基于MicroPython的STORZ冷光源温湿度监测系统的设计

闫世文，徐辉煌

（湛江中心人民医院设备科，广东湛江，524000）

0 引言

各大医院近年来广泛开展微创手术，内窥镜手术数量逐年上升[1]，其优点在于局部创伤小、疼痛轻、病人住院时间缩短等[2]。内窥镜是光学类医疗设备，通过冷光源为手术提供照明，使医师能直接观察人体各种腔隙内组织结构的情况。STORZ氙灯冷光源工作将产生极大热量，而光源灯泡后部反光罩表面的冷光膜能够滤除红外线，使传导光成为冷光。此外，光源灯泡固定在散热片中，并辅以冷却风扇进行散热，通过降温设计将保证光源在恒温下工作。我院手术室配备多套内窥镜系统，进行手术时房间空调一般设置成制冷模式。冷光源系统中由于散热环境的存在，机盒冷热交替会在内部产生水汽，久而久之会吸附灰尘堆积在散热风扇、通风栅口以及电子元件上，可能造成元器件短路或者影响散热性能从而损坏光源。

本文拟运用物联网技术来获取设备内外环境参数，从而间接判断设备运行状态是否异常。然而较多的嵌入式硬件平台开发语言是C和C++，其代码移植性差、维护成本高和开发周期略长[3]，嵌入式开发应追求用最少的资源实现较多的功能，因此MicroPython开发成为热点。MicroPython是嵌入式芯片设计与优化的开发语言，基于ANSI C在软件底层进行重构，其包含了解析器、编译器、虚拟机和类库，可使代码直接在硬件上编译并运行，省去了利用C/C++开发的繁琐流程[4]。因此，本文设计出基于MicroPython的温湿度监测系统，通过无线通信模块进行通信，实现STORZ冷光源机体温湿度远程监测，从而更好地把控设备状态预警以及提高医学工程人员的管理水平。

1 系统设计

温湿度监测系统由供电模块、主控芯片、传感器、上位机管理系统等组成，通过无线通信实现数据传输从而达到温湿度监测目的。如图1所示，主控芯片由5V直流电源供电，芯片通过GPIO与传感器进行数据收集，并基于TLink平台进行订阅和发布通信，实现监测终端的数据交互。

图1 系统总框架

2 硬件电路设计

2.1 电源电路

系统中直接通过3个7号电池取电，得到高于4.5V的直流驱动电压。由于ESP32主控芯片供电电压为3.3V，因此使用AP2112稳压芯片输出3.3V直流电压。电源电路布置如图2所示。

图2 电源电路

2.2 ESP32硬件设计

该系统所用主控芯片型号为ESP32 WROOM 32，芯片是乐鑫推出的集成WiFi功能的系统级蓝牙芯片，具有快速处理、低功耗和稳定高速通信等特点[5]。ESP32的微处理控制单元为Xtensa 32-bit LX6 MCU，时钟频率范围在80MHz至240MHz，这两个CPU核可被单独控制，能够独立运行应用程序。其载体可由I2C/UART或SPI/SDIO接口提供WiFi与蓝牙功能[6]。本文主要通过GPIO输出和WiFi连接的STA客户端模式[3]，将ESP32芯片的WiFi功能连接基于TLink平台的MQTT云服务器，从而实现对STORZ冷光源机体内部的温湿度监测，ESP32 WROOM 32芯片外接电路如图3所示。

图3 ESP32外围电路

图4是基于ESP32芯片设计的下位机系统，系统通过VBAT接口供电，芯片GPIO 32、22口分别与传感器相连。

图4 下位机系统

2.3 传感器模块

本文采用的温湿度传感器模块是DHT22传感器，以此来实现STORZ冷光源机体外部和内部的温湿度实时监测。DHT22传感器采用标准的单总线接口，具有完善的测温和采湿元件，使系统集成简便快捷。该传感器测量数据反应灵敏、抗干扰强、功耗低以及体积小[7]，湿度测量范围0至100%，精度误差为2至5%；温度测量范围是40°C至80°C，误差为±0.5°C。本系统采用的DHT22为三个引脚，分别是VCC、DATA和GND。图4的DHT22_1测机体外环境温湿、DHT22_2测机体内温湿。两者通过内置的电容式湿度传感器与热敏电阻测量环境空气，将采集的温湿度值通过DATA端向主控芯片GPIO 32和22端口输出数字信号。

3 软件应用实现

3.1 MQTT简述

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议)是一种基于发布/订阅模型的轻量级消息传输网络协议，工作在TCP/IP协议族上[8]。该协议的IOT网络中Publisher发布消息，Subscriber订阅消息，MQTT服务器中转站将消息从发布者传递到订阅者[3]。具有轻量简单、灵活开放等特点，从而可在高延迟、带宽有限的网络和资源受限的硬件设备上实现。

3.2 程序设计流程

本文设计的MQTT共4个模块，即下位机系统、TLink物联服务器、TLink物联平台和手机小程序，不同模块实现不同功能。TLink物联平台支持多种链接协议，通过搭建实时远程监控系统，轻松实现工业、环境、农业等传感器连接。其支持通用API，能迅速实现物联网应用开发[9]。下位机系统处理TLink服务器准发的调节指令，并上传温湿数据至平台，TLink物联平台和手机小程序接收传感器数据或下发调节指令。即ESP32主控芯片利用云服务器IP地址与端口号作为参数，创建订阅信息的MQTT客户端，其次在物联平台上创建发布消息的MQTT客户端，由此即可通过云服务器中转实现ESP32和物联平台之间消息的订阅与发布。

ESP32主控芯片的软件驱动主要利用Python语言在PyCharm平台开发，代码实现的具体功能有基于MQTT协议的数据通信、WiFi无线连接等。为了实现开发的快捷调试，将手机作为当前环境的AP热点，并将WiFi启动设置为STA模式，旨在让主控芯片易于连接上AP热点。判断芯片是否连接成功，需要配合芯片上的LED联调，图5表示程序功能流程图。

图5 程序功能流程

首先，自定义MQTT_Send函数，将采集的数据以字典形式序列化成为json字符串，并调用延时函数进行消息发布。其次，在WIFI_Connect函数中，从micropython-lib库的simple.py导入MQTT板块，以进行MQTT客户端的连接。最后开启RTOS定时器，执行MQTT发布任务。

4 系统测试

4.1 硬件验证

图6中ABC子图即机体内外部结构，AB子图可见冷光源旁的散热风扇、电感、电容等元器件均黏附上了灰尘。因此，必须对机体进行除尘以完善设备维护步骤。本文温湿度监测系统采取非侵入式安装，D图是系统实物图，具有两个传感器：DHT22_1传感器从C图的侧栏缝隙中探入，固定在散热片旁的黑色塑胶上采集内部数据。DHT22_2传感器则直接安装在机体外采集外部数据，EF子图即安装的结构图。

图6 硬件安装结构

4.2 软件验证

Tlink平台可实现远程传感器状态图形化显示与操作，将STORZ冷光源机体内外部温湿监测状态通过Tlink平台参数变量和下位机系统输入、输出点及各个数据寄存器相绑定，从而实现在线监控[10]。监测系统由实时监控、数值显示、实时曲线、历史查询、报警记录、触发器、设备管理、视图和地图等模块组成。

通过绑定传感器ID，实时监控和数值显示功能实现对设备状态的实时更新。实时曲线和历史查询能对监测数据进行过程溯源、数据分析和统计等。触发器功能可以针对不同传感器的测量值进行条件约束，如果满足触发条件，则监测终端会进行消息报警，并且上传报警记录至物联平台。设备管理、设备视图主要是对传感器网络的设备分组，设定链接协议，编辑传感器名称、数据格式、控制指令写入等。

图7即监测系统在小程序的实现：其中DHT22即机体外传感器，DHT32即机体内传感器，_TEMP和_HUMI分别表示温度与湿度。由图可知，监测系统运行时，外传感器温湿值恒定。内传感器在冷光源开启时，温度值快速上升至峰值67.7°C后稳定。同时，湿度随温度升高而下降至25%左右。实验验证了该系统能实时、准确地监测机体运行环境参数，表明系统可行有效。

图7 平台数据可视化

5 结语

文中通过软硬件实现了STORZ冷光源设备运行时的温湿度实时监测，后续研究将会增加光强探测传感器和继电器等模块，进一步把握冷光源使用寿命和扩展系统监控范围。此外，对采集到的数据进行挖掘，建立出该类医疗设备的运行风险预测模型与射频功耗监控，从而更充分地掌控设备运行状态与提高全院医疗设备物联网管理水平。