現場總線的醫(yī)院病房全開放分布式監(jiān)護系統(tǒng)實現

　　數字化醫(yī)院是我國現代醫(yī)療發(fā)展的新趨勢，數字化醫(yī)院系統(tǒng)是醫(yī)院業(yè)務軟件、數字化醫(yī)療設備、網絡平臺所組成的三位一體的綜合信息系統(tǒng)，數字化醫(yī)院工程有助于醫(yī)院實現資源整合、流程優(yōu)化，降低運行成本，提高服務質量、工作效率和管理水平。根據醫(yī) 院的要求，本著高水準、高質量，提高產品的性能價格比，在設計上充分體現建設者的意圖，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。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，只能實現點對點之間的通信，構成系統(tǒng)的節(jié)點受主設備負荷限制，擴展性很差，而現場總線作為近些年來首先在工控領域發(fā)展起來的一種新型技術。

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

　　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。隨著數字通信技術的迅速發(fā)展和應用，適應遠程信息傳輸的串行通信技術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，利用分布在各個病房的現場監(jiān)護儀器設備實現對病人生理參數作實時數據采集，通過串行通信接口進行對數據信息的遠距離傳輸，借助遠程計算機經醫(yī)務人員對數據參數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)結構如圖1所示，該系統(tǒng)采用一般的雙絞線做傳輸介質，實現中心監(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)護病人數量增多，聯網線路太多，而且由于RS-232接口標準出現較早，通信上存在一些不足之處，主要有以下四點：

　?。?） 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.

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

　?。?） 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)護領域很快得到應用，系統(tǒng)結構如圖2所示。

　　智能儀表是隨著80年代初單片機技術的成熟而發(fā)展起來的，現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網通信接口。最初是數據模擬信號輸出簡單過程量，后來儀表接口是RS232接口，這種接口可以實現點對點的通信方式，但這種方式不能實現聯網功能。隨后出現的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的數據最高傳輸速率為10Mbps.

　?。?） RS-485接口是采用平衡驅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。

　?。?） 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備網絡。

　　雖然優(yōu)點很多，但是和現場總線構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；

　?。?）硬件上沒有緩存功能；

　?。?）數據通信方式為命令響應式，致使系統(tǒng)靈活性差；

　?。?）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生影響

　?。?）RS-485總線網的設備間要想互通信息只有通過"主（Master）"設備中轉才能實現，而這種總線網絡中只允許存在一個主設備，其余全部是從（Slave）設備，因此各個節(jié)點之間不具有互可操作性，并且無法構成多主冗余系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性差；

　?。?）RS-485總線不具有開放式互聯網的特點，還不能構成全開放分布式的互聯通信網絡系統(tǒng)。

　　2. 現場總線技術特點以及運用在醫(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，我們分析了自控領域內多年來發(fā)展并應用成熟的現場總線技術的特點，將其引入醫(yī)院病房監(jiān)護，構成醫(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。

　　現場總線是指以工廠內的測量和控制機器間的數字通訊為主的網絡，也稱現場網絡。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絡。原來這些機器間的主體配線是ON/OFF、接點信號和模擬信號，通過通訊的數字化，使時間分割、多重化、多點化成為可能，從而實現高性能化、高可靠化、保養(yǎng)簡便化、節(jié)省配線（配線的共享）?，F場總線系統(tǒng)在技術上具有以下特點：

　　（1）系統(tǒng)的開放性 開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，各不同廠家設備之間可進行互連并實現信息交換。現場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網絡的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對相關標準的一致性、公開性，強調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備或系統(tǒng)相連。一個具有總線功能的現場總線網絡，系統(tǒng)必須是開放的；開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權利交給了用戶。

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

　?。?）現場設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場設備中完成，僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態(tài)。

　?。?）系統(tǒng)結構的高度分散性 由于現場設備本身可完成自動控制的基本功能，導致現場總線已構成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結構。

　　（5）對現場環(huán)境的適應性 工作在現場設備前端，作為工廠網絡底層的現場總線，是專為現場環(huán)境工作而設計的，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，能采用兩線制實現送電與通信，并可滿足本質安全防爆要求等。

　　一個完整高效的醫(yī)院經營管理信息網絡系統(tǒng)，對于醫(yī)院經營管理現代化信息化智能化，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)院管理信息網絡一個子系統(tǒng)，因此，醫(yī)院對各個病房的監(jiān)控護理最適合于利用現場總線構成底層局域網，并且還可以利用病房現場醫(yī)療、診斷、監(jiān)控等設備的智能化對病員的護理監(jiān)測實現自動化。而且由于現場總線的以上特點，特別是現場總線系統(tǒng)結構的簡化，使其在醫(yī)院病房監(jiān)護系統(tǒng)的設計、安裝、正常運行及其維護，都體現出優(yōu)越性。

　?。?） 節(jié)省硬件數量與投資；

　?。?） 節(jié)省安裝費用；

　?。?） 節(jié)省維護開銷；

　?。?） 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權；

　?。?） 提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性；

　?。?） 設計簡單，易于重構；

　　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是控制器局域網絡（Controller Area Network, CAN）的簡稱，是由研發(fā)和生產汽車電子產品著稱的德國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場總線之一。 在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網的標準總線，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：

　?。?）CAN協(xié)議遵循ISO/OSI模型采用了其中的物理層、數據鏈路層和應用層的三層結構。

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

　　（3）CAN的信號傳輸采用短幀結構，每一幀有效字節(jié)數為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具有自動關閉節(jié)點的功能，自動切斷與總線的聯系，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。

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

　　（5）CAN采用非破壞的總線仲裁技術。

　　（6）CAN能支持防爆區(qū)。