基于Modbus與電學層析成像技術的遠程醫療監控系統概論

李煜鑫

摘 要 針對目前醫療情況，描述了一種基于Modbus與電學層析成像技術的自動化醫療監控系統，并給出了整個設計思路以及VC++6.0的仿真。

關鍵詞 Modbus;電學層析成像技術;雙層網絡

引言

隨著新型冠狀病毒（2019-nCoV）感染所致肺炎的肆虐，醫生在與病人長時間接觸時也感染了這個傳染性極強的病毒。本文介紹的基于Modbus與電學層析成像技術的遠程醫療監控系統可以提供便利、廉價、快捷的檢測方式并且能在遠程進行對病人的監控，以此避免醫生與病人的長時間接觸。此系統主要由兩層網絡和三層設備構成。

現有的應用Modbus協議的論文主要集中在自動化控制。Zhaoyong Li ， Shouming Zhang[1]基于Modbus算法提出了具有自動控制能力的礦物浮選系統，以降低生產成本。Bo Li [2]驗證了基于modbus/TCP協議的塔吊的無線控制系統的安全性與可靠性。Qing LIU[3]通過在火力發電廠水處理系統中實現Modbus/TCP工業以太網協議的工業實時控制，表明了工業以太網在分散過程控制領域的重要性。

還有提到了Modbus的雙層網絡：喬新曉、賈智平[4]針對目前大量應用協議的產品，描述了一種基于的自動化監控系統平臺，并給出了在 Modbus雙層網絡下實時數據映像技術和實時網頁構建技術的具體實現。陳斌[5]在 Modbus/TCP 及 WEB 基礎上，分析了網絡集中監控系統監控策略，探討了它的軟硬件設計方法， 由此研制了一種基于完全開放通信策略的監控系統。洪劍青[6]介紹了一款基于Modbus 總線的智能電機驅動裝置，使主機可以利用有限的資源實現多站點遠程實時控制，并能在故障報警時對于電機進行斷電保護。賈文婷[7]把Modbus通信協議應用在交通信號系統中，實現智能化，為道路交通提供一個順暢、快捷的運行環境。

與醫療相關的研究有：王勇[8]提出了一種基于云平臺的遠程家庭醫療監護方案，可以實現專網環境下的移動端遠程實時監護，保證采集數據的安全性，保密性，但是未能實現監護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通信協議的無線集散式監護系統，實現了生理數據信息高效可靠的傳輸，并適合于系統的調試，但是未能實現監護設備的可穿戴性。

1 系統結構和工作原理

本系統主要由Modbus的兩層網絡以及電學層析成像技術構成。

1.1 系統主要結構

此系統主要分成兩層網絡和三層設備。兩層網絡分別是以太網和MODBUS網。以太網主要由個人計算機通過網卡，以太網交換機和MOD/TCP網關通過以太網單元相連而成。MODBUS網主要由①現場模擬量采集，控制智能儀表，通過連接RS485總線構成模擬量采集，控制單元，②醫療設備內置PLC通過連接RS485總線構成智能控制單元。二級設備的第一級是由服務器和多臺終端構成，第一級是由Modbus/TCP網關及與其相連的MicroTSX37系列PLC構成的，第二級是由多臺智能監測設備和多臺醫療設備內置PLC構成。

1.2 基于Modbus的通信機制

Modbus是一種串行通信協議，是Modicon公司（現在的施耐德電氣 Schneider Electric）于1979年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發表。Modbus已經成為工業領域通信協議的業界標準（De facto），并且現在是工業電子設備之間常用的連接方式。同時支持，RTU，TCP/IP， ASCII 碼通訊。本文在這里重點及紹兩種，即Modbus/TCP協議和Modbus/RTU協議。Modbus/TCP的數據幀可分為報文頭以及數據兩部分，如圖1：

Modbus/RTU的報文同樣可分為兩部分，和Modbus/TCP報文的格式類似，但是沒有報文頭。RTU模式，以RTU模式在Modbus總線上進行通訊時，信息中的每8位字節成2個4位16進制的字符，每個信息必須連續傳輸。

1.3 電學層析成像原理

電學層析成像，Electrical Tomography， ET，是層析成像技術的一種，其通過對被測物體施加電激勵，并檢測其邊界值的變化，利用特定數學手段逆推被測物體內部的電特性參數分布，從而得到物體內部的分布情況。空間陣列電極均勻安裝在被測管道或反應裝置 的外（內）壁 ，數據采集系統在掃描激勵電極下測量電 極對間的阻抗值，獲取各種不同視角下的投影數據，并直接送入成像計算機顯示了一個典型的ET（Electrical Tomography）系統的結構，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數據采集和控制單元：用于產生激勵和測量信號從而進一步獲取成像的測量數據;③圖像重建與顯示單元：基于測量數據和成像算法實現被測物場目標的可視化重建。

在本系統中不需要對于圖像進行重建，而是通過獲得的成像數據與預先設定的閾值進行對比，以二進制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一步的治療，反之亦然。此數據會由雙層網絡傳輸到遠程的監控室，因此實現對于患者情況的遠程監控并避免醫生與患者長時間的不必要接觸。

1.4 雙層網絡

即監控設備通過RTU協議與計算機（監控終端）進行通信時，監控終端（計算機）可以同時通過TCP/IP協議發出報文.這需要一個路由器將監控設備和計算機連接起來。讓計算機連接對應的端口，以便傳輸數據。而RTU也要連接對應的串口，以便接收來自監控終端（計算機）的MASTER報文，從而返回數據給監控終端。

2 系統設置的關鍵問題

2.1 網絡設置

（1）以太網的設置

以太網由一臺服務器和多臺監視終端（計算機）構成。計算機首先要登記與之相連的底層設備的I/O表和監控數據表。另外，還應該設置IP地址，子網掩碼（255.255.0.0），單元號，節點號。過程如下：