(jù)管理模塊以及主程序。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各模塊均嵌入到主程序模塊，主程序模塊不實(shí)現(xiàn)具體的功能，完成對(duì)各子模塊的綜合調(diào)度，各子模塊均可獨(dú)立運(yùn)行和調(diào)試，單獨(dú)實(shí)現(xiàn)各子模塊特有的功能，軟件開發(fā)時(shí)，可對(duì)各子模塊進(jìn)行同步開發(fā)，節(jié)約開發(fā)時(shí)間。

子模塊和主模塊均采用生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式多線程消息架構(gòu)，各模塊之間可實(shí)現(xiàn)靈活的功能調(diào)用，便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的流程設(shè)計(jì)。

根據(jù)2.2節(jié)進(jìn)行的任務(wù)劃分，智能藥房控制系統(tǒng)包含有TCP通信模塊，上藥模塊，發(fā)藥模塊，左出藥模塊，右出藥模塊，主程序模塊以及配置數(shù)據(jù)管理。

模塊框架如圖2所示，TCP通信模塊接收藥房數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(上位機(jī))下發(fā)的指令后，將指令解析后傳送到下位機(jī)主程序，主程序根據(jù)指令內(nèi)容按照順序進(jìn)行進(jìn)一步解析，將解析后的動(dòng)作序發(fā)送到向上藥模塊、發(fā)藥模塊、左出藥模塊、右出藥模塊，進(jìn)而通過相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行藥品的進(jìn)出操作，在完成藥品進(jìn)出操作后，再向TCP通信模塊發(fā)出調(diào)用指令，通過TCP通信模塊向上位機(jī)回饋指令的執(zhí)行情況。系統(tǒng)各模塊均為獨(dú)立運(yùn)行的狀態(tài)，上藥、發(fā)藥動(dòng)作可同步進(jìn)行動(dòng)作。

圖2 模塊關(guān)系框架

2.3.1 TCP通信模塊

如圖3所示，TCP通信模塊包含界面事件線程、TCP通信線程、指令執(zhí)行線程3個(gè)線程。其中界面事件線程用于調(diào)試使用，通過界面事件觸發(fā)執(zhí)行特定的指令發(fā)送。界面事件線程用于調(diào)試，發(fā)出TCP發(fā)送指令的指令以及向外部系統(tǒng)發(fā)送TCP指令；TCP接收與解析線程用于接收TCP指令，并將TCP指令解析成對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)指令，通過隊(duì)列消息傳送到指令執(zhí)行線程，最后指令執(zhí)行線程執(zhí)行指令將指令通過隊(duì)列消息發(fā)送到主程序。

圖3 TCP通信模塊設(shè)計(jì)

2.3.2 主程序模塊

如圖4所示，主程序模塊包含界面事件線程、指令執(zhí)行線程以及后臺(tái)監(jiān)控線程3個(gè)線程。其中界面事件線程用于調(diào)試使用，用于進(jìn)行上藥、發(fā)藥、出藥、盤點(diǎn)等指令的手動(dòng)調(diào)試以及作為控制系統(tǒng)其它模塊的啟動(dòng)接口，便于實(shí)現(xiàn)多模塊的聯(lián)合調(diào)試。指令執(zhí)行線程執(zhí)行對(duì)應(yīng)的程序指令，將相應(yīng)的模塊指令通過隊(duì)列消息下發(fā)到各個(gè)模塊，模塊指令的內(nèi)容從文件讀取，需要執(zhí)行的指令來自主程序調(diào)試界面或者TCP通信模塊的消息。后臺(tái)監(jiān)控線程執(zhí)行外部門開傳感器監(jiān)控，模塊報(bào)警監(jiān)控，并執(zhí)行監(jiān)控到異常后的相應(yīng)動(dòng)作功能。

圖4 主控模塊設(shè)計(jì)

2.3.3 上藥、發(fā)藥、左右出藥模塊

模塊軟件架構(gòu)與前文所訴主控模塊、TCP通信模塊相同，上藥模塊、發(fā)藥模塊、左出藥模塊、右出藥模塊均包含界面事件線程，指令執(zhí)行線程以及后臺(tái)監(jiān)控線程3個(gè)線程。其中界面事件線程用于調(diào)試使用，用于進(jìn)行上藥、發(fā)藥、出藥、盤點(diǎn)、單步動(dòng)作等指令的手動(dòng)調(diào)試。指令執(zhí)行線程執(zhí)行對(duì)應(yīng)的程序指令，將相應(yīng)的動(dòng)作指令進(jìn)行進(jìn)一步解析為硬件控制命令序列，控制電機(jī)、繼電器等電控單元。模塊指令的內(nèi)容從配置文件讀取，需要執(zhí)行的指令來自主程序消息或者下位機(jī)人機(jī)交互界面。后臺(tái)監(jiān)控線程執(zhí)行外檢測傳感器，電機(jī)控制器監(jiān)控，并將監(jiān)控到的狀態(tài)顯示到界面上。

2.3.4 配置數(shù)據(jù)管理模塊

配置數(shù)據(jù)管理模塊包含界面事件線程，指令執(zhí)行線程兩個(gè)線程。其中界面事件線程用于調(diào)試使用，用于文件讀取或?qū)懭霑r(shí)的手動(dòng)調(diào)試。指令執(zhí)行線程執(zhí)行對(duì)應(yīng)的程序指令，從磁盤讀或者寫相應(yīng)的配置文件，并將結(jié)果顯示到界面上，需要執(zhí)行的指令來自主程序消息或者配置數(shù)據(jù)管理界面。配置數(shù)據(jù)管理相關(guān)的文件主要有程序運(yùn)行的配置文件以及生成的日志文件兩大類。

2.4 上位機(jī)接口協(xié)議設(shè)計(jì)

上位機(jī)接口屬于通信協(xié)議，通常采用的通信指令采用XML進(jìn)行表達(dá)[16]，協(xié)議具有較強(qiáng)的可讀性和拓展性，可以實(shí)現(xiàn)基本類型和自定義類型及其類型數(shù)組的表征，并且自帶語義及結(jié)構(gòu)，解析相對(duì)簡單。

以藥倉發(fā)藥指令為例，其指令設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 指令設(shè)計(jì)說明(機(jī)械手上藥)

指令示例如下：

機(jī)械手ID

…

3 控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)按照模塊設(shè)計(jì)開發(fā)，運(yùn)行過程中各模塊通過消息機(jī)制進(jìn)行通信，并根據(jù)消息內(nèi)容執(zhí)行響應(yīng)的指令。消息傳遞的過程如圖5所示。首先TCP通信線程后臺(tái)接收上位機(jī)TCP信息，解析指令后，發(fā)送消息到TCP執(zhí)行指令線程，TCP執(zhí)行指令線程收到消息后，關(guān)聯(lián)主程序指令，發(fā)送消息到主程序動(dòng)作調(diào)度線程，主程序動(dòng)作調(diào)度線程接收到消息后，進(jìn)一步解析為相應(yīng)的子模塊動(dòng)作線程指令，并通過消息發(fā)送到子模塊消息隊(duì)列，由子模塊執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作序列。

圖5 消息傳遞過程

3.1 TCP通信模塊

模塊運(yùn)行過程如圖6所示。TCP通信線程過程為：線程創(chuàng)建后，完成通信連接建立，初始化相關(guān)的狀態(tài)變量。其后線程切換到監(jiān)控TCP端口，當(dāng)接收到TCP信息后，對(duì)指令進(jìn)行解析，并根據(jù)指令內(nèi)容向執(zhí)行指令線程發(fā)送消息，通知執(zhí)行指令線程執(zhí)行具體的動(dòng)作；當(dāng)接收到停止指令時(shí)，將進(jìn)行結(jié)束線程的動(dòng)作，并向執(zhí)行指令線程發(fā)送結(jié)束指令，最終結(jié)束整個(gè)系統(tǒng)。

圖6 TCP通信線程和TCP指令執(zhí)行線程工作流程

為了盡可能實(shí)現(xiàn)功能上的解耦，并沒有直接通過TCP通信線程向主程序線程發(fā)送消息，而是通過TCP指令執(zhí)行線程進(jìn)行發(fā)送，主要目的將TCP消息接收和向主程序發(fā)送任務(wù)消息的動(dòng)作解耦，便于通過界面事件(第三方)向指令執(zhí)行線程發(fā)送消息，達(dá)到執(zhí)行相應(yīng)主程序指令的目的。同時(shí)，確保了TCP通信線線程和指令執(zhí)行線程代碼結(jié)構(gòu)的簡單，便于維護(hù)和拓展新功能。

TCP通信模塊的主要功能包括將接收到的通信數(shù)據(jù)顯示在界面上以及手動(dòng)將特定的指令向外發(fā)送。單步執(zhí)行界面為執(zhí)行通信協(xié)議所定義的指令，即在上位機(jī)未參與的情況下，實(shí)現(xiàn)向外發(fā)布協(xié)議中相應(yīng)的指令，主要為了實(shí)現(xiàn)模塊的獨(dú)立調(diào)試。調(diào)試步驟類似于日志功能，用于記錄調(diào)試過程中產(chǎn)生的所有步驟的信息，用于對(duì)動(dòng)作流程以及時(shí)序進(jìn)行分析和優(yōu)化，以及排查有可能出現(xiàn)的異常。

3.2 主程序模塊

主程序模塊包括界面線程、主程序動(dòng)作調(diào)度線程和后臺(tái)監(jiān)控共3個(gè)線程，其中主程序動(dòng)作調(diào)度線程的運(yùn)行過程如圖7所示。

圖7 TCP指令執(zhí)行線程和主程序調(diào)度線程工作流程

首先，主程序初始化，啟動(dòng)所有子模塊線程，并初始化相關(guān)的程序內(nèi)部變量，啟動(dòng)完成后，主程序動(dòng)作調(diào)度線程監(jiān)控消息隊(duì)列中是否接收外部消息。當(dāng)接收到外部消息后，若非停止消息并且消息相關(guān)的子模塊處于就緒狀態(tài)，則向子模塊發(fā)送動(dòng)作執(zhí)行消息，并重新監(jiān)控是否收到外部消息；若為停止消息，則向子模塊發(fā)送停止消息，并停止本模塊；若相關(guān)的子模塊處于非就緒狀態(tài)，主程序動(dòng)作調(diào)度線程將進(jìn)行等待，直到子模塊就緒，再向子模塊發(fā)送動(dòng)作執(zhí)行消息。

主程序的主要功能有：彈出子模塊，方便進(jìn)行子模塊的調(diào)試工作，直接通過界面對(duì)智能藥房功能動(dòng)作進(jìn)行調(diào)試，而不依賴于上位機(jī)系統(tǒng)，提高調(diào)試效率。

3.3 上藥、出藥、發(fā)藥模塊

上藥、出藥、發(fā)藥模塊為智能藥房控制系統(tǒng)的底層模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行直接操作，完成相應(yīng)的動(dòng)作功能。執(zhí)行過程如圖8所示。軟件啟動(dòng)時(shí)，子模塊動(dòng)作線程啟動(dòng)，并進(jìn)行初始化，隨即監(jiān)控相關(guān)的消息隊(duì)列，當(dāng)收到消息后，子模塊執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，執(zhí)行完成后，從消息隊(duì)列按順序拉取下一條指令，直到全部指令執(zhí)行結(jié)束。當(dāng)子模塊接收到停止消息時(shí)，將直接退出線程，并關(guān)閉子模塊。

各模塊實(shí)現(xiàn)均按照相同的框架完成，上藥模塊、出藥模塊、發(fā)藥模塊界面設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 主程序調(diào)度線程和子模塊執(zhí)行線程工作流程

上藥模塊由上藥平臺(tái)、龍門以及機(jī)械手組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊相關(guān)的電機(jī)控制、傳感器數(shù)據(jù)采集。主要功能有電機(jī)調(diào)試、傳感器調(diào)試、標(biāo)定功能調(diào)試、單步調(diào)試等。調(diào)試時(shí)以界面事件為載體，向子模塊動(dòng)作線程(上藥龍門機(jī)械手執(zhí)行線程)發(fā)送消息，實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)步驟的調(diào)試過程。

出藥模塊包括左提籃機(jī)和右提籃機(jī)，由于左右出藥模塊同步出藥的需求，將該功能分為左提籃機(jī)和右提籃機(jī)兩個(gè)模塊。出藥模塊僅由電機(jī)組成，主要功能為電機(jī)調(diào)試。調(diào)試時(shí)以界面事件為載體，向子模塊動(dòng)作線程(例如右提籃機(jī)動(dòng)作執(zhí)行線程)發(fā)送消息，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)相關(guān)功能的調(diào)試過程。

發(fā)藥模塊主要實(shí)現(xiàn)藥倉的參數(shù)設(shè)置與保存，硬件相關(guān)動(dòng)作(復(fù)位、發(fā)藥、老練等)的調(diào)試。

3.4 配置數(shù)據(jù)管理模塊

軟件設(shè)計(jì)上為了隔離開發(fā)和調(diào)試的過程，將智能藥房位置相關(guān)、動(dòng)作相關(guān)、軟件設(shè)定相關(guān)的參數(shù)均做成了可配置的形式，配置數(shù)據(jù)管理模塊對(duì)程序所有的配置數(shù)據(jù)進(jìn)行了匯總，并予以顯示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

智能藥房控制系統(tǒng)基于消息對(duì)子模塊系統(tǒng)進(jìn)行控制，消息內(nèi)容通過參數(shù)配置調(diào)試界面輸出，可詳細(xì)的顯示智能藥房控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，例如實(shí)際運(yùn)行步驟順序和耗時(shí)等相關(guān)信息。調(diào)試過程可根據(jù)相關(guān)信息，分析故障原因，并優(yōu)化智能藥房控制參數(shù)，提高系統(tǒng)效能。

為驗(yàn)證智能藥房控制系統(tǒng)實(shí)際效能，對(duì)智能藥房控制系統(tǒng)做了單藥單發(fā)藥實(shí)驗(yàn)，多藥單發(fā)藥實(shí)驗(yàn)和上藥實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果如表2～4所示。智能藥房發(fā)藥綜合時(shí)間與藥品發(fā)藥頻次和藥品位置有關(guān)。本文描述的智能藥房具體情況如下：1)包含3個(gè)模塊化的藥倉，每個(gè)藥倉有16層，每層包含13～15個(gè)藥槽編號(hào)；2)上藥模塊包含2條上藥軌道和2個(gè)緩存軌道，可一次性完成8盒藥品的上藥動(dòng)作；3)包含6個(gè)出藥口。實(shí)際控制發(fā)藥時(shí)，根據(jù)被發(fā)藥品的位置，會(huì)自動(dòng)選擇藥品的出藥位置，以減少發(fā)藥時(shí)間。

對(duì)于單個(gè)藥單進(jìn)行發(fā)藥，發(fā)藥實(shí)驗(yàn)取最高層藥槽、最底層藥槽、最左藥倉、最右藥倉、單盒、多盒、單藥單、多藥單等情況進(jìn)行測試，發(fā)藥時(shí)間介于4.5～11.6 s之間，單種藥品數(shù)量越多，發(fā)藥位置越高，發(fā)藥位置距離藥籃越遠(yuǎn)，發(fā)藥時(shí)間越長。單個(gè)藥單的平均發(fā)藥時(shí)間為8 s左右。

對(duì)于多個(gè)藥單進(jìn)行發(fā)藥，由于發(fā)藥時(shí)左右出藥口出藥過程是并行的，平均單個(gè)藥單的發(fā)藥時(shí)間為7 s左右。

上藥耗時(shí)和藥品目標(biāo)槽位與上藥模塊的距離相關(guān)，距離越近，上藥時(shí)間越短，單次上藥平均時(shí)間為7.6 s，即0.95 s/盒。

表2 單藥單發(fā)藥過程測試結(jié)果

表3 多藥單發(fā)藥過程測試結(jié)果

表4 上藥過程測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文介紹了智能藥房控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，提出了一種基于消息的模塊化、多線程控制軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)，在自動(dòng)化設(shè)備控制系統(tǒng)開發(fā)有較好的可復(fù)用性。

根據(jù)本智能藥房在醫(yī)院的使用情況來看，智能藥房控制系統(tǒng)的模塊性強(qiáng)，安裝維護(hù)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，對(duì)醫(yī)院藥房工作人員的工作效率提升明顯，具有較大的應(yīng)用前景。