基于Modbus與電學(xué)層析成像技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)概論

李煜鑫

摘 要 針對(duì)目前醫(yī)療情況，描述了一種基于Modbus與電學(xué)層析成像技術(shù)的自動(dòng)化醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)，并給出了整個(gè)設(shè)計(jì)思路以及VC++6.0的仿真。

關(guān)鍵詞 Modbus;電學(xué)層析成像技術(shù);雙層網(wǎng)絡(luò)

引言

隨著新型冠狀病毒（2019-nCoV）感染所致肺炎的肆虐，醫(yī)生在與病人長(zhǎng)時(shí)間接觸時(shí)也感染了這個(gè)傳染性極強(qiáng)的病毒。本文介紹的基于Modbus與電學(xué)層析成像技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)可以提供便利、廉價(jià)、快捷的檢測(cè)方式并且能在遠(yuǎn)程進(jìn)行對(duì)病人的監(jiān)控，以此避免醫(yī)生與病人的長(zhǎng)時(shí)間接觸。此系統(tǒng)主要由兩層網(wǎng)絡(luò)和三層設(shè)備構(gòu)成。

現(xiàn)有的應(yīng)用Modbus協(xié)議的論文主要集中在自動(dòng)化控制。Zhaoyong Li ， Shouming Zhang[1]基于Modbus算法提出了具有自動(dòng)控制能力的礦物浮選系統(tǒng)，以降低生產(chǎn)成本。Bo Li [2]驗(yàn)證了基于modbus/TCP協(xié)議的塔吊的無(wú)線(xiàn)控制系統(tǒng)的安全性與可靠性。Qing LIU[3]通過(guò)在火力發(fā)電廠(chǎng)水處理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)Modbus/TCP工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的工業(yè)實(shí)時(shí)控制，表明了工業(yè)以太網(wǎng)在分散過(guò)程控制領(lǐng)域的重要性。

還有提到了Modbus的雙層網(wǎng)絡(luò)：?jiǎn)绦聲浴①Z智平[4]針對(duì)目前大量應(yīng)用協(xié)議的產(chǎn)品，描述了一種基于的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，并給出了在 Modbus雙層網(wǎng)絡(luò)下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)映像技術(shù)和實(shí)時(shí)網(wǎng)頁(yè)構(gòu)建技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)。陳斌[5]在 Modbus/TCP 及 WEB 基礎(chǔ)上，分析了網(wǎng)絡(luò)集中監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控策略，探討了它的軟硬件設(shè)計(jì)方法， 由此研制了一種基于完全開(kāi)放通信策略的監(jiān)控系統(tǒng)。洪劍青[6]介紹了一款基于Modbus 總線(xiàn)的智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，使主機(jī)可以利用有限的資源實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，并能在故障報(bào)警時(shí)對(duì)于電機(jī)進(jìn)行斷電保護(hù)。賈文婷[7]把Modbus通信協(xié)議應(yīng)用在交通信號(hào)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)智能化，為道路交通提供一個(gè)順暢、快捷的運(yùn)行環(huán)境。

與醫(yī)療相關(guān)的研究有：王勇[8]提出了一種基于云平臺(tái)的遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)方案，可以實(shí)現(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)環(huán)境下的移動(dòng)端遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，保證采集數(shù)據(jù)的安全性，保密性，但是未能實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)端的信息采集便捷性以及完整性。武麗[9]提出了一種基于MODBUS通信協(xié)議的無(wú)線(xiàn)集散式監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生理數(shù)據(jù)信息高效可靠的傳輸，并適合于系統(tǒng)的調(diào)試，但是未能實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)設(shè)備的可穿戴性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

本系統(tǒng)主要由Modbus的兩層網(wǎng)絡(luò)以及電學(xué)層析成像技術(shù)構(gòu)成。

1.1 系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

此系統(tǒng)主要分成兩層網(wǎng)絡(luò)和三層設(shè)備。兩層網(wǎng)絡(luò)分別是以太網(wǎng)和MODBUS網(wǎng)。以太網(wǎng)主要由個(gè)人計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)卡，以太網(wǎng)交換機(jī)和MOD/TCP網(wǎng)關(guān)通過(guò)以太網(wǎng)單元相連而成。MODBUS網(wǎng)主要由①現(xiàn)場(chǎng)模擬量采集，控制智能儀表，通過(guò)連接RS485總線(xiàn)構(gòu)成模擬量采集，控制單元，②醫(yī)療設(shè)備內(nèi)置PLC通過(guò)連接RS485總線(xiàn)構(gòu)成智能控制單元。二級(jí)設(shè)備的第一級(jí)是由服務(wù)器和多臺(tái)終端構(gòu)成，第一級(jí)是由Modbus/TCP網(wǎng)關(guān)及與其相連的MicroTSX37系列PLC構(gòu)成的，第二級(jí)是由多臺(tái)智能監(jiān)測(cè)設(shè)備和多臺(tái)醫(yī)療設(shè)備內(nèi)置PLC構(gòu)成。

1.2 基于Modbus的通信機(jī)制

Modbus是一種串行通信協(xié)議，是Modicon公司（現(xiàn)在的施耐德電氣 Schneider Electric）于1979年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發(fā)表。Modbus已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)（De facto），并且現(xiàn)在是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式。同時(shí)支持，RTU，TCP/IP， ASCII 碼通訊。本文在這里重點(diǎn)及紹兩種，即Modbus/TCP協(xié)議和Modbus/RTU協(xié)議。Modbus/TCP的數(shù)據(jù)幀可分為報(bào)文頭以及數(shù)據(jù)兩部分，如圖1：

Modbus/RTU的報(bào)文同樣可分為兩部分，和Modbus/TCP報(bào)文的格式類(lèi)似，但是沒(méi)有報(bào)文頭。RTU模式，以RTU模式在Modbus總線(xiàn)上進(jìn)行通訊時(shí)，信息中的每8位字節(jié)成2個(gè)4位16進(jìn)制的字符，每個(gè)信息必須連續(xù)傳輸。

1.3 電學(xué)層析成像原理

電學(xué)層析成像，Electrical Tomography， ET，是層析成像技術(shù)的一種，其通過(guò)對(duì)被測(cè)物體施加電激勵(lì)，并檢測(cè)其邊界值的變化，利用特定數(shù)學(xué)手段逆推被測(cè)物體內(nèi)部的電特性參數(shù)分布，從而得到物體內(nèi)部的分布情況?？臻g陣列電極均勻安裝在被測(cè)管道或反應(yīng)裝置 的外（內(nèi)）壁 ，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在掃描激勵(lì)電極下測(cè)量電 極對(duì)間的阻抗值，獲取各種不同視角下的投影數(shù)據(jù)，并直接送入成像計(jì)算機(jī)顯示了一個(gè)典型的ET（Electrical Tomography）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，它由3部分組成。①傳感器陣列：通常由一組等間隔均勻分布的電極組成;②數(shù)據(jù)采集和控制單元：用于產(chǎn)生激勵(lì)和測(cè)量信號(hào)從而進(jìn)一步獲取成像的測(cè)量數(shù)據(jù);③圖像重建與顯示單元：基于測(cè)量數(shù)據(jù)和成像算法實(shí)現(xiàn)被測(cè)物場(chǎng)目標(biāo)的可視化重建。

在本系統(tǒng)中不需要對(duì)于圖像進(jìn)行重建，而是通過(guò)獲得的成像數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行對(duì)比，以二進(jìn)制0/1的表示由串口輸出，其中若賦值為1則表示該患者需得到進(jìn)一步的治療，反之亦然。此數(shù)據(jù)會(huì)由雙層網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的監(jiān)控室，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)于患者情況的遠(yuǎn)程監(jiān)控并避免醫(yī)生與患者長(zhǎng)時(shí)間的不必要接觸。

1.4 雙層網(wǎng)絡(luò)

即監(jiān)控設(shè)備通過(guò)RTU協(xié)議與計(jì)算機(jī)（監(jiān)控終端）進(jìn)行通信時(shí)，監(jiān)控終端（計(jì)算機(jī)）可以同時(shí)通過(guò)TCP/IP協(xié)議發(fā)出報(bào)文.這需要一個(gè)路由器將監(jiān)控設(shè)備和計(jì)算機(jī)連接起來(lái)。讓計(jì)算機(jī)連接對(duì)應(yīng)的端口，以便傳輸數(shù)據(jù)。而RTU也要連接對(duì)應(yīng)的串口，以便接收來(lái)自監(jiān)控終端（計(jì)算機(jī)）的MASTER報(bào)文，從而返回?cái)?shù)據(jù)給監(jiān)控終端。

2 系統(tǒng)設(shè)置的關(guān)鍵問(wèn)題

2.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

（1）以太網(wǎng)的設(shè)置

以太網(wǎng)由一臺(tái)服務(wù)器和多臺(tái)監(jiān)視終端（計(jì)算機(jī)）構(gòu)成。計(jì)算機(jī)首先要登記與之相連的底層設(shè)備的I/O表和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表。另外，還應(yīng)該設(shè)置IP地址，子網(wǎng)掩碼（255.255.0.0），單元號(hào)，節(jié)點(diǎn)號(hào)。過(guò)程如下：