基于Modbus与电学层析成像技术的远程医疗监控系统概论

李煜鑫

摘 要 针对目前医疗情况，描述了一种基于Modbus与电学层析成像技术的自动化医疗监控系统，并给出了整个设计思路以及VC++6.0的仿真。

关键词 Modbus;电学层析成像技术;双层网络

引言

随着新型冠状病毒（2019-nCoV）感染所致肺炎的肆虐，医生在與病人长时间接触时也感染了这个传染性极强的病毒。本文介绍的基于Modbus与电学层析成像技术的远程医疗监控系统可以提供便利、廉价、快捷的检测方式并且能在远程进行对病人的监控，以此避免医生与病人的长时间接触。此系统主要由两层网络和三层设备构成。

现有的应用Modbus协议的论文主要集中在自动化控制。Zhaoyong Li ， Shouming Zhang[1]基于Modbus算法提出了具有自动控制能力的矿物浮选系统，以降低生产成本。Bo Li [2]验证了基于modbus/TCP协议的塔吊的无线控制系统的安全性与可靠性。Qing LIU[3]通过在火力发电厂水处理系统中实现Modbus/TCP工业以太网协议的工业实时控制，表明了工业以太网在分散过程控制领域的重要性。

还有提到了Modbus的双层网络：乔新晓、贾智平[4]针对目前大量应用协议的产品，描述了一种基于的自动化监控系统平台，并给出了在 Modbus双层网络下实时数据映像技术和实时网页构建技术的具体实现。陈斌[5]在 Modbus/TCP 及 WEB 基础上，分析了网络集中监控系统监控策略，探讨了它的软硬件设计方法， 由此研制了一种基于完全开放通信策略的监控系统。洪剑青[6]介绍了一款基于Modbus 总线的智能电机驱动装置，使主机可以利用有限的资源实现多站点远程实时控制，并能在故障报警时对于电机进行断电保护。贾文婷[7]把Modbus通信协议应用在交通信号系统中，实现智能化，为道路交通提供一个顺畅、快捷的运行环境。

与医疗相关的研究有：王勇[8]提出了一种基于云平台的远程家庭医疗监护方案，可以实现专网环境下的移动端远程实时监护，保证采集数据的安全性，保密性，但是未能实现监护端的信息采集便捷性以及完整性。武丽[9]提出了一种基于MODBUS通信协议的无线集散式监护系统，实现了生理数据信息高效可靠的传输，并适合于系统的调试，但是未能实现监护设备的可穿戴性。

1 系统结构和工作原理

本系统主要由Modbus的两层网络以及电学层析成像技术构成。

1.1 系统主要结构

此系统主要分成两层网络和三层设备。两层网络分别是以太网和MODBUS网。以太网主要由个人计算机通过网卡，以太网交换机和MOD/TCP网关通过以太网单元相连而成。MODBUS网主要由①现场模拟量采集，控制智能仪表，通过连接RS485总线构成模拟量采集，控制单元，②医疗设备内置PLC通过连接RS485总线构成智能控制单元。二级设备的第一级是由服务器和多台终端构成，第一级是由Modbus/TCP网关及与其相连的MicroTSX37系列PLC构成的，第二级是由多台智能监测设备和多台医疗设备内置PLC构成。

1.2 基于Modbus的通信机制

Modbus是一种串行通信协议，是Modicon公司（现在的施耐德电气 Schneider Electric）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表。Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准（De facto），并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。同时支持，RTU，TCP/IP， ASCII 码通讯。本文在这里重点及绍两种，即Modbus/TCP协议和Modbus/RTU协议。Modbus/TCP的数据帧可分为报文头以及数据两部分，如图1：

Modbus/RTU的报文同样可分为两部分，和Modbus/TCP报文的格式类似，但是没有报文头。RTU模式，以RTU模式在Modbus总线上进行通讯时，信息中的每8位字节成2个4位16进制的字符，每个信息必须连续传输。

1.3 电学层析成像原理

电学层析成像，Electrical Tomography， ET，是层析成像技术的一种，其通过对被测物体施加电激励，并检测其边界值的变化，利用特定数学手段逆推被测物体内部的电特性参数分布，从而得到物体内部的分布情况。空间阵列电极均匀安装在被测管道或反应装置 的外（内）壁 ，数据采集系统在扫描激励电极下测量电 极对间的阻抗值，获取各种不同视角下的投影数据，并直接送入成像计算机显示了一个典型的ET（Electrical Tomography）系统的结构，它由3部分组成。①传感器阵列：通常由一组等间隔均匀分布的电极组成;②数据采集和控制单元：用于产生激励和测量信号从而进一步获取成像的测量数据;③图像重建与显示单元：基于测量数据和成像算法实现被测物场目标的可视化重建。

在本系统中不需要对于图像进行重建，而是通过获得的成像数据与预先设定的阈值进行对比，以二进制0/1的表示由串口输出，其中若赋值为1则表示该患者需得到进一步的治疗，反之亦然。此数据会由双层网络传输到远程的监控室，因此实现对于患者情况的远程监控并避免医生与患者长时间的不必要接触。

1.4 双层网络

即监控设备通过RTU协议与计算机（监控终端）进行通信时，监控终端（计算机）可以同时通过TCP/IP协议发出报文.这需要一个路由器将监控设备和计算机连接起来。让计算机连接对应的端口，以便传输数据。而RTU也要连接对应的串口，以便接收来自监控终端（计算机）的MASTER报文，从而返回数据给监控终端。

2 系统设置的关键问题

2.1 网络设置

（1）以太网的设置

以太网由一台服务器和多台监视终端（计算机）构成。计算机首先要登记与之相连的底层设备的I/O表和监控数据表。另外，还应该设置IP地址，子网掩码（255.255.0.0），单元号，节点号。过程如下：