現(xiàn)場(chǎng)總線的醫(yī)院病房全開放分布式監(jiān)護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　數(shù)字化醫(yī)院是我國(guó)現(xiàn)代醫(yī)療發(fā)展的新趨勢(shì)，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(tái)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(shí)現(xiàn)資源整合、流程優(yōu)化，降低運(yùn)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(zhǔn)、高質(zhì)量，提高產(chǎn)品的性能價(jià)格比，在設(shè)計(jì)上充分體現(xiàn)建設(shè)者的意圖，同時(shí)考慮到今后使用者的使用、維護(hù)、保養(yǎng)的方便性，設(shè)計(jì)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(hù)系統(tǒng)。醫(yī)院監(jiān)護(hù)系統(tǒng)便是住院管理系統(tǒng)中的一個(gè)底層分布式監(jiān)控局域網(wǎng)。這些所謂的總線式監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，由于采用的都是傳統(tǒng)串行通信協(xié)議，只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的通信，構(gòu)成系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)受主設(shè)備負(fù)荷限制，擴(kuò)展性很差，而現(xiàn)場(chǎng)總線作為近些年來(lái)首先在工控領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的一種新型技術(shù)。

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

　　各種微計(jì)算機(jī)的監(jiān)護(hù)儀及監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，起初的這種監(jiān)護(hù)系統(tǒng)一般采用專用器件，形成一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，不提供與外部系統(tǒng)的接口，不能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)。隨著數(shù)字通信技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，適應(yīng)遠(yuǎn)程信息傳輸?shù)拇型ㄐ偶夹g(shù)逐漸成熟并得到廣泛應(yīng)用，醫(yī)院病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)開始引入了串行通信技術(shù)，利用分布在各個(gè)病房的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)病人生理參數(shù)作實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，通過(guò)串行通信接口進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)距離傳輸，借助遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)經(jīng)醫(yī)務(wù)人員對(duì)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行分析處理形成病人醫(yī)囑信息，傳輸給護(hù)士值班員對(duì)病人執(zhí)行臨床監(jiān)護(hù)，同時(shí)護(hù)士值班員也可以在值班室得到病人實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)請(qǐng)求信息以及簡(jiǎn)單的監(jiān)護(hù)反饋信息。

　　最先采用的串行通信協(xié)議是RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)現(xiàn)中心監(jiān)護(hù)站對(duì)病人床邊監(jiān)護(hù)儀之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，但整個(gè)系統(tǒng)隨著監(jiān)護(hù)病人數(shù)量增多，聯(lián)網(wǎng)線路太多，而且由于RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早，通信上存在一些不足之處，主要有以下四點(diǎn)：

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

　?。?） 傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為20Kbps.

　?。?） 接口使用一根信號(hào)線和一根信號(hào)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。

　?。?） 傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為50英尺，實(shí)際上也只能用在50米左右。

　　針對(duì)RS-232的不足，于是就不斷出現(xiàn)了一些新的接口標(biāo)準(zhǔn)，RS-485就是其中之一，并且在病房監(jiān)護(hù)領(lǐng)域很快得到應(yīng)用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　智能儀表是隨著80年代初單片機(jī)技術(shù)的成熟而發(fā)展起來(lái)的，現(xiàn)在世界儀表市場(chǎng)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(shí)其中的一個(gè)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(hào)輸出簡(jiǎn)單過(guò)程量，后來(lái)儀表接口是RS232接口，這種接口可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，但這種方式不能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。隨后出現(xiàn)的RS485解決了這個(gè)問(wèn)題。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　（1） RS-485接口信號(hào)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。

　?。?） 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(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。

　　（4） RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺，實(shí)際上可達(dá)3000米，另外RS-232接口在總線上只允許連接1個(gè)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(dá)32個(gè)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(diǎn)很多，但是和現(xiàn)場(chǎng)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(wú)法克服的缺陷：

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

　?。?）無(wú)總線脫離功能，一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)上的RS-485收發(fā)器短路或發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤，整個(gè)總線將不能正常工作；

　?。?）硬件上沒(méi)有緩存功能；

　?。?）數(shù)據(jù)通信方式為命令響應(yīng)式，致使系統(tǒng)靈活性差；

　　（5）RS-485總線在空閑時(shí)需要在總線上維持一個(gè)固定的電流，這對(duì)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(guò)"主（Master）"設(shè)備中轉(zhuǎn)才能實(shí)現(xiàn)，而這種總線網(wǎng)絡(luò)中只允許存在一個(gè)主設(shè)備，其余全部是從（Slave）設(shè)備，因此各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間不具有互可操作性，并且無(wú)法構(gòu)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(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，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(chǎng)總線技術(shù)特點(diǎn)以及運(yùn)用在醫(yī)院病房全開放分布式監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的優(yōu)點(diǎn)

　　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(lái)發(fā)展并應(yīng)用成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的特點(diǎn)，將其引入醫(yī)院病房監(jiān)護(hù)，構(gòu)成醫(yī)院病房全開放分布式監(jiān)護(hù)系統(tǒng)能夠很好的克服傳統(tǒng)總線系統(tǒng)的不足。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線是指以工廠內(nèi)的測(cè)量和控制機(jī)器間的數(shù)字通訊為主的網(wǎng)絡(luò)，也稱現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行特化的網(wǎng)絡(luò)。原來(lái)這些機(jī)器間的主體配線是ON/OFF、接點(diǎn)信號(hào)和模擬信號(hào)，通過(guò)通訊的數(shù)字化，使時(shí)間分割、多重化、多點(diǎn)化成為可能，從而實(shí)現(xiàn)高性能化、高可靠化、保養(yǎng)簡(jiǎn)便化、節(jié)省配線（配線的共享）。現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在技術(shù)上具有以下特點(diǎn)：

　?。?）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(jìn)行互連并實(shí)現(xiàn)信息交換?，F(xiàn)場(chǎng)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(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開性，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。一個(gè)開放系統(tǒng)，它可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。一個(gè)具有總線功能的現(xiàn)場(chǎng)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。

　?。?）互可操作性與互用性 這里的互可操作性，是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實(shí)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)字通信。

　　（3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性 它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

　　（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身可完成自動(dòng)控制的基本功能，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)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)。

　?。?）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性 工作在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線，是專為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境工作而設(shè)計(jì)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(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。

　　一個(gè)完整高效的醫(yī)院經(jīng)營(yíng)管理信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)于醫(yī)院經(jīng)營(yíng)管理現(xiàn)代化信息化智能化，提高醫(yī)院的就疹監(jiān)護(hù)管理效率，都起著十分重要的作用。醫(yī)院病房的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)屬于醫(yī)院管理信息網(wǎng)絡(luò)一個(gè)子系統(tǒng)，因此，醫(yī)院對(duì)各個(gè)病房的監(jiān)控護(hù)理最適合于利用現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成底層局域網(wǎng)，并且還可以利用病房現(xiàn)場(chǎng)醫(yī)療、診斷、監(jiān)控等設(shè)備的智能化對(duì)病員的護(hù)理監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。而且由于現(xiàn)場(chǎng)總線的以上特點(diǎn)，特別是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，使其在醫(yī)院病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、正常運(yùn)行及其維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。

　?。?） 節(jié)省硬件數(shù)量與投資；

　?。?） 節(jié)省安裝費(fèi)用；

　?。?） 節(jié)省維護(hù)開銷；

　?。?） 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)；

　?。?） 提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性；

　　（6） 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(hù)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(jiǎn)稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國(guó)BOSCH公司開發(fā)了的，并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO118?8）。是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計(jì)的J1939協(xié)議。近年來(lái)，其所具有的高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境它有如下基本特點(diǎn)：

　?。?）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(yīng)用層的三層結(jié)構(gòu)。

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

　　（3）CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，這樣傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。并且，當(dāng)CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，CAN具有自動(dòng)關(guān)閉節(jié)點(diǎn)的功能，自動(dòng)切斷與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點(diǎn)及其通信不受影響。所以，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

　　（4）CAN節(jié)點(diǎn)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)以及廣播幾種發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng)，并且無(wú)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)。