基于現(xiàn)場總線的醫(yī)院病房全開放分布式的監(jiān)護系統(tǒng)實現(xiàn)

現(xiàn)場總線作為近些年來首先在工控領(lǐng)域發(fā)展起來的一種新型技術(shù)，目前尚未被廣泛應用于醫(yī)院病房監(jiān)護領(lǐng)域。CAN（Controller Area Network）總線是被公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一，其在病房監(jiān)護全開放分布式系統(tǒng)中的應用，將具有很重要的現(xiàn)實革新意義。該文主要通過CAN總線實現(xiàn)中央監(jiān)護站對病床現(xiàn)場監(jiān)控器之間點對點的通信，從硬件的設(shè)計、軟件的實現(xiàn)來完成系統(tǒng)功能。該系統(tǒng)通信設(shè)計簡單易行，易于在醫(yī)院內(nèi)進行廣泛的推廣。

數(shù)字化醫(yī)院是我國現(xiàn)代醫(yī)療發(fā)展的新趨勢，數(shù)字化醫(yī)院系統(tǒng)是醫(yī)院業(yè)務(wù)軟件、數(shù)字化醫(yī)療設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)平臺所組成的三位一體的綜合信息系統(tǒng)，數(shù)字化醫(yī)院工程有助于醫(yī)院實現(xiàn)資源整合、流程優(yōu)化，降低運行成本，提高服務(wù)質(zhì)量、工作效率和管理水平。根據(jù)醫(yī)院的要求，本著高水準、高質(zhì)量，提高產(chǎn)品的性能價格比，在設(shè)計上充分體現(xiàn)建設(shè)者的意圖，同時考慮到今后使用者的使用、維護、保養(yǎng)的方便性，設(shè)計了該系統(tǒng)的總體方案。本方案分為兩部分：病房呼叫系統(tǒng)和病房監(jiān)護系統(tǒng)。醫(yī)院監(jiān)護系統(tǒng)便是住院管理系統(tǒng)中的一個底層分布式監(jiān)控局域網(wǎng)。這些所謂的總線式監(jiān)護系統(tǒng)，由于采用的都是傳統(tǒng)串行通信協(xié)議，只能實現(xiàn)點對點之間的通信，構(gòu)成系統(tǒng)的節(jié)點受主設(shè)備負荷限制，擴展性很差，而現(xiàn)場總線作為近些年來首先在工控領(lǐng)域發(fā)展起來的一種新型技術(shù)。

1.醫(yī)院病房分布式監(jiān)護系統(tǒng)的發(fā)展及其現(xiàn)狀

各種微計算機的監(jiān)護儀及監(jiān)護系統(tǒng)，起初的這種監(jiān)護系統(tǒng)一般采用專用器件，形成一個獨立系統(tǒng)，不提供與外部系統(tǒng)的接口，不能進行遠程監(jiān)護。隨著數(shù)字通信技術(shù)的迅速發(fā)展和應用，適應遠程信息傳輸?shù)拇型ㄐ偶夹g(shù)逐漸成熟并得到廣泛應用，醫(yī)院病房監(jiān)護系統(tǒng)開始引入了串行通信技術(shù)，利用分布在各個病房的現(xiàn)場監(jiān)護儀器設(shè)備實現(xiàn)對病人生理參數(shù)作實時數(shù)據(jù)采集，通過串行通信接口進行對數(shù)據(jù)信息的遠距離傳輸，借助遠程計算機經(jīng)醫(yī)務(wù)人員對數(shù)據(jù)參數(shù)進行分析處理形成病人醫(yī)囑信息，傳輸給護士值班員對病人執(zhí)行臨床監(jiān)護，同時護士值班員也可以在值班室得到病人實時監(jiān)護請求信息以及簡單的監(jiān)護反饋信息。

最先采用的串行通信協(xié)議是RS-232接口標準，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)采用一般的雙絞線做傳輸介質(zhì)，實現(xiàn)中心監(jiān)護站對病人床邊監(jiān)護儀之間點對點的通信，但整個系統(tǒng)隨著監(jiān)護病人數(shù)量增多，聯(lián)網(wǎng)線路太多，而且由于RS-232接口標準出現(xiàn)較早，通信上存在一些不足之處，主要有以下四點：

（1）接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與TTL電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接。

（2）傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps.

（3）接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。

（4）傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為50英尺，實際上也只能用在50米左右。

針對RS-232的不足，于是就不斷出現(xiàn)了一些新的接口標準，RS-485就是其中之一，并且在病房監(jiān)護領(lǐng)域很快得到應用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。

智能儀表是隨著80年代初單片機技術(shù)的成熟而發(fā)展起來的，現(xiàn)在世界儀表市場基本被智能儀表所壟斷。究其原因就是企業(yè)信息化的需要，企業(yè)在儀表選型時其中的一個必要條件就是要具有聯(lián)網(wǎng)通信接口。最初是數(shù)據(jù)模擬信號輸出簡單過程量，后來儀表接口是RS232接口，這種接口可以實現(xiàn)點對點的通信方式，但這種方式不能實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。隨后出現(xiàn)的RS485解決了這個問題。它具有如下優(yōu)點：

（1）RS-485接口信號電平比RS-232降低了，不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。

（2）RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps.

（3）RS-485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干擾性好。

（4）RS-485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實際上可達3000米，另外RS-232接口在總線上只允許連接1個收發(fā)器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達32個收發(fā)器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

雖然優(yōu)點很多，但是和現(xiàn)場總線構(gòu)成的全開放分布式系統(tǒng)相比較，本身仍然存在一些無法克服的缺陷：

（1）硬件上檢錯、糾錯、和錯誤定位能力較弱，系統(tǒng)自身的監(jiān)控和維護功能差；

（2）無總線脫離功能，一旦某個節(jié)點上的RS-485收發(fā)器短路或發(fā)生嚴重錯誤，整個總線將不能正常工作；

（3）硬件上沒有緩存功能；

（4）數(shù)據(jù)通信方式為命令響應式，致使系統(tǒng)靈活性差；

（5）RS-485總線在空閑時需要在總線上維持一個固定的電流，這對器件的壽命和功耗都產(chǎn)生影響

（6）RS-485總線網(wǎng)的設(shè)備間要想互通信息只有通過“主（Master）”設(shè)備中轉(zhuǎn)才能實現(xiàn)，而這種總線網(wǎng)絡(luò)中只允許存在一個主設(shè)備，其余全部是從（Slave）設(shè)備，因此各個節(jié)點之間不具有互可操作性，并且無法構(gòu)成多主冗余系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性差；

（7）RS-485總線不具有開放式互聯(lián)網(wǎng)的特點，還不能構(gòu)成全開放分布式的互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2.現(xiàn)場總線技術(shù)特點以及運用在醫(yī)院病房全開放分布式監(jiān)護系統(tǒng)中的優(yōu)點

由于傳統(tǒng)總線系統(tǒng)存在的不足，我們分析了自控領(lǐng)域內(nèi)多年來發(fā)展并應用成熟的現(xiàn)場總線技術(shù)的特點，將其引入醫(yī)院病房監(jiān)護，構(gòu)成醫(yī)院病房全開放分布式監(jiān)護系統(tǒng)能夠很好的克服傳統(tǒng)總線系統(tǒng)的不足。

現(xiàn)場總線是指以工廠內(nèi)的測量和控制機器間的數(shù)字通訊為主的網(wǎng)絡(luò)，也稱現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。也就是將傳感器、各種操作終端和控制器間的通訊及控制器之間的通訊進行特化的網(wǎng)絡(luò)。原來這些機器間的主體配線是ON/OFF、接點信號和模擬信號，通過通訊的數(shù)字化，使時間分割、多重化、多點化成為可能，從而實現(xiàn)高性能化、高可靠化、保養(yǎng)簡便化、節(jié)省配線（配線的共享）。現(xiàn)場總線系統(tǒng)在技術(shù)上具有以下特點：

（1）系統(tǒng)的開放性開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，各不同廠家設(shè)備之間可進行互連并實現(xiàn)信息交換。現(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對相關(guān)標準的一致性、公開性，強調(diào)對標準的共識與遵從。一個開放系統(tǒng)，它可以與任何遵守相同標準的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。一個具有總線功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)必須是開放的；開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶。

（2）互可操作性與互用性這里的互可操作性，是指實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數(shù)字通信。

（3）現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。

（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性由于現(xiàn)場設(shè)備本身可完成自動控制的基本功能，導致現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

（5）對現(xiàn)場環(huán)境的適應性工作在現(xiàn)場設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。

一個完整高效的醫(yī)院經(jīng)營管理信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對于醫(yī)院經(jīng)營管理現(xiàn)代化信息化智能化，提高醫(yī)院的就疹監(jiān)護管理效率，都起著十分重要的作用。醫(yī)院病房的監(jiān)護系統(tǒng)屬于醫(yī)院管理信息網(wǎng)絡(luò)一個子系統(tǒng)，因此，醫(yī)院對各個病房的監(jiān)控護理最適合于利用現(xiàn)場總線構(gòu)成底層局域網(wǎng)，并且還可以利用病房現(xiàn)場醫(yī)療、診斷、監(jiān)控等設(shè)備的智能化對病員的護理監(jiān)測實現(xiàn)自動化。而且由于現(xiàn)場總線的以上特點，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使其在醫(yī)院病房監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、正常運行及其維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。

（1）節(jié)省硬件數(shù)量與投資；

（2）節(jié)省安裝費用；

（3）節(jié)省維護開銷；

（4）用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)；

（5）提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性；

（6）設(shè)計簡單，易于重構(gòu)；

3.基于CAN總線的醫(yī)院病房全開放分布式監(jiān)護系統(tǒng)模型及其軟硬件組成

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network， CAN）的簡稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)了的，并最終成為國際標準（ISO118？8）。是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車輛設(shè)計的J1939協(xié)議。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境它有如下基本特點：

（1）CAN協(xié)議遵循ISO/OSI模型采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層的三層結(jié)構(gòu)。

（2）CAN的通信速率為：5Kbps/10km，1Mbps/40m，節(jié)點數(shù)可達110個，傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，光纖等。

（3）CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀有效字節(jié)數(shù)為8個，這樣傳輸時間短，受干擾的概率低。并且，當CAN節(jié)點發(fā)生嚴重錯誤時，CAN具有自動關(guān)閉節(jié)點的功能，自動切斷與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點及其通信不受影響。所以，具有較強的抗干擾能力。

（4）CAN節(jié)點采用點對點，一點對多點以及廣播幾種發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)全分布式多機系統(tǒng)，并且無主從之分。

（5）CAN采用非破壞的總線仲裁技術(shù)。

（6）CAN能支持防爆區(qū)。