閆世文，徐輝煌

（湛江中心人民醫(yī)院設備科，廣東湛江，524000）

0 引言

各大醫(yī)院近年來廣泛開展微創(chuàng)手術，內窺鏡手術數量逐年上升[1]，其優(yōu)點在于局部創(chuàng)傷小、疼痛輕、病人住院時間縮短等[2]。內窺鏡是光學類醫(yī)療設備，通過冷光源為手術提供照明，使醫(yī)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(tǒng)，進行手術時房間空調一般設置成制冷模式。冷光源系統(tǒng)中由于散熱環(huán)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(huán)境參數，從而間接判斷設備運行狀態(tài)是否異常。然而較多的嵌入式硬件平臺開發(fā)語言是C和C++，其代碼移植性差、維護成本高和開發(fā)周期略長[3]，嵌入式開發(fā)應追求用最少的資源實現較多的功能，因此MicroPython開發(fā)成為熱點。MicroPython是嵌入式芯片設計與優(yōu)化的開發(fā)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(fā)的繁瑣流程[4]。因此，本文設計出基于MicroPython的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，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(jiān)測，從而更好地把控設備狀態(tài)預警以及提高醫(yī)學工程人員的管理水平。

1 系統(tǒng)設計

溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)由供電模塊、主控芯片、傳感器、上位機管理系統(tǒng)等組成，通過無線通信實現數據傳輸從而達到溫濕度監(jiān)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(fā)布通信，實現監(jiān)測終端的數據交互。

圖1 系統(tǒng)總框架

2 硬件電路設計

2.1 電源電路

系統(tǒng)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(wěn)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(tǒng)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(tǒng)級藍牙芯片，具有快速處理、低功耗和穩(wěn)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(jiān)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(tǒng)，系統(tǒng)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(tǒng)

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(jiān)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(tǒng)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(tǒng)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(huán)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(huán)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(fā)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(fā)布消息，Subscriber訂閱消息，MQTT服務器中轉站將消息從發(fā)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(tǒng)、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(jiān)控系統(tǒng)，輕松實現工業(yè)、環(huán)境、農業(yè)等傳感器連接。其支持通用API，能迅速實現物聯網應用開發(fā)[9]。下位機系統(tǒng)處理TLink服務器準發(fā)的調節(jié)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(fā)調節(jié)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(chuàng)建訂閱信息的MQTT客戶端，其次在物聯平臺上創(chuàng)建發(fā)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(fā)布。

ESP32主控芯片的軟件驅動主要利用Python語言在PyCharm平臺開發(fā)，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(fā)的快捷調試，將手機作為當前環(huán)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(fā)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(zhí)行MQTT發(fā)布任務。

4 系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)采取非侵入式安裝，D圖是系統(tǒng)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(tài)圖形化顯示與操作，將STORZ冷光源機體內外部溫濕監(jiān)測狀態(tài)通過Tlink平臺參數變量和下位機系統(tǒng)輸入、輸出點及各個數據寄存器相綁定，從而實現在線監(jiān)控[10]。監(jiān)測系統(tǒng)由實時監(jiān)控、數值顯示、實時曲線、歷史查詢、報警記錄、觸發(fā)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(jiān)控和數值顯示功能實現對設備狀態(tài)的實時更新。實時曲線和歷史查詢能對監(jiān)測數據進行過程溯源、數據分析和統(tǒng)計等。觸發(fā)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(fā)條件，則監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)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(wěn)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(tǒng)能實時、準確地監(jiān)測機體運行環(huán)境參數，表明系統(tǒng)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(jiān)測，后續(xù)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(tǒng)監(jiān)控范圍。此外，對采集到的數據進行挖掘，建立出該類醫(yī)療設備的運行風險預測模型與射頻功耗監(jiān)控，從而更充分地掌控設備運行狀態(tài)與提高全院醫(yī)療設備物聯網管理水平。