傳感器信號人體通信技術

傳感器信號人體通信技術

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　　摘要:傳感器信號人體通信機理研究是通過生理傳感器作為被測人體的生理信息采集節點，以人體體表作為傳感器輸出信號的傳輸媒質，進行人體信息監測的一種新型的技術手段及方法。通過對人體信道特性、信號耦合方法的深入研究，設計了合理的傳感器信號處理鏈路、信號調制方法，并通過試驗驗證了傳感器信號人體通信的可行性。

　　關鍵詞:人體通信;傳感器;信號鏈

　　引言

　　以傳感器獲取人體的生理信息正被廣泛地應用于健康監測、醫療診斷、健身娛樂、單兵作戰等領域。目前，研究的熱點之一是將人體本身作為生理信息的傳輸媒質來實現生理傳感器輸出信號的傳輸。要完成生理信息的實時監測，實現從信號采集、數據傳輸到信息識別與提取的整個信號回路的閉合，就需要通過傳感器技術、信號處理技術、微功耗技術、通信技術作為其技術支撐與保障。如何將這些技術有機地結合起來，應用于人體通信傳感器信號的采集、傳輸與識別，實現生理信號的實時監測正是本文的主要研究內容。通過建立以生理傳感器為測試節點，以人體本身作為各點信號與接收機之間的傳輸媒質，建立起基于人體通信的人體信息的實時監測系統。影響傳感器信號人體通信的主要參數包括信號耦合方式、信號電壓、信號電流、載波頻率、編碼方式、傳輸速率等參數特征。下文將對這些因素對傳感器信號人體通信的影響進行詳細研究和分析。

　　一、通信信道特性

　　1.1人體信道電磁特性

　　人體組織和其他導電介質一樣都遵循電磁波傳輸理論，當在人體加載電場時，電磁場在人體內部有一定的趨膚深度，人體組織可看作電導率很小的介質，其趨膚深度為[1-2]:δ=2σ槡εμ(1)式中:σ是電導率，ε是相對介電常數，μ是磁導率，由于人體組織是非磁性材料，因此這里的磁導率為真空磁導率1。當σ/ωε?1時，人體組織可看作電導率很大的介質，其趨膚深度為:δ=ε槡πμσf(2)式中:f是外加電磁場頻率。為了減小傳感器信號通過人體進行信號傳輸時對人體內部組織的影響，應有效利用趨膚效應，使傳感器信號沿人體體表進行傳輸。

　　1.2人體信道安全性要求

　　在考慮采用人體作為信號傳輸通道的場合，需要考慮其所能承受的安全電流等相關特性。外露于電、磁時變效應的安全限制，基于建立的健康效應的電磁場(EMF)參見國際委員會的電離輻射防護(ICNIRP)。如圖1所示，根據頻率的領域，物理量用來指定外露在EMF的基本限制如下:頻率范圍1Hz～10MHz的電流密度(J);指定頻率范圍100kHz～10GHz的能量吸收率(SAR);頻率范圍10～300GHz的功率密度(S)。在設計基于人體通信的生理傳感器時，考慮到其低發射功率、低能耗、長期使用的要求。選擇了1kHz～10MHz作為信號的傳輸頻段，并根據該頻段對電流密度的要求，結合表1將傳感器輸出信號的電流控制在如表所示的頻率范圍與之對應的電流范圍以內。

　　二、傳感器信號人體耦合方法及對比

　　基于本文第一部分對以人體作為通信信道的信道特性的分析后，要想穩定可靠地完成傳感器信號在人體信道中的傳輸，需要選擇合理的信號耦合方式。同無線通信通過空氣進行數據傳輸不同，人體通信信道是電磁特性復雜的人體組織結構。如何采取有效方式將信號耦合，進人體信道并實現信號在人體信道中的高效傳輸是實現人體通信最為關鍵的問題。目前主要認為人體通信系統通過三種方式將信號耦合到人體信道:電流耦合、電容耦合、天線耦合[3-4]。電流耦合將人體當作導體，需要從人體接導線引出信號，不適于高頻傳輸;電容耦合即通過靜電場耦合，不需要導線，卻易受外界環境的干擾;天線耦合即通過電磁波耦合，利用波導效應將電磁信號耦合到人體，利用人體完成電磁信號的傳導。根據生理信號傳感器輸出信號具有低發射功率、低能耗、長期使用的特點，選擇電場耦合作為傳感器輸出信號的耦合方式。

　　三、傳感信號處理方法

　　3.1傳感器信號鏈路設計

　　3.1.1發射信號鏈路

　　傳感器節點作為傳感器信號的發射端，通過將采集到的具有生理信息的模擬信號進行數字調制的方式將其加載到用于人體通信的載波信號中。信號發射過程為:將采集到的微弱的生理電信號進行放大，經過濾波濾除噪聲分量，將原始的模擬信號轉換為方波形式的數字信號，對得到的數字信號進行信號編碼，將編碼后的數字信號調制到指定頻率的正弦波交流載波頻段，對調制后的信號進行功率放大并進行發送。

　　3.1.2接收信號鏈路

　　采用多點傳感器發射信號、一點接收機接收信號的模式，通過佩戴在手腕或腰部的信號接收機，對多人體通信載波中的多路傳感器信號進行識別和處理。接收機信號接收過程為:先通過帶通濾波器得到全部傳感器所發射的有用信號，通過取樣電路將通過電流耦合進接收機的人體通信信號轉化為電壓信號，通過低通濾波去掉信號中的載波分量，通過帶通濾波得到指定傳感器發射的信號，對該信號進行低噪聲放大，然后進行信號整形去除尖峰脈沖等干擾，最終通過與編碼對應的解碼方式對信號進行解碼還原出原始的生理電信息。

　　3.2傳感器微功耗設計

　　由于采用的是基于mA級電流傳輸的正弦波交流信號作為人體通信載波信號，則可將載波信號本身作為傳感器供電能量的來源，根據電磁耦合的基本原理，將載波信號中攜帶的電能耦合到傳感器電路中實現通過載波為生理傳感器進行供電的功能。因此可以簡化傳感器電路，減小傳感器功耗，減小傳感器的體積，降低傳感器的成本，保證生理傳感器可以長期穩定有效的進行工作。

　　3.3多信號調制解調方法

　　由于所建立的人體生理信息監測系統，對位于身體不同部位的多個生理參數進行信息采集，所以輸出傳感信號的調制解調方式適應同時對多點測量信息實現收發的功能。采用頻分復用的方法將多傳感器節點輸出的信號加載到用于人體通信的載波信號上。

　　四、實驗數據及分析

　　以信號發生器在指定頻率點產生峰峰值為3.3V的正弦波波信號時不同頻率下信號的衰減程度隨著頻率的增高，其信號衰減程度也逐漸升高。但作為其接收值幾百mV的電壓值，相對于接收端電路仍是一個相對較大的可以識別并便于信號處理的電壓值。當信號的調制頻率過高時，信號向人體體表以外的空間進行輻射。但信號頻率過低時，其信號波長將逐步增加，導致信號并非沿體表傳輸而是在體內進行傳輸。所以需要權衡以上因素，選擇100kHz、200kHz兩個頻率作為編碼后的數據信號的調制頻率。

　　五、結論

　　傳感信號人體通信技術是一項全新生理狀態監測技術，其以生理傳感器為信息采集節點，以人體作為信號傳輸媒質，實現快速的數據交換。目前，隨著可穿戴智能設備的大力發展，以人體作為信號傳輸媒質的信號傳輸方式有了更廣泛的應用空間和更大的商業價值。以人體作為傳感器信號通信介質，與其他無線體域網信號傳輸方式相比，有效地避免了通過無線電波輻射進行信號傳輸時，對周圍無線電環境產生的干擾;同時也抑制了環境噪聲對傳感器信號傳輸產生的影響。在一些對電磁環境有特殊要求的應用場合，該技術體現出其獨有的價值。

　　參考文獻:

　　[1]呂英華.計算電磁學的數值方法[M].北京:清華大學出版社，2006.

　　[2]盛新慶.計算電磁學要論[M].合肥:中國科學技術大學出版社，2004.

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