基于MicroPython的STORZ冷光源溫濕度監測系統的設計

閆世文，徐輝煌

（湛江中心人民醫院設備科，廣東湛江，524000）

0 引言

各大醫院近年來廣泛開展微創手術，內窺鏡手術數量逐年上升[1]，其優點在于局部創傷小、疼痛輕、病人住院時間縮短等[2]。內窺鏡是光學類醫療設備，通過冷光源為手術提供照明，使醫師能直接觀察人體各種腔隙內組織結構的情況。STORZ氙燈冷光源工作將產生極大熱量，而光源燈泡后部反光罩表面的冷光膜能夠濾除紅外線，使傳導光成為冷光。此外，光源燈泡固定在散熱片中，并輔以冷卻風扇進行散熱，通過降溫設計將保證光源在恒溫下工作。我院手術室配備多套內窺鏡系統，進行手術時房間空調一般設置成制冷模式。冷光源系統中由于散熱環境的存在，機盒冷熱交替會在內部產生水汽，久而久之會吸附灰塵堆積在散熱風扇、通風柵口以及電子元件上，可能造成元器件短路或者影響散熱性能從而損壞光源。

本文擬運用物聯網技術來獲取設備內外環境參數，從而間接判斷設備運行狀態是否異常。然而較多的嵌入式硬件平臺開發語言是C和C++，其代碼移植性差、維護成本高和開發周期略長[3]，嵌入式開發應追求用最少的資源實現較多的功能，因此MicroPython開發成為熱點。MicroPython是嵌入式芯片設計與優化的開發語言，基于ANSI C在軟件底層進行重構，其包含了解析器、編譯器、虛擬機和類庫，可使代碼直接在硬件上編譯并運行，省去了利用C/C++開發的繁瑣流程[4]。因此，本文設計出基于MicroPython的溫濕度監測系統，通過無線通信模塊進行通信，實現STORZ冷光源機體溫濕度遠程監測，從而更好地把控設備狀態預警以及提高醫學工程人員的管理水平。

1 系統設計

溫濕度監測系統由供電模塊、主控芯片、傳感器、上位機管理系統等組成，通過無線通信實現數據傳輸從而達到溫濕度監測目的。如圖1所示，主控芯片由5V直流電源供電，芯片通過GPIO與傳感器進行數據收集，并基于TLink平臺進行訂閱和發布通信，實現監測終端的數據交互。

圖1 系統總框架

2 硬件電路設計

2.1 電源電路

系統中直接通過3個7號電池取電，得到高于4.5V的直流驅動電壓。由于ESP32主控芯片供電電壓為3.3V，因此使用AP2112穩壓芯片輸出3.3V直流電壓。電源電路布置如圖2所示。

圖2 電源電路

2.2 ESP32硬件設計

該系統所用主控芯片型號為ESP32 WROOM 32，芯片是樂鑫推出的集成WiFi功能的系統級藍牙芯片，具有快速處理、低功耗和穩定高速通信等特點[5]。ESP32的微處理控制單元為Xtensa 32-bit LX6 MCU，時鐘頻率范圍在80MHz至240MHz，這兩個CPU核可被單獨控制，能夠獨立運行應用程序。其載體可由I2C/UART或SPI/SDIO接口提供WiFi與藍牙功能[6]。本文主要通過GPIO輸出和WiFi連接的STA客戶端模式[3]，將ESP32芯片的WiFi功能連接基于TLink平臺的MQTT云服務器，從而實現對STORZ冷光源機體內部的溫濕度監測，ESP32 WROOM 32芯片外接電路如圖3所示。

圖3 ESP32外圍電路

圖4是基于ESP32芯片設計的下位機系統，系統通過VBAT接口供電，芯片GPIO 32、22口分別與傳感器相連。

圖4 下位機系統

2.3 傳感器模塊

本文采用的溫濕度傳感器模塊是DHT22傳感器，以此來實現STORZ冷光源機體外部和內部的溫濕度實時監測。DHT22傳感器采用標準的單總線接口，具有完善的測溫和采濕元件，使系統集成簡便快捷。該傳感器測量數據反應靈敏、抗干擾強、功耗低以及體積小[7]，濕度測量范圍0至100%，精度誤差為2至5%；溫度測量范圍是40°C至80°C，誤差為±0.5°C。本系統采用的DHT22為三個引腳，分別是VCC、DATA和GND。圖4的DHT22_1測機體外環境溫濕、DHT22_2測機體內溫濕。兩者通過內置的電容式濕度傳感器與熱敏電阻測量環境空氣，將采集的溫濕度值通過DATA端向主控芯片GPIO 32和22端口輸出數字信號。

3 軟件應用實現

3.1 MQTT簡述

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協議)是一種基于發布/訂閱模型的輕量級消息傳輸網絡協議，工作在TCP/IP協議族上[8]。該協議的IOT網絡中Publisher發布消息，Subscriber訂閱消息，MQTT服務器中轉站將消息從發布者傳遞到訂閱者[3]。具有輕量簡單、靈活開放等特點，從而可在高延遲、帶寬有限的網絡和資源受限的硬件設備上實現。

3.2 程序設計流程

本文設計的MQTT共4個模塊，即下位機系統、TLink物聯服務器、TLink物聯平臺和手機小程序，不同模塊實現不同功能。TLink物聯平臺支持多種鏈接協議，通過搭建實時遠程監控系統，輕松實現工業、環境、農業等傳感器連接。其支持通用API，能迅速實現物聯網應用開發[9]。下位機系統處理TLink服務器準發的調節指令，并上傳溫濕數據至平臺，TLink物聯平臺和手機小程序接收傳感器數據或下發調節指令。即ESP32主控芯片利用云服務器IP地址與端口號作為參數，創建訂閱信息的MQTT客戶端，其次在物聯平臺上創建發布消息的MQTT客戶端，由此即可通過云服務器中轉實現ESP32和物聯平臺之間消息的訂閱與發布。

ESP32主控芯片的軟件驅動主要利用Python語言在PyCharm平臺開發，代碼實現的具體功能有基于MQTT協議的數據通信、WiFi無線連接等。為了實現開發的快捷調試，將手機作為當前環境的AP熱點，并將WiFi啟動設置為STA模式，旨在讓主控芯片易于連接上AP熱點。判斷芯片是否連接成功，需要配合芯片上的LED聯調，圖5表示程序功能流程圖。

圖5 程序功能流程

首先，自定義MQTT_Send函數，將采集的數據以字典形式序列化成為json字符串，并調用延時函數進行消息發布。其次，在WIFI_Connect函數中，從micropython-lib庫的simple.py導入MQTT板塊，以進行MQTT客戶端的連接。最后開啟RTOS定時器，執行MQTT發布任務。

4 系統測試

4.1 硬件驗證

圖6中ABC子圖即機體內外部結構，AB子圖可見冷光源旁的散熱風扇、電感、電容等元器件均黏附上了灰塵。因此，必須對機體進行除塵以完善設備維護步驟。本文溫濕度監測系統采取非侵入式安裝，D圖是系統實物圖，具有兩個傳感器：DHT22_1傳感器從C圖的側欄縫隙中探入，固定在散熱片旁的黑色塑膠上采集內部數據。DHT22_2傳感器則直接安裝在機體外采集外部數據，EF子圖即安裝的結構圖。

圖6 硬件安裝結構

4.2 軟件驗證

Tlink平臺可實現遠程傳感器狀態圖形化顯示與操作，將STORZ冷光源機體內外部溫濕監測狀態通過Tlink平臺參數變量和下位機系統輸入、輸出點及各個數據寄存器相綁定，從而實現在線監控[10]。監測系統由實時監控、數值顯示、實時曲線、歷史查詢、報警記錄、觸發器、設備管理、視圖和地圖等模塊組成。

通過綁定傳感器ID，實時監控和數值顯示功能實現對設備狀態的實時更新。實時曲線和歷史查詢能對監測數據進行過程溯源、數據分析和統計等。觸發器功能可以針對不同傳感器的測量值進行條件約束，如果滿足觸發條件，則監測終端會進行消息報警，并且上傳報警記錄至物聯平臺。設備管理、設備視圖主要是對傳感器網絡的設備分組，設定鏈接協議，編輯傳感器名稱、數據格式、控制指令寫入等。

圖7即監測系統在小程序的實現：其中DHT22即機體外傳感器，DHT32即機體內傳感器，_TEMP和_HUMI分別表示溫度與濕度。由圖可知，監測系統運行時，外傳感器溫濕值恒定。內傳感器在冷光源開啟時，溫度值快速上升至峰值67.7°C后穩定。同時，濕度隨溫度升高而下降至25%左右。實驗驗證了該系統能實時、準確地監測機體運行環境參數，表明系統可行有效。

圖7 平臺數據可視化

5 結語

文中通過軟硬件實現了STORZ冷光源設備運行時的溫濕度實時監測，后續研究將會增加光強探測傳感器和繼電器等模塊，進一步把握冷光源使用壽命和擴展系統監控范圍。此外，對采集到的數據進行挖掘，建立出該類醫療設備的運行風險預測模型與射頻功耗監控，從而更充分地掌控設備運行狀態與提高全院醫療設備物聯網管理水平。