CN104639580A - 一种新型的无线传感器网络通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的无线传感器网络通信方法及系统。本方法为：1）将有源传感器设置于待测者身上；所述有源传感器包括一电极，该电极贴于该待测者体表；该待测者体表或该电极上设有一与该电极通信连接的微型收发机芯片；2）所述微型收发机芯片以该待测者为天线接收远程网络中心控制器发送的信号，并将该信号发送给所述有源传感器；3）所述有源传感器根据该信号对该待测者进行数据采集，并将采集的数据发送给所述微型收发机芯片；所述微型收发机芯片以该待测者为天线将采集的数据发送给所述远程网络中心控制器。本发明具有成本低、便捷性好、传输距离远、适用范围广等特点。

Description

一种新型的无线传感器网络通信方法及系统

技术领域

本发明涉及一种将人体或动物体作为天线的无线通信方法及系统。利用待测者本身作为天线，经由贴于待测者体表面的电极，将信号传递给穿戴于待测者上的便携式收发机，或者将便携式收发机的发射信号经由待测者体表面的电极，传递给该待测者，利用待测者作为天线，将信号发送给远处的远程网络中心控制器，尤其涉及一种可以进行远程通讯的人体传感器网络，用于可穿戴医疗监控系统。

背景技术

无线通信在我们的生活中的应用越来越多，尤其是无线传感器网络以及可穿戴式医疗监护系统。由于其在收集人体或其他动物体的生理参数数据，用于疾病预测和早期诊断中具有重要作用，一直是医疗电子应用研究中的一项重要课题。基于低成本，低功耗的无线传输技术以及系统方案有助于病人在日常工作、生活中实时采集身体的基本生命参数，通过减少医患间面对面的问诊时间从而提高效率，缓解资源不足的矛盾。

传感用无线通信系统由多样的可穿戴传感器以及远程网络中心控制器组成，传感器探测温度，心率等信号，远程网络中心控制器收集存贮以及处理信号。传统的传感用无线通信系统的通讯频段多在400MHz左右的工业、科研、医疗频段（IMS）内实现，如Hoi-Jun Yoo教授研究组曾做过402MHz FSK调制的用于植入医疗的超低功耗收发机（Joonsung Bae,NamjunCho,Hoi-Jun Yoo,"A490uW fully MICS compatible FSK transceiver for implantabledevices,"VLSI Circuits,2009Symposium on,pp.36,37,June2009）。不过由于400MHz左右的信号波长相比于高频（HF：3MHz-30MHz）和超高频（UHF：30MHz-300MHz）短，绕过障碍物能力相对弱，传播距离较近，而且还需要用于发射400MHz左右信号的天线，天线成本较高和尺寸较大都是其缺点。

而传统广播远距离通信的频率划分为：中波频率525—1605kHz；短波频率3500—18000kHz；调频频率88—108MHz的甚高频波段。广播的优势是波长长，以100MHz信号为例，其波长为3米，绕开障碍物能力强，是非常好的远距离通信的方式。如果使用甚高频广播频段作为前文所提到的无线传感器网络的载波频率，在相比以往的传输距离下，其所需的功耗更小，但是由于天线的尺寸反比于信号频率，用于传输甚高频信号的天线尺寸非常大（更低频率的天线尺寸更加巨大），例如对于100MHz信号的天线，其长度接近0.75米，不能够被便携仪器采用，且广播信号的干扰也非常严重。

最近，Hoi-Jun Yoo教授研究组为了解决可穿戴式医疗监护系统传感器与传感器控制器连线过多的问题，做出了一种新型的基于人体体表信道通信的无线传感器网络架构，如图1所示。虽然，此可穿戴式医疗监护系统大大减少了传感器的连线，方便了患者。不过此系统仍然需要一个带天线的，置于人体上的传感器控制器，发射400MHz左右的信号与远程网络中心控制器通信。此系统依然存在绕过障碍物能力弱，通信距离近，天线成本较高和尺寸较大等缺点。

目前，现有的文献和专利所述的用于无线传感器网络方案和技术，都没有很好的整体上解决低功耗，远距离传输，低成本，以及便携性方面的问题，这就极大地限制了这些技术的应用。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种新型的无线传感器网络通信方法及系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型的无线传感器网络通信方法，其步骤为：

1）将有源传感器设置于待测者身上；所述有源传感器包括一电极，该电极贴于该待测者体表；该待测者体表或该电极上设有一与该电极通信连接的微型收发机芯片；

2）所述微型收发机芯片以该待测者为天线接收远程网络中心控制器发送的信号，并将该信号发送给所述有源传感器；

3）所述有源传感器根据该信号对该待测者进行数据采集，并将采集的数据发送给所述微型收发机芯片；

4）所述微型收发机芯片以该待测者为天线将采集的数据发送给所述远程网络中心控制器。

进一步的，所述微型收发机芯片贴于该待测者体表，通过该待测者的体表信道与该电极通信连接。

进一步的，所述体表信道为该待测者的真皮层。

进一步的，所述远程网络中心控制器采用小于100MHz的信号传输频率发送所述信号。

进一步的，所述远程网络中心控制器采用40MHz～80MHz作为信号传输频率发送所述信号。

一种新型的无线传感器网络通信系统，其特征在于包括一有源传感器，所述有源传感器包括一用于设置于待测者体表的电极；一用于设置于该待测者体表或该电极上的微型收发机芯片，所述微型收发机芯片与该电极通信连接；一远程网络中心控制器，与所述微型收发机芯片通过无线通信方式通信连接；工作时，所述微型收发机芯片以该待测者为天线与所述远程网络中心控制器通信。

本发明的无线通信系统架构如图2所示。以人体为例，采用40MHz～80MHz作为信号传输频率，其波长大约为3.75米至6米，其四分之一波长恰好与人体尺度相当，并且人体体表以下的真皮层导电性能良好。测试结果如图3所示，使用传统天线发射信号能量时钟为+6dBm，在间距1米和3米处，分别用传统天线和人体接收信号，检测接收到的能量大小。从图中看出人体在40MHz～80MHz频率段下，用人体作为天线接收到的信号能量与使用传统天线接收到的能量相近，甚至更好，故使用人体与可作为良好的天线，用于发送和接收信号。那么，将微型通信收发机芯片通过电极贴于人体表皮上，它作为终端与远程网络中心控制器一同构成一种以人体作为天线的无线通信网络。传感器为体外有源传感器或植入待测者体内的植入式有源传感器，有源传感器的电极接触电阻越小越好，可以沿用现有的电极，或者采用涂上银胶的电极（增加电导率）或者带有微型针尖阵列的电极（微型针尖可以穿透人体表皮的死皮层到达真皮层，增加电导率）。

其工作原理为：

1）接收过程：从远程网络中心控制器传来的40MHz～80MHz信号被人体接收，并经由贴于人体表皮的电极传入贴于电极或者人体体表上的微型收发机芯片；

2）发射过程：贴于电极或者人体体表上的微型收发机芯片将信号通过贴于人体表皮的电极，经由人体天线发送给远处的远程网络中心控制器进行数据采集，处理，存储等功能。

与现有的无线传感器网络相比，本发明在用于发射和接收信号的天线上和通信频率上有着根本性的区别。本发明的优点和积极效果如下：

1）成本低：相比于传统无源传感器网络采用专用天线进行信号通信，本发明极大的降低了成本，人体即天线，只需要一个低成本的电极与人体相连即可。相比于利用人体体表通信的无线通信系统而言，不需要置于人体上的、带有天线的传感器控制器，整体无线通信系统的成本和体积都大大减小，极大地提高了整个系统的性能。

2）便捷性好：取消了传统的天线，使得体积减小，特别在对于小于100MHz频率下，体积减小显著，极大地提高了便携性。

3）传输距离远：采用40MHz～80MHz公用频段，频率低，波长长，干扰小，绕开障碍物能力强，空气对次波段的电磁波吸收率非常低，信号传输距离远。

4）适用范围广：用于无线传感器网络人体端的收发机与人体皮肤的接触界面可采用各种类型的电极，可安置在生物体的各个部位。

附图说明

图1基于人体体表信道通信的无线传感器网络架构示意图。

图2基于人体作为天线的无线通信系统示意图。

图3基于人体作为天线的测试数据比较示意图。

图4本发明的一个具体实施方式示意图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明做详细的说明。

本实施例是一种用于实施上述人体作为天线的无线通信系统的装置，如图4所示。至少包括一路远程网络中心控制器及连接有贴于人体体表电极的传感器。

本实施例是一种利用人体作为天线的无线人体心电图（ECG）监控系统。传统的心电图需要16个电极，通过电线连接到体积硕大的记录分析仪器上，检测步骤繁琐，而且很多的连线给病人带来不便，更不可能做到实时检测，家庭使用也几乎不可能。

采用本文的技术，利用人体作为天线的无线人体心电图（ECG）监控系统如图4所示。此系统由16个穿戴在人体上的带有电极含有电池的心电监测传感器和一个远程网络中心控制器，例如电脑或者智能手机或者医院中央数据处理中心等。其中，穿戴在人体上的心电监测传感器通过电极，利用作为天线的人体接收从远程网络中心控制器发送来的信号；穿戴在人体上的心电监测传感器亦通过电极，将采集到的人体心电信号经由作为天线的人体向远程网络中心控制器发送过去；远程网络中心控制器通过天线向穿戴在人体上的带有电极的心电监测传感器发送命令以及接收其发送过来的数据信号，分析并展示给病人或医生等人，作为诊断依据。

此系统的工作过程为：

（1）远程网络中心控制器通过天线向穿戴在人体上的带有电极含有电池的心电监测传感器发送开始测量心电信号的命令；

（2）穿戴在人体上的带有电极含有电池的心电监测传感器（如图中带有电极含有电池的心电监测传感器1和2为例）经由贴在人体表皮的电极，通过作为天线的人体接收到了命令，然后按照命令开始采集人体心电信号；

（3）穿戴在人体上的带有电极含有电池的心电监测传感器把采集到的人体心电信号，经由贴在人体体表的电极，通过作为天线的人体发射出去；

（4）远程网络中心控制器通过天线接收到来自穿戴在人体上带有电极含有电池的心电监测传感器发送的人体心电信号，经过数据处理，存储等步骤，随后呈现给患者或者医生等。

由于不含有天线的微型传感器电路可以做得很小，与小型电池和电极作为一个可穿戴式无线人体心电图（ECG）监控系统的终端，它的体积可以做的很小，贴在人体皮肤上，由于没有电线相连，人体可以随意活动，人体身上不需要携带多余的无线传输控制器。远程网络中心控制器作为终端则可以集成进电脑，智能手机等终端使用，实时记录分析，共享数据。本系统采用无线传输数据，不含有传统心电系统中连接记录分析仪器和电极的电线，信号传输为通过以人体作为天线的无线方式，不会给被测者带来不适，被测者可以自由活动，监控系统可以随时工作，给被测者带来了极大的方便。

上述实施例仅是为了说明本发明技术方案的原理，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何同等变化与修改，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型的无线传感器网络通信方法，其步骤为：

1）将有源传感器设置于待测者身上；所述有源传感器包括一电极，该电极贴于该待测者体表；该待测者体表或该电极上设有一与该电极通信连接的微型收发机芯片；

2）所述微型收发机芯片以该待测者为天线接收远程网络中心控制器发送的信号，并将该信号发送给所述有源传感器；

3）所述有源传感器根据该信号对该待测者进行数据采集，并将采集的数据发送给所述微型收发机芯片；

4）所述微型收发机芯片以该待测者为天线将采集的数据发送给所述远程网络中心控制器。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述微型收发机芯片贴于该待测者体表，通过该待测者的体表信道与该电极通信连接。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述体表信道为该待测者的真皮层。

4.如权利要1或2或3所述的方法，其特征在于所述远程网络中心控制器采用小于100MHz的信号传输频率发送所述信号。

5.如权利要4所述的方法，其特征在于所述远程网络中心控制器采用40MHz～80MHz作为信号传输频率发送所述信号。

6.一种新型的无线传感器网络通信系统，其特征在于包括一有源传感器，所述有源传感器包括一用于设置于待测者体表的电极；一用于设置于该待测者体表或该电极上的微型收发机芯片，所述微型收发机芯片与该电极通信连接；一远程网络中心控制器，与所述微型收发机芯片通过无线通信方式通信连接；工作时，所述微型收发机芯片以该待测者为天线与所述远程网络中心控制器通信。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述微型收发机芯片贴于该待测者体表，通过该待测者的体表信道与该电极通信连接。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于所述体表信道为该待测者的真皮层。

9.如权利要6或7或8所述的系统，其特征在于所述远程网络中心控制器采用小于100MHz的信号传输频率发送所述信号。

10.如权利要9所述的系统，其特征在于所述远程网络中心控制器采用40MHz～80MHz作为信号传输频率发送所述信号。