[發明專利]一種利用體表信道進行傳感器網絡能量傳輸的方法及系統

有效

• 申請號: 201310556493.2
• 申請日: 2013-11-11
• 公開（公告）號: CN104639579B
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發明（設計）人: 廖懷林;汪佳逸;郭盈;鄭永安;劉軍華;黃如
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H04L29/08
• 分類號: H04L29/08
• 代理公司: 北京華進京聯知識產權代理有限公司 11606
• 代理人: 哈達

本發明公開了一種利用體表信道進行傳感器網絡能量傳輸的方法及系統，本方法為：1）在待測者身上設置不含電池的無源傳感器，該無源傳感器的電極設于待測者體表或體內；在該待測者的身上設置傳感器控制器，所述傳感器控制器上設有電池和電極，該傳感器控制的電極設于該待測者體表上；2）遠程無線控制端向所述傳感器控制器發送信號，啟動所述傳感器控制器；3）所述傳感器控制器通過其貼于該待測者體表的電極向所述無源傳感器發送載波能量；4）所述載波能量通過該待測者的體表信道傳輸至所述無源傳感器的電極；5）所述無源傳感器將所述載波能量轉換為工作電壓為自身提供能源。本發明具有傳輸效率高、便捷性安全性好、成本低、適用范圍廣等特點。

技術領域

本發明涉及一種利用體表信道進行傳感器網絡能量傳輸的方法及系統，可應用于包括人類在內的動物的傳感器網絡或者可穿戴式醫療監護系統，利用體表信道對貼于皮膚表面的發射機發射的能量進行傳輸，并在終端對能量進行收集的方法和裝置。

背景技術

傳感器網絡以及可穿戴式醫療監護系統由于其在收集包括人類在內的動物的健康數據，疾病預測和早期診斷中的重要作用，一直是醫療電子應用研究中的一項重要課題。基于低成本，低功耗的無線傳輸技術以及系統方案有助于病人在日常工作、生活中實時采集身體的基本生命參數，通過減少醫患間面對面的問診時間從而提高效率，緩解資源不足的矛盾。對于其他動物而言，則方便監測者實時監測動物的各項體征，提高工作效率，降低工作難度。

傳感器網絡由多樣的可穿戴傳感器以及網絡中心控制器組成，傳感器探測溫度，心率等虛擬信號，網絡中心控制器收集存貯以及處理信號。傳感器可分布在動物各個部位，通常傳感器可分為三類：有源，半有源，無源。有源傳感器以及半有源傳感器由電池供電進行工作?；瘜W電池的存在會產生幾個缺點：1.增加了單傳感器的重量以及體積；2.降低了可靠性并限制了其壽命；3.增加了器件成本。并且有很大數量的患者對于直接在皮膚上接觸化學電池還存在抵觸，不可避免的還存在化學電池化學物質泄漏，與生物組織起反應等危險。而無源傳感器是由外部電源進行供電，避免了以上存在的問題，因此，無源傳感器對于未來廣泛的應用存在很大的優勢。

傳統的無源傳感器通過遠場天線或者近場天線接收射頻信號為電路提供信號和能量，如圖1，近場天線傳輸能量的機制為電磁耦合，距離較短；遠場天線的傳輸距離較長，但電磁波在空氣中的衰減正比于1/d3（其中d代表目的到發射點到接收點的距離），能量損耗較快，這對于能量傳輸轉換效率來說是個嚴峻的問題。

Benton Calhoun教授的研究小組曾做過超低功耗的人體傳感器網絡（Fan Zhang，Brian Otis，Benton Calhoun，“A Batteryless19μW MICS/ISM-Band Energy HarvestingBody Area Sensor Node SoC”，ISSCC2012,SESSION17）,通過遠場發射提供能量的的形式實現了節點傳感器無源化，但是較大的路徑衰減使得整個傳感器的能量控制在微瓦量級，限制了傳感器復雜功能的實現。

綜上，需要一種信道較小路徑衰減特性的能量傳輸方案來提高整個系統的性能。

發明內容

本發明提供一種利用體表信道進行傳感器網絡能量傳輸的方法及系統。體表信道是指能量以及信號以皮膚表面以及近皮膚表面的生物層作為傳輸的介質和通道，以人體為例，如圖2所示。在人體的角質層和表皮層之下是真皮層，它有著較高的電導率使得體表信道的路徑衰減較小，較小的路徑衰減將大大提高能量的傳輸效率，相比于其他無線傳輸方式，使得在發射功率固定的情況下傳輸距離更遠，或者在接收功率相同的情況下，僅需較小的發射功率。測試結果如圖3所示，從圖中看出，在10MHz到100MHz頻段內，當發射信號的能量一定時，使用傳統的天線傳輸接收到的能量遠小于通過人體體表信道接收到的能量，且隨著傳輸距離的增加，通過人體體表信道接收到的能量衰減很小。

本發明的技術方案為：

一種利用體表信道進行傳感器網絡能量傳輸的方法，其步驟為：