CN108375698A - 确定人体的感应电压暴露的可穿戴设备和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于确定人体对人体上的低电压波动或感应静电变化的感应电压暴露的可穿戴设备和方法。可穿戴设备包括形成天线的至少一部分的导电元件，并且包括连接到可穿戴设备的导电元件的RF‑DC转换器，用于收集输入处的AC电压(Vin)形式的RF能量和感应静电变化，而RF‑DC转换器在输出处提供DC电压(Vout)。该可穿戴设备还包括连接到该RF‑DC转换器的输出以确定设备穿戴者身体的感应电压暴露的控制单元。

Description

确定人体的感应电压暴露的可穿戴设备和方法
技术领域
本发明涉及一种可穿戴设备以及一种用于确定人体对低电压波动或人体上的感应静电变化的感应电压暴露的方法，并且涉及一种用于确定人体对RF辐射和感应静电的变化的人体的感应电压暴露的可穿戴设备的用途。
已知人体可容易用静电来充电且对于对人体产生不良影响的RF辐射非常敏感。
穿着鞋子或躺在床上的人不会电气接地，因为鞋或床将人与地面隔离。静电是一种高压电且是物体表面的正和负电荷量的不平衡。围绕这些电荷总是存在强电场，并且所述电场被认为是没有电流的电压。这个电压实际上很难测量，因为普通电压表的电阻将在数千分之一秒内使人体放电。
人类通过射频(RF)辐射(称为无线或微波辐射)暴露于“电磁污染(Electrosmog)”。RF辐射是一种电磁辐射且被包含在电磁频谱上3kHz至300GHz的频率范围中。由于RF辐射是非电离带，因此没有足够的能量来打破分子间的化学键，因此其不引起人体内的生物化学变化。尽管如此，根据最近的研究，RF辐射对人是有害的。与从3kHz至300GHz的频率范围中的RF场暴露相关联的已确立的不利健康效应涉及由短期暴露引起的组织升温和神经刺激(诸如睡眠障碍、头痛等)的发生。
背景技术
存在许多公开用于检测和监视RF和/或电磁辐射的不同类型的设备的文献来源。
作为US2002/075189公开的美国专利申请公开了一种用于测量电磁场或射频或微波的辐射检测设备。所述辐射检测设备被附连到诸如帽子之类的屏蔽RF的可穿戴服装，或诸如眼镜之类的可穿戴配件，并被用于检测护罩的效率。操作频率是通过调谐或固定天线的规格以及通过调谐恰适的晶体检测器的阻抗来确定的。该设备的天线装置接收电磁能量或射频能量，并将其转换成在天线设备输出端子端口处输出的RF电信号，该端口被连接到晶体检测器装置，该晶体检测器装置在所述晶体检测器输出端子端口处生成经转换的监视DC电压信号。激励指示器装置作为将所述监视DC电压信号输入转换为验证指示器装置输出形式的换能装置操作。
欧洲专利申请EP-0600143涉及一种可穿戴电磁辐射监视器，该电磁辐射监视器可包括当RF辐射超过预设阈值时可听且可视的警报。没有对将该电路直接集成在可穿戴设备中的可能性做出参照。
其他已知现有技术是指用于为低功率传感器节点并在通信基础设施中收集能量的RF-DC转换，然而，它在可穿戴设备中的使用未在已知现有技术公开中被公开。实际上，可穿戴设备在这个应用领域并不是如此有吸引力，因为只有非常小的能量可被收集。
公开的文档“Textile Antennas as Hybrid Energy Harvesting Platforms(作为混合能量收集平台的织物天线)”(Lemey Sam等人，IEEE论文集-IEEE美国纽约，第102卷，第11期，2014年11月1日，第1833-1857页)公开了其中硬件被结合以收集光和热身体能量的织物天线的一些实施例。还作出了对关于RF能量收集的一些已知著作的参照，但是所公开的实施例不利用这种能量收集。天线被用于在明确定义的频带上传送由传感器检测的信号。硬件由存储在微能量电池(micro-energy cell)中的所收集能量供电。此文档陈述了，人体的接近导致天线的增益降低，并且必须保证与测试人员的身体的零交互。
WO 85/01358公开了一种用于监视多个频带处对个体的RF辐射暴露的设备。该设备可以通过不导电销和闩锁组件附连到用户的衣服。
公开的文档“Magnetoresistive Power Sensor for Measurement in situ ofRF Power Absorbed by Tissue(用于由组织吸收的RF功率的就位测量的磁阻功率传感器)”(Valeri Vountesmeri等-IEEE仪器和测量学会会刊，IEEE服务中心，美国新泽西州皮斯卡特维，第49卷，第3期，2000年6月1日)公开了一种功率传感器设备，其用于检测在915MHz频率处的RF电流和电压的瞬时值，以便确定借助于RF功率施加器施加到组织的升温并保持组织的基本恒定的温度。该设备使用磁敏电阻器和由微带线构成的功率传感器。
基于现有技术，对提供适合于确定人体对RF辐射或对静电的感应电压暴露的可穿戴设备以及用于执行对人体的感应电压暴露的所述确定的方法存在需要。
因此，本发明的主要目的是提供一种适于测量、监视和确定对RF辐射和人体上的静电变化的暴露的可穿戴设备，该RF辐射和人体上的静电变化作为对穿戴者自身的潜在伤害/干扰的显示，从而穿戴者可以通过相应地采取恰适措施来使这些影响最小化。
本发明的进一步目的是提供一种用于以简单和容易的方式测量、监视和确定人体上对RF辐射或静电的感应电压暴露的方法。
本发明的另一目的是提供一种用于测量、监视和确定人体对宽频率范围中的RF辐射或静电变化的感应电压暴露的方法。
本发明的另一目的是提供一种用于测量、监视和确定对人特定/唯一但是对可穿戴设备本身以及穿戴者(连同可穿戴设备)不特定的人体对RF辐射或静电变化的感应电压暴露的方法，该可穿戴设备用作电子探针位于其上的天线装置或基板。
发明内容
本发明的这些和其他目的和优点通过如权利要求1中所定义的可穿戴设备和如权利要求5中所定义的方法来实现。
根据本发明的一种用于确定人体对低电压波动或感应静电变化的感应电压暴露的可穿戴设备，包括形成天线的至少一部分的导电元件，并包括连接到该导电元件的用于在输入处以AC电压的形式收集RF能量和感应静电变化的RF-DC转换器，该RF-DC转换器在输出处提供DC电压。可穿戴设备还包括连接到RF-DC转换器的输出以确定设备穿戴者身体的感应电压暴露的控制单元。
根据一实施例，导电元件被结合到纺织品中并被配置成与穿戴者的身体电接触。
可穿戴设备和穿戴者的身体作为用于收集RF能量和感应静电的天线操作以供由控制单元对该RF能量和感应静电进行解读，以监视和确定给定环境中的电压波动。该电压波动表示所述可穿戴设备的穿戴者所暴露的RF辐射。
RF-DC转换器包括例如附连到或结合到可穿戴设备的纺织品中的二极管/电容乘法器电路。
控制单元被编程为设置阈值电压值，以与RF-DC转换器的输出处的DC电压值进行比较。
而且，控制单元可被附连到或者结合到用于制造可穿戴设备的纺织品中。
本发明的可穿戴设备可以例如是但不限于手表、项链、耳环、手镯、发箍、鞋、衬衫的一部分，以及裤子(诸如牛仔裤等)的一部分，或者实际上具有与穿戴者的身体的皮肤接触的良好部分的任何东西。
本发明的可穿戴设备可以以已知方式设置有导电元件。例如，导电元件可以以导电细丝或用非导电纱线梭织或编织成纺织品的纱线形式制成。替代地，导电元件可以被结合到可穿戴装置的标签、纽扣或类似部分中。
控制单元可以结合RF-DC转换器并且被编程为作为RF暴露监视器操作，即，以解读与由天线(穿戴者的身体和可穿戴设备)检测到的能量对应的信息。
本发明的可穿戴设备允许通过使用RF-DC转换技术(以AC电流形式被检测并被转换为直流电流的射频能量)来监视和确定穿戴者身体上以及可穿戴设备的导电元件上的低电压波动的量，其中穿戴者的身体和可穿戴设备的导电元件充当天线。连续收集的能量被用来用感应AC电流对控制单元的电容器充电。随后，当电容器达到某个电压电平(即阈值)时，电容器被复位(即放电)，计数器被递增并且电容器的充电再次重复，且计数步骤也再次重复。由于计数器对电容器放电的次数进行计数，由控制单元测量并由计数器表示为整数值的电压波动表示RF暴露量。
常规地，RF-DC转换主要用于收集存在于空气中的RF能量以为低功率电子电路供电。然而，其在可穿戴设备中的使用并不是那么有吸引力，因为所收集能量对于为对移动设备充电而言相当低。根据RF-DC转换技术的常规使用，天线通常是固体的、由金属制成、具有特定形状，且针对特定频率(诸如900MHz)进行微调以便拾取该频率的RF信号。这使得给定频率处的功率转换效率最大化，然而，这也使得该系统对可能存在的其他频率完全透明，从而影响环境。
与现有技术相反，本发明使用了收集可穿戴设备的导电部分上和穿戴所述设备的人体上的RF能量和静电变化的技术，以监视人体每天或每单位时间所感应的功率量并给出如何减少静电荷变化量的洞察(即指导穿戴者去哪里或不要去哪里或在哪里停留更长时间等)。另外，与使用固体天线的现有技术相反，使用穿戴者的身体和可穿戴设备作为天线允许对实际上感应出穿戴本发明的设备的人体上的电流的电荷进行计数，且相对于在特定频率处工作的已知常规技术检测更宽频率范围中的RF能量。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于确定穿戴本发明的设备的人体的感应电压暴露的方法。该方法包括以下步骤：
a)借助于充当天线的导电元件和穿戴者的身体来连续收集RF能量或设备穿戴者的身体上感应的静电变化；
b)将来自收集步骤a)的AC电压馈送到RF-DC转换器以对RF-DC转换器的电容器充电，以便在所述RF-DC转换器的输出处获得DC电压；
c)基于馈送到可穿戴设备的控制单元的DC电压来评估感应电压暴露的量。
导电元件可被结合到纺织品中并被配置成与穿戴者的身体电接触。
根据本发明的方法的RF能量和/或静电的检测借助于充当天线的穿戴者的身体以及可穿戴设备本身的导电元件来执行。控制单元的RF-DC转换器从所述天线接收作为AC电流的信号，并将检测到的能量转换为DC电流。根据本发明的方法，通过以下操作来执行此RF-DC转换：用感应交流电流对连接到控制单元的电容器充电，当电容器达到预定义电压电平(即，电压阈值)时使电容器放电，每当电容器被放电时递增计数器的整数值。电容器的充电和放电以及计数步骤被不断重复。
换句话说，控制单元被编程为将RF-DC转换器的输出DC电压与预设阈值电压电平进行比较，并且当DC电压超过预设阈值电压电平时增加计数器的整数值。每当DC电压超过预设阈值电压时，电容器被放电且计数器被增加。
特别而言，执行与阈值电压电平的比较，该阈值电压电平作为数字值被存储在控制单元中，并且RF-DC转换器的输出DC电压在比较之前由控制单元从模拟形式转换为数字形式。
穿戴者的身体上的RF辐射和静电变化的暴露量由此由存储在计数器中的放电的整数值来指示。所存储的整数值可被周期性地读取，且在需要时可以在读取之后被复位。
穿戴者的身体上的检测到的电压波动与由控制单元的计数器报告的RF暴露量成线性相关。
本发明还涉及可穿戴设备用于确定人体上对RF辐射和感应静电变化的感应电压暴露的用途。
本发明的可穿戴设备和本发明的方法允许监视穿戴者所暴露的RF辐射的量。本发明的方法允许检测交变电场和RF能量，同时根据本发明收集RF能量利用人体和可穿戴设备的导电元件作为天线。因此，本发明不限于如现有技术中的特定频带且在RF能量辐射的大频率范围中工作，该频率范围由于不同穿戴者会形成不同类型的天线或形成具有不同规格的天线而变化，从而导致对不同的频率范围有不同的敏感度。
因为充当天线的每个穿戴者是不同的并且具有不同的几何形状、密度、电解质组成且因此具有不同的电子模型，所以本发明的方法提供了对穿戴本发明的设备的人体上的RF暴露量的“个性化”测量。相应地，不同的人将以变化的加权因子来拾取不同的频率或相同的频率。这些不同的“个人”特征被包括在本发明的方法的“计数”操作中，其中电容器的放电的次数被记忆。因此，穿戴者的身体上的电压波动的确定仅对每个穿戴者是“正确”的，即它是相对的，因此来自不同穿戴者的测量的绝对值是不可比较的，但是它们被预期是相关的。作为示例，电子雾区域对于处于该区域内的所有穿戴者应该更快地增加计数器，但绝对计数器数值不应被预期是相同的，因为各穿戴者形成具有不同特征的天线。
附图说明
本发明的前述和其它特征和方面将从以下对附图中解说的示例性实施例的描述中变得更加明显，其中：
-图1示出了本发明的可能实施例的示意表示；以及
-图2是示出根据本发明的方法的一些步骤的流程图。
具体实施方式
特别而言，图1示意性地表示穿戴设备10的人体上的RF暴露的检测和测量，该设备包括形成天线的至少一部分的导电元件并且包括控制单元30。
以下将以一般附图标记10指代的可穿戴设备可以是例如手表10a、项链10b、耳环10c、鞋10d、衬衫10e、一部分裤子10f(诸如牛仔裤等)的一部分，或者实际上具有与穿戴者的身体接触的良好部分的任何东西。
图1上示出的电路的方案表示连接到控制单元30的RF-DC转换器20，该RF-DC转换器被用于将AC转换为DC。控制单元30接收来自RF-DC转换器20的输出电压Vout，并将此模拟值转换为数字值。
RF-DC转换器20和控制单元30例如通过将其结合到由个体穿戴的设备10中，例如将它们包围在可穿戴设备的一些部分，诸如带、标签、纽扣等中。
RF-DC转换器20的电路包括二极管/电容乘法器电路，该二极管/电容乘法器电路具有来自RF辐射的输入Vin和以来自穿戴者的身体的以及来自可穿戴设备的导电元件的以AC电流的形式接收的静电，穿戴者的身体和导电元件两者都充当天线。具体而言，在此具体示例中使用了四个二极管D1、D2、D3、D4和四个电容器C1、C2、C3、C4；尽管如此，使用更多的电压倍增级也是可能的。。RF-DC转换器20允许AC电流的形式的所收集能量以对电容器C1-C4充电，并提供相对于输入Vin乘以四倍的DC电流输出Vout。
在此具体示例中，C1和C4是用于DC解耦的输入电容器。C2和C3是被实际充电/放电以递增计数器的那些电容器。通常为无极性的陶瓷型的C1和C4也被连续充电和放电，但与C2和C3相比，C1和C4具有相当小的容量(例如nF)。C2和C3是具有极性的电解型的，且相对于C1和C4具有更大的容量(例如μF)。
如图2中所示，电容器C2-C3在步骤100通过所收集能量被连续充电，并且来自RF-DC转换器的输出电压Vout被馈送到控制单元30。控制单元30被编程以转换模拟电压值Vout并且在步骤200连续地将相应的数字值与存储在控制单元30的存储器中的阈值进行比较。
如果值Vout小于阈值，则用所收集能量对电容器C2-C3充电并将输出Vout馈送到控制单元30的步骤继续，直到Vout不超过阈值。一旦达到该条件，在步骤300电容器C2-C3就被放电，并且计数器的整数值被增加，并且该过程再次从步骤100重新开始。
虽然在上述概要以及详细描述中已经给出了至少一个示例性实施例，但应当领会存在众多数量的变型。例如，即使已经公开了本发明的可穿戴设备在没有特定限制的情况下在RF频率范围中操作，但应该理解，本发明的原理也可以应用于在特定频率或小范围频率操作的可穿戴设备。
还应领会，各示例性实施例仅是示例，并且不旨在以任何方式限制范围、适用性或配置。确切而言，上述详细描述将向本领域技术人员提供用于实现至少一个示例性实施例的方便路线图，应理解，可在示例性实施例中描述的元件的功能和布置中作出各种改变，而不脱离如所附权利要求所阐明的范围。

Claims (12)

1.一种可穿戴设备，其特征在于，包括形成天线的至少一部分的导电元件、连接到所述导电元件的RF-DC转换器、以及控制单元，所述RF-DC转换器用于收集在输入处的AC电压(Vin)形式的RF能量以及感应静电变化，所述RF-DC转换器在输出处提供DC电压(Vout)，所述控制单元连接到所述RF-DC转换器的所述输出以确定设备穿戴者的身体的感应电压暴露。
2.根据权利要求1所述的可穿戴设备，其特征在于，所述导电元件被结合在纺织品中并被配置成与所述穿戴者的身体电接触。
3.根据权利要求1所述的可穿戴设备，其特征在于，所述RF-DC转换器包括二极管/电容器乘法器电路。
4.根据权利要求1所述的可穿戴设备，其特征在于，所述控制单元被编程为设置阈值电压值，以与所述RF-DC转换器的所述输出处的所述DC电压值Vout进行比较。
5.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴设备，其特征在于，所述控制单元和/或所述RF-DC转换器被附连到或结合到所述纺织品中。
6.一种用于确定穿戴根据权利要求1至5的可穿戴设备的人体的感应电压暴露的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)借助于充当天线的导电元件和设备穿戴者的身体来连续收集RF能量或所述穿戴者的身体上感应的静电变化；
b)将来自所述收集步骤a)的AC电压(Vin)馈送到RF-DC转换器以对所述RF-DC转换器的电容器(C2-C3)充电，以便在所述RF-DC转换器的输出处获得DC电压(Vout)；
c)基于馈送到所述可穿戴设备的所述控制单元的所述DC电压(Vout)来评估所述感应电压暴露的量。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制单元被编程为将所述DC电压(Vout)与预设阈值电压电平进行比较，并且当所述DC电压(Vout)超过所述预设阈值电压电平时增加内部计数器的整数值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述DC电压(Vout)超过所述预设阈值电压电平时，所述电容器(C2-C3)被放电。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述阈值电压电平作为数字值被存储在所述控制单元中，并且其中在所述比较之前，由所述控制单元将所述DC电压(Vout)从模拟形式转换为数字形式。
10.根据前述权利要求6至9中任一项所述的方法，其特征在于，周期性地读取所述计数器的所述整数值以便报告存储在所述计数器中的所述整数值并确定所述穿戴者的身体上的所述感应电压暴露。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在读取所存储的整数值之后，复位所述计数器值。
12.根据权利要求1至5所述的用于确定人体上对RF辐射和感应静电变化的感应电压暴露的可穿戴设备的用途。
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