基于智能控制技术的芬太尼类药物专用智能柜

0 引 言

在全球范围内，药品安全管理一直是医疗行业面临的重要挑战之一，尤其是对于高值、高危药物如芬太尼类麻醉药品的管理。芬太尼类药物因其强效镇痛作用，广泛应用于手术和慢性疼痛治疗，但其潜在的滥用风险和非法流通问题也引起了广泛关注。近年来，随着全球药品滥用问题的加剧，各国政府和医疗机构对芬太尼类药物的管控要求日益严格。中国作为全球最大的药品生产和使用国之一，也在不断加强药品管理的法规和标准，尤其是《麻醉药品和精神药品管理条例》的修订，进一步强化了对芬太尼类药物的全程追溯和安全管理要求。

在医疗机构中，传统的药品管理方式主要依赖人工操作和纸质记录，存在诸多问题。例如，人工操作容易导致记录错误、药品丢失或滥用，且无法实时监控药品的存储状态和库存情况。此外，现有的药品管理系统缺乏有效的追溯机制，难以满足监管部门对药品流向的全程可查、可控的要求。随着医疗信息化和智能化的发展，传统的药品管理方式已无法满足现代医疗机构对高效、安全、合规的药品管理需求。因此，开发一种智能化、自动化的药品管理设备，成为解决当前药品管理难题的关键。

1 芬太尼类药物专用智能柜设计思路

本项目聚焦芬太尼类药物存储管理难题，研发芬太尼类药物专用智能柜。智能柜设计思路由图…1 所示，由柜体与智能控制系统协同构成。柜体采用…1.5…厚镀锌钢板等优质材料打造，结构稳固，尺寸精准，具备…10…个智能存储单元及空瓶回收单元，各单元锁具完备，保障存储安全。

智能控制系统功能卓越，集成人员身份识别、药物 / 空瓶识别、报警、数据处理存储及联网等模块。通过多种身份识别方式组合，确保操作权限精准管控；红外检测实现药品智能识别与自动计数；全方位报警机制对各类异常状况实时响应；数据记录全面且具备不可更改与可追溯性，还能与多平台实时联网上传关键信息。…软件系统基于…B/S…+ 智能终端架构，兼容性强，具备药品存储、自动计数、库存管理等丰富功能，操作响应迅速、稳定性高、易用性好且安全性有充分保障。

智能柜在电气安全、温湿度监测及稳定性方面表现出色，符合多项严格标准。经实际应用验证，该智能柜显著提升芬太尼类药物管理的效率与安全性，有效降低管理风险。

图 1 智能柜设计思路图

2 系统硬件设计

基于 STM32F407VET6 控制系统的总体结构图…2 所示：系统以 STM32F407VET6 为主控，集成指纹 /IC 卡 / 密码身份认证、红外与称重传感监控药品存取、温湿度监测、电子锁控、蜂鸣器报警、EEPROM 存储及WiFi 联网功能。融合智能控制技术，实现了药品取用权限控制、库存状态（数量/ 重量/ 环境）实时感知、操作全程可追溯及远程监管。

图 2 基于 STM32F407VET6 主控的总体结构图

2.1 柜体结构

智能柜的柜体采用 1.5mm 厚镀锌钢板和 5mm…ABS 材料制成，具有较高的强度和耐腐蚀性。柜体尺寸为高 1640mm × 宽1000mm…×…深 500mm，尺寸偏差控制在±5mm 以内。柜内共有10 个智能存储单元，包括7 个5×5 阵列式药品存储单元、1 个恒温柜式储存单元和2 个药瓶回收单元。抽屉安装有高精度导轨，确保在5…g/cm² 的均布载荷下仍能正常抽拉。

2.2 锁具系统

柜门和抽屉均配置了电控锁具，图…3 为柜门锁具结构，图…4 为抽屉锁具结构。抽屉锁具通过软件系统发布指令进行开锁，开锁后抽屉自动弹出，取完药品后手动关闭抽屉。柜门配置了两把机械锁具（可电动控制），有两名操作人员各自掌控，开门需要同时到场；只有机械锁具打开后，软件系统才允许操作人员进行电控锁的开启动作。

图3 柜门的锁具结构

图4 抽 屉的锁具结构

2.3 传感器与检测系统

智能柜配备了高精度红外传感器阵列（分辨率 0.1mm ），每个药品槽位独立配置发射 - 接收单元，实时监测药品存取状态，误差率≤ 0.01%。温湿度传感器（图…5 所示）结合外部环境监测模块，通过 PID 算法动态调节柜内温湿度，确保存储环境稳定（温度波动≤ ，湿度波动≤ ±5%）。

图5 温湿 度传感器模块

2.4 动态双人生物识别锁控系统

采用动态双人生物识别认证（指纹 / 密码组合 并基于操作者历史行为数据开通急救场景临时授权。该机制通过PDCA 循环法持续优化权限配置： 人生物认证（指纹+ 人脸），检查阶段关联操作者信用记录，处理阶段优化阈 质控管理方案，主要通过计划、执行、检查、处置4个环节进行管理， 指导规 期促进规范化管理 [1]。每名操作人员开门时，要输入 " 人脸识别 + 刷卡 " " 指纹识别 + 账号密码登录 "，只有通过两种认证方式后，才为有效指令。其中指纹 C 卡识别模块由图…6 所示

图6 指纹、I C 卡识别模块

3 智能柜软件设计

3.1 药品识别系统

智能柜的红外检测系统通过红外发射器和红外接收器的协同工作，实现药品的精准识别和自动计数。系统由红外发射器、红外接收器和控制单元组成。

红外图像的工作原理是基于物体发射、反射和吸收红外辐射的特性。指通过红外相机或热成像仪等设备获取的物体表面在红外波段下的辐射能量分布图。可见光波长在0.4 至0.7 微米之间，而红外线波长则在0.7 微米以上。与可见光图像不同，红外图像可以穿透雾、烟、灰尘等干扰物质，同时也可以检测到人眼无法看到的细微温度差异 [6]。

红外发射器持续发射红外光束，光束穿过药品存储单元的空间。当药品放置在存储单元中时，药品会遮挡部分或全部红外光束。红外接收器实时检测接收到的红外光强度，并将信号传输给控制单元。控制单元通过分析信号变化，判断药品的存在状态。

红外检测公式，红外检测系统的识别精度可以通过以下公式计算：

P = Nt× Nc× 100%

其中：P 为识别精度，Nc 为正确识别的药品数量，Nt 为总药品数量。3.2 温湿度监控系统

传感器与报警机制：智能柜的温湿度传感器实时监控柜内环境（温度监测范围 2℃～ 25℃，湿度监测范围10% ～ 75%），确保药品存储条件的稳定性。湿度监控采用湿敏电容传感器，每半年采用两种饱和盐溶液对湿敏电容传感器进行两点调校，保证湿敏电容传感器的测量准确度，实现全温区（-30℃ ～40℃）湿度误差≤ ±1.04%RH[4]。其中，饱和盐水法由于操作简单、造价低，在对湿敏电容、湿度传感器校准中常常被采用。温控系统通过双层 PID 算法，即新型分流式标准湿度发生器采用数字式智能 PID 控温单元和双套（主、辅）加热、制冷器使控温精度达到了 ±0∙005…℃；5…℃～20…℃的控湿精度在 ±1…％ RH 以内 [5]。传感器采用数字式技术，精准测量温度和湿度数据。当温湿度超出预设阈值时，系统触发声光报警，并在管理界面上显示报警信息。所有报警记录自动保存，便于后续追溯。

温湿度控制公式，温湿度控制系统的稳定性可以通过以下公式计算：

其中：S 为温湿度稳定性，Ti 为第i 次测量的温度或湿度值，Tset 为设定的温度或湿度值，n 为测量次数。3.3 数据记录系统

智能柜的系统通过实时记录药品出入库信息、操作人员信息和报警信息，确保数据的完整性和不可篡改性。启动智能药柜管理系统后，必须通过动态双人生物识别登录药柜，系统根据相应医嘱打开对应的抽屉，然后拉升抽屉，相应的药盒会自动弹开，并优先弹开近效期药包，确保取到正确的药品。同时取药的操作过程和患者的信息都会在系统后台全程记录，包括开处方医生，取药护士的操作时间等，方便追溯药品流向[2]。所有记录附带时间戳和数字签名，防止数据被篡改。系统支持断网续传和定期备份，确保数据安全。通过全程追溯和操作日志查询功能，用户可以轻松追踪药品流转记录和操作历史。每个环节的操作都会被详细记录，并支持实时查询。系统记录药品的入库时间、存放位置、取药记录、使用情况和回收信息，确保药品流转的透明性和可追溯性。所有记录附带时间戳和数字签名，防止数据被篡改。

3.4 报警系统

智能柜的报警机制通过实时监控和多维度检测，确保在异常情况下及时触发报警。系统在非正常领用药物、断网、断电、温湿度异常等情况下会发出声光提示，并在管理界面上显示报警信息。所有报警记录自动保存，支持查询和追溯，便于后续分析和改进。

4 系统测试与分析

硬件与软件设计完成后，通过在温度不同环境中进行系统实验测试，结果得出系统的温度波动情况并进行分析，证明系统的稳定性和可靠性。

在实验测试中设置四组不同条件环境下进行数据对比。测试过程中对温度波动范围、最大偏差持续时间、电力中断恢复时间进行检测。通过在不同条件下的环境中多次测量对比，评估系统在实际环境中的检测效果，以验证系统设计的稳定性和可靠性[7]。表…1 所示为温控性能统计表。

表1 温控性能 统计表

通过对表…1 数据分析，常温环境下温度波动范围 ±0.3C ，高温环境下波动范围 ±0.5% ，低温环境下波动范围±0.7℃，断电测试下波动范围 ±1.2C. 。且根据加速试验表明，棕色玻璃瓶或铝箔自封袋包装的供试品稳定性较好可保证标准饮片质量稳定。因此，芬太尼制剂贮藏可采用棕色玻璃内胆 + 半导体主动温控或铝箔自封袋包装，加速试验下主成分降解率 <5%¹³¹< 。在标准环境条件下，温控精度达 ±0.3C ，优于行业 ±2℃的要求；极端环境测试显示，半导体温控系统在-20℃ ～50℃范围内均可维持药品存储要求；双电源切换系统确保断电后温度波动不超过…1.2℃，且能在 3 秒内恢复供电，证明系统的稳定性和可靠性。

本研究成功研制了一种芬太尼类药物专用智能存储柜。 该设备通过整合坚固的物理结构、严密的双人双认证访问控制、高精度的药品自动识别计数技术、智能 完备的数据记录与报警机制，有效解决了传统管理方式的关键技术瓶颈。实测结果表明，该智能柜在 识别精度、环境控制稳定性、异常响应能力及断电保护性能等方面均表现出色，为医疗机构安全、精确地管理芬太尼类高风险药品提供了可靠的技术支撑和硬件保障。

参考文献

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[2] 张颖 . 精神专科医院使用智能药柜管理病区备用药品和高警示药品的效果分析 [J]. 智慧健康 ，2022，8（36）：12-16+29DOI：10.19335/j.cnki.2096-1219.2022.36.004.

[3] 陶彩霞 ， 朱蔚然 ， 李听弦 ， 等 . 基于 PLC 分析考察黄连、萸黄连标准饮片稳定性 [J]. 时珍国医国药 ，2021，32（09）：2179-2183

[4] 苏腾 ， 王晓蕾 ， 叶松 ， 等 . 气象用湿敏电容传感器的稳定性测试与分析 [J]. 中国测试 ，2014，40（03）：85-88.

[5] 罗宗炎 ， 朱景才 ， 许峰 ， 等 . 分流式标准湿度发生器及其性能分析 [J]. 郑州轻工业学院学报 ，2004，（04）：61-63.

[6] 孙 东 旭 . 基 于 FPGA 面 向 红 外 图 像 识 别 的 卷 积 神 经 网 络 加 速 器 研 究 [D]. 中 南 大 学 ，2023.DOI：10.27661/d.cnki.gzhnu.2023.005699.

[7] 李崇伟 . 基于 STM32 单片机的智能大棚环境检测控制系统 [J]. 中国农机装备 ，2025，（06）：41-44.

作者简介：刘鹏飞（2005—），男，本科在读，研究方向为机器人工程。

江川东（2003—），男，本科在读，研究方向为机器人工程。

黄诗佳（2004—），女，本科在读，研究方向为嵌入式。

曹栩睿（2005—），男，本科在读，研究方向为电子与计算机工程。

罗凯（1980—），男，硕士，教授，研究方向为电子信息人工智能物联网。

陈春森（1997—），男，学士，助教，研究方向为机械制造与自动化。