[发明专利]一种利用体表信道进行传感器网络能量传输的方法及系统

说明书

本发明公开了一种利用体表信道进行传感器网络能量传输的方法及系统，本方法为：1）在待测者身上设置不含电池的无源传感器，该无源传感器的电极设于待测者体表或体内；在该待测者的身上设置传感器控制器，所述传感器控制器上设有电池和电极，该传感器控制的电极设于该待测者体表上；2）远程无线控制端向所述传感器控制器发送信号，启动所述传感器控制器；3）所述传感器控制器通过其贴于该待测者体表的电极向所述无源传感器发送载波能量；4）所述载波能量通过该待测者的体表信道传输至所述无源传感器的电极；5）所述无源传感器将所述载波能量转换为工作电压为自身提供能源。本发明具有传输效率高、便捷性安全性好、成本低、适用范围广等特点。

技术领域

本发明涉及一种利用体表信道进行传感器网络能量传输的方法及系统，可应用于包括人类在内的动物的传感器网络或者可穿戴式医疗监护系统，利用体表信道对贴于皮肤表面的发射机发射的能量进行传输，并在终端对能量进行收集的方法和装置。

背景技术

传感器网络以及可穿戴式医疗监护系统由于其在收集包括人类在内的动物的健康数据，疾病预测和早期诊断中的重要作用，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。对于其他动物而言，则方便监测者实时监测动物的各项体征，提高工作效率，降低工作难度。

传感器网络由多样的可穿戴传感器以及网络中心控制器组成，传感器探测温度，心率等虚拟信号，网络中心控制器收集存贮以及处理信号。传感器可分布在动物各个部位，通常传感器可分为三类：有源，半有源，无源。有源传感器以及半有源传感器由电池供电进行工作。化学电池的存在会产生几个缺点：1.增加了单传感器的重量以及体积；2.降低了可靠性并限制了其寿命；3.增加了器件成本。并且有很大数量的患者对于直接在皮肤上接触化学电池还存在抵触，不可避免的还存在化学电池化学物质泄漏，与生物组织起反应等危险。而无源传感器是由外部电源进行供电，避免了以上存在的问题，因此，无源传感器对于未来广泛的应用存在很大的优势。

传统的无源传感器通过远场天线或者近场天线接收射频信号为电路提供信号和能量，如图1，近场天线传输能量的机制为电磁耦合，距离较短；远场天线的传输距离较长，但电磁波在空气中的衰减正比于1/d3（其中d代表目的到发射点到接收点的距离），能量损耗较快，这对于能量传输转换效率来说是个严峻的问题。

Benton Calhoun教授的研究小组曾做过超低功耗的人体传感器网络（Fan Zhang，Brian Otis，Benton Calhoun，“A Batteryless19μW MICS/ISM-Band Energy HarvestingBody Area Sensor Node SoC”，ISSCC2012,SESSION17）,通过远场发射提供能量的的形式实现了节点传感器无源化，但是较大的路径衰减使得整个传感器的能量控制在微瓦量级，限制了传感器复杂功能的实现。

综上，需要一种信道较小路径衰减特性的能量传输方案来提高整个系统的性能。

发明内容

本发明提供一种利用体表信道进行传感器网络能量传输的方法及系统。体表信道是指能量以及信号以皮肤表面以及近皮肤表面的生物层作为传输的介质和通道，以人体为例，如图2所示。在人体的角质层和表皮层之下是真皮层，它有着较高的电导率使得体表信道的路径衰减较小，较小的路径衰减将大大提高能量的传输效率，相比于其他无线传输方式，使得在发射功率固定的情况下传输距离更远，或者在接收功率相同的情况下，仅需较小的发射功率。测试结果如图3所示，从图中看出，在10MHz到100MHz频段内，当发射信号的能量一定时，使用传统的天线传输接收到的能量远小于通过人体体表信道接收到的能量，且随着传输距离的增加，通过人体体表信道接收到的能量衰减很小。

本发明的技术方案为：

一种利用体表信道进行传感器网络能量传输的方法，其步骤为：