太阳城集团

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基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互建模方法及其装置.pdf

摘要
申请专利号:

太阳城集团CN201510894007.7

申请日:

2015.12.08

公开号:

太阳城集团CN105320823A

公开日:

2016.02.10

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G06F 17/50申请日:20151208|||公开
IPC分类号: G06F17/50 主分类号: G06F17/50
申请人: 北京理工大学
发明人: 宋勇; 李茂源; 王光发; 赵宇飞; 郝群; 谢定超
地址: 100081北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学
优先权:
专利代理机构: 代理人:
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法律状态
申请(专利)号:

CN201510894007.7

授权太阳城集团号:

||||||

法律状态太阳城集团日:

2018.02.16|||2016.03.09|||2016.02.10

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

太阳城集团本发明属于人体通信技术领域,具体涉及一种基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互建模方法及其装置。该方法首先,对基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互通道进行电路建模,形成总体电路模型。其次,依据所提出的总体电路模型,对肢体接触所导致的接触阻抗进行电路建模。而后,结合总体电路模型,形成基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互完整电路模型。最后,基于所建立的完整电路模型,经电路分析获得基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互数学模型。对比现有技术,本发明为基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互提供了安全保障,为基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互装置的设计提供了系统设计依据,解决了两个生物体与电子装置之间的几何建模、电路建模和数学建模问题,为相关研究与设计提供借鉴。

权利要求书

1.一种基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互建模方法,其特征在于:包括如下
内容:建立基于电流耦合型人体通信的太阳城集团交互总体电路模型,该模型主要包
括由用于模拟人体通信发射器的发射端模型(1),用于模拟进行太阳城集团交互的两
个人体的多人体介质模型(2)和用于模拟人体通信接收器的接收端模型(3)
组成的闭合电路;
所述发射端模型(1)包括两个分别与人体通信发射器模型(11)两端相连
的发射端电极-人体接触阻抗(1);人体通信发射器模型包括依次相连的电压源
及其内阻;
所述多人体介质模型(2)包括两套依次连接的人体A的横向阻抗(22)、
人体-人体接触阻抗(23)和人体B的横向阻抗(24),和分置于这两套阻抗两
端与这两套阻抗分别连接的输入阻抗(21)和输出阻抗(26),以及两个与这两
套阻抗交叉连接的交叉阻抗(25);
所述接收端模型(3)包括两个分别与人体通信接收器模型(32)两端相连
的接收端电极-人体接触阻抗(31)。
2.根据权利要求1所述的一种基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互建模方法,
其特征在于:所述人体-人体接触阻抗(23)的电路模型为由网格状彼此交叉连
接的若干人体A的单位横向阻抗(231)、若干人体B的单位横向阻抗(232)和
和若干单位纵向阻抗(233)构成的电路网络组成,电路网络的总阻抗即为人体
-人体接触阻抗。
3.根据权利要求2所述的一种基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互建模装置,
其特征在于:所述单位横向阻抗为1mm单位长度对应的阻抗,因此人体-人体接
触阻抗(23)中单位横向阻抗个数N为人体-人体接触部分的长度L/1mm,单位
纵向阻抗个数K为N+1。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互建模方
法,其特征在于:所述单位横向阻抗由人体组织层次结构中各层对应阻抗的并
联电路计算出的等效阻抗,所述纵向阻抗为相互接触的两个人体组织层次结构
中各层对应阻抗的串联电路计算出的等效阻抗。
5.根据权利要求4所述的一种基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互建模方法,
其特征在于:所述人体组织层次结构为皮肤,脂肪,肌肉,骨松质和骨密质五
层。
6.一种基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互建模装置,其特征在于:包括依次
相连的发射端模型、接触介质模型和接收端模型,三者构成一个完成闭合电路;
所述发射端模型包括两个分别与人体通信发射器模型两端相连的发射端电
极-人体接触阻抗;
所述接触介质模型包括两套依次连接的人体A的横向阻抗、人体-人体接触
阻抗和人体B的横向阻抗,和分置于这两套阻抗两端与这两套阻抗分别连接的
输入阻抗和输出阻抗,以及两个与这两套阻抗交叉连接的交叉阻抗;
所述接收端模型包括两个分别与人体通信接收器模型两端相连的接收端电
极-人体接触阻抗。
7.根据权利要求6所述的一种基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互建模装置,
其特征在于:所述人体-人体接触阻抗由网格状彼此交叉连接的若干人体A的单
位横向阻抗、若干人体B的单位横向阻抗和若干单位纵向阻抗构成的电路网络
组成,电路网络的总阻抗即为人体-人体接触阻抗。
8.根据权利要求7所述的一种基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互建模装置,
其特征在于:所述单位横向阻抗为1mm单位长度对应的阻抗。
9.根据权利要求7或8所述的一种基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互建模装
置,其特征在于:所述单位横向阻抗由人体组织层次结构中各层对应阻抗的并
联电路计算出的等效阻抗,所述纵向阻抗为相互接触的两个人体组织层次结构
中各层对应阻抗的串联电路计算出的等效阻抗。
10.根据权利要求9所述的一种基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互建模装置,
其特征在于:所述人体组织层次结构为皮肤,脂肪,肌肉,骨松质和骨密质五
层。

说明书

基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互建模方法及其装置

技术领域

本发明属于人体通信技术领域,具体涉及一种基于电流耦合型IBC的太阳城集团
交互建模方法及其装置。

背景技术

人体通信(Intra-BodyCommunication,IBC)是一种以人体为信号传输介
质的数据通信技术,相比于目前的短距离无线通信技术(如蓝牙、ZigBee等),
该技术具有低功耗、抗干扰、高速率等优势。更重要的是,基于人体通信技术
可实现基于肢体接触的人-人、人-机太阳城集团交互以及穿戴式电子装置的网络化等。
人体通信技术在太阳城集团交互、个人区域网络、网络接入、云计算、生理太阳城集团监测
系统等领域具有多种潜在的应用。例如:两个人只需握一下手,即可交换电子
名片;消费者仅需将手伸向自动售货机,即可完成小额支付;参观者只需站在
某一展品前,即可通过位于脚部的人体通信装置自动获取该展品的电子太阳城集团等。
因此,人体通信在智能家庭、数字化社区、医疗太阳城集团化、电子政务、企业太阳城集团
化等领域具有广泛的应用前景。

数学建模对于实现基于人体通信(以下简称为IBC)的太阳城集团交互十分重要。
一方面,建立基于人体通信的太阳城集团交互模型,可在物理实验前对相关方法与技
术进行软件模拟,从而保证人身安全。另一方面,基于数学模型进行软件仿真,
可对不同条件下的人-人太阳城集团交互进行多条件模拟,进而获得其通道特性,为基
于IBC的太阳城集团交互装置设计提供依据。然而,基于IBC的太阳城集团交互的建模难度
相对较大。首先,与基于单人体介质的人体通信相比,基于人体通信的太阳城集团模
型不仅应包含两个人体模型,还应包括双人体肢体接触所带来的接触阻抗模型
等,从而增大了模型的复杂性。其次,基于人体通信的太阳城集团交互的通道特性受
多个因素的影响,如接触部位、接触方式和人体姿态等,从而增大了确定、验
证其参数计算方法的难度。

由于上述原因,目前已有的研究仅实现了基于单人体介质的人体通信建模,
而未能实现基于人体通信的太阳城集团交互的建模。由于缺乏相关模型,目前尚无法
明确基于人体通信的太阳城集团交互的通道特性,相关IBC装置的设计同样缺乏依据。

发明内容

本发明的目的是为解决基于人体接触的太阳城集团交互建模问题,提出了一种基
于电流耦合型IBC的太阳城集团交互的建模方法。

本发明方法原理为:首先,对基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互通道进行电
路建模,形成总体电路模型。其次,依据所提出的建模方法,对肢体接触所导
致的接触阻抗进行电路建模。而后,结合总体电路模型,形成基于电流耦合型
IBC的太阳城集团交互完整电路模型。最后,基于所建立的完整电路模型,经电路分析
获得基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互数学模型。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互的建模方法,包括以下内容:建立基于电
流耦合型人体通信的太阳城集团交互总体电路模型,该模型主要包括由用于模拟人体
通信发射器的发射端模型(1),用于模拟进行太阳城集团交互的两个人体的多人体介
质模型(2)和用于模拟人体通信接收器的接收端模型(3)组成的闭合电路;

所述发射端模型(1)包括两个分别与人体通信发射器模型(11)两端相连
的发射端电极-人体接触阻抗(1);人体通信发射器模型包括依次相连的电压源
及其内阻;

所述多人体介质模型(2)包括两套依次连接的人体A的横向阻抗(22)、
人体-人体接触阻抗(23)和人体B的横向阻抗(24),和分置于这两套阻抗两
端与这两套阻抗分别连接的输入阻抗(21)和输出阻抗(26),以及两个与这两
套阻抗交叉连接的交叉阻抗(25);

所述接收端模型(3)包括两个分别与人体通信接收器模型(32)两端相连
的接收端电极-人体接触阻抗(31)。

作为优选,所述人体-人体接触阻抗(23)的电路模型为由网格状彼此交叉
连接的若干人体A的单位横向阻抗(231)、若干人体B的单位横向阻抗(232)
和和若干单位纵向阻抗(233)构成的电路网络组成,电路网络的总阻抗即为人
体-人体接触阻抗。

作为优选,所述单位横向阻抗由人体组织层次结构中各层对应阻抗的并联
电路计算出的等效阻抗,所述纵向阻抗为相互接触的两个人体组织层次结构中
各层对应阻抗的串联电路计算出的等效阻抗。

作为优选,所述人体组织层次结构为皮肤,脂肪,肌肉,骨松质和骨密质
五层。

一种基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互建模装置,包括依次相连的发射端模
型、接触介质模型和接收端模型,三者构成一个完成闭合电路;

所述发射端模型包括两个分别与人体通信发射器模型两端相连的发射端电
极-人体接触阻抗;

所述多人体介质模型包括两套依次连接的人体A的横向阻抗、人体-人体接
触阻抗和人体B的横向阻抗,和分置于这两套阻抗两端与这两套阻抗分别连接
的输入阻抗和输出阻抗,以及两个与这两套阻抗交叉连接的交叉阻抗;

所述接收端模型包括两个分别与人体通信接收器模型两端相连的接收端电
极-人体接触阻抗。

作为优选,所述人体-人体接触阻抗由网格状彼此交叉连接的若干人体A的
单位横向阻抗、若干人体B的单位横向阻抗和若干单位纵向阻抗构成的电路网
络组成,电路网络的总阻抗即为人体-人体接触阻抗。

作为优选,所述单位横向阻抗由人体组织层次结构中各层对应阻抗的并联
电路计算出的等效阻抗,所述纵向阻抗为相互接触的两个人体组织层次结构中
各层对应阻抗的串联电路计算出的等效阻抗。

作为优选,所述人体组织层次结构为皮肤,脂肪,肌肉,骨松质和骨密质
五层。

有益效果

本发明突破了目前人体通信模型仅适用于单人体介质仿真的限制,提出了
一种基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互建模方法,基于该方法可建立基于电流耦
合型IBC的太阳城集团交互的数学模型,从而实现基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互数
学仿真。由此,将带来以下有益效果:

(1)提供了安全保障:基于本发明的方法,可实现基于电流耦合型IBC的
太阳城集团交互数学仿真,避免直接以真实人体进行实验,从而保障了基于IBC的信
息交互相关实验的安全性。

(2)提供了系统设计依据:根据本发明的方法,可建立基于电流耦合型IBC
的太阳城集团交互模型,通过数学仿真明确基于人体通信的太阳城集团交互的通道特性,进
而为相关IBC装置的设计提供依据。

(3)为相关研究与设计提供借鉴:本发明提出了一种基于人体通信的太阳城集团
交互方法,该方法解决了两个生物体(手掌)、多个人体与电子装置之间的几何
建模、电路建模和数学建模问题,对于穿戴式电子装置、个人区域网络等相关
领域的研究与系统设计具有重要的参考价值。

附图说明

图1为本发明实施例基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互总体电路模型示意图;

图2为本发明实施例肢体接触(握手)的几何建模过程示意图,其中(a)
表示人手示意图,(b)表示人体-人体接触(握手)示意图,(c)表示人体-人
体接触(握手)的几何模型示意图;

图3为本发明实施例肢体接触(握手)的电路模型示意图;

图4为本发明实施例肢体接触(握手)模型的横向阻抗建模过程示意图,
其中(a)表示人体手掌的几何模型示意图,(b)表示单位长度的人体手掌几何
模型示意图,(c)表示单位长度的五层组织并联电路模型示意图,(d)表示单
位纵向阻抗的几何模型示意图;

图5为本发明实施例肢体接触(握手)模型的纵向阻抗建模过程示意图,
其中(a)表示人体-人体握手的几何模型示意图,(b)表示单位长度的人体-人
体握手的几何模型示意图,(c)表示单位长度的五层组织串联电路模型示意图,
(d)表示单位横向阻抗的几何模型示意图;

图6位本发明实施例模型验证实验结果。

附图标记:

1为发射端模型,包括:11-人体通信发射器模型(电压源及其内阻),12-
发射端电极-人体接触阻抗;

2为多人体介质模型,包括:21-输入阻抗,22-人体A的横向阻抗,23-人
体-人体接触(握手)阻抗,24-人体B的横向阻抗,25-介质交叉阻抗,26-输
出阻抗;

3为接收端模型,包括:31-接收端电极-人体接触阻抗,32-人体通信接收
器模型;

231-人体A的手掌部分单位横向阻抗,232-人体B的手掌部分单位横向阻
抗,233-人体A、人体B手掌接触部分整体几何模型的单位纵向阻抗。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

下面以握手为例说明本发明基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互建模方法的具
体实施过程:

步骤一,建立基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互总体电路模型;

在基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互中,信号通过人体通信发射器、发射电
极耦合进人体A,并经由人体A,处于握手状态的两只手、人体B。最终,由人
体B端的接收电极、人体通信接收器检测出经由人体传输的信号,进而实现基
于肢体接触的太阳城集团交互。依据上述信号传输的过程,建立基于肢体接触的太阳城集团
交互的总体电路模型。该模型主要包括:发射端模型(人体通信发射器模型,
发射端电极-人体接触阻抗),多人体介质模型(输入阻抗,横向阻抗,交叉阻
抗,人体-人体接触阻抗,输出阻抗),接收端模型(人体通信接收器模型,接
收端电极-人体接触阻抗)等。如图1所示,包括如下内容:

发射端模型1,主要模拟人体通信发射器,包括:人体通信发射器模型11,
包括电压源及其内阻,发射端电极-人体接触阻抗12;

多人体介质模型2,主要模拟进行太阳城集团交互的两个人体,如人体A和人体B、
以及人体-人体接触部分;由于本实施例是以握手为例,因此接触部分为手掌,
包括,用于模拟双人体介质通道的整体输入阻抗21,用于模拟人体A的横向阻
抗22,用于模拟人体-人体手掌接触部分的阻抗23,用于模拟人体B的横向阻
抗24,用于模拟双人体介质通道的整体交叉阻抗25,用于模拟双人体介质通道
的整体输出阻抗26;

接收端模型3,主要模拟人体通信接收器,包括:接收端电极-人体接触阻
抗31,人体通信接收器模型32,即接收发射器阻抗,其大小视选取的接收发射
器而定。

上述阻抗中除人体-人体接触阻抗之外,均可以在国内外相关论文之中找到
计算方法,例如:具有不同传输路径的人体通信模拟方法(Song,Q.Hao,K.
Zhang,M.Wang,Y.Chu,andB.Kang,“TheSimulationMethodoftheGalvanic
CouplingIntrabodyCommunicationWithDifferentSignalTransmissionPaths”IEEE
Trans.Instrum.Meas.,vol.60,no.pp.1257-1266,Apr.2011.)。本实施例中,采用
的发射器电压峰-峰值为5V,发射器内阻为50Ω,接收器阻抗为1MΩ。

步骤二,建立人体-人体接触阻抗的电路模型;

首先,建立人体-人体握手时接触阻抗的几何模型。如图2(a)所示,人的
手可分为手掌和手指。通常情况下,两人握手时,主体部分为两只人手的手掌
充分接触,如图2(b)所示。同时,两人的手指部分则与对方手背部分轻轻接
触,但由于手指与手背部分的接触面积相对较小,可忽略手指接触部分的影响。
因此,处于握手状态的两只手可抽象为由两个紧密接触长方体构成的几何模型,
其接触面积与手掌相同,如图2(c)所示。在本实施例的人体-人体接触阻抗的
几何建模时,将人的手掌抽象为一个多层长方体,其长、宽、高与人手手掌部
分的轮廓长、宽、高的近似值相等;同时,将该长方体同样分为皮肤、脂肪、
肌肉、骨松质和骨密质五层,试验证明,该种抽象以及分层模型能够获得比较
好的效果,当然此处并不限于此种抽象及分层。

其次,基于上述几何建模,建立人体-人体接触阻抗的电路模型。如图3所
示,人体-人体接触的电路模型由若干单位横向阻抗和若干单位纵向阻抗构成的
电路网络组成。其中,231为人体A的手掌部分单位横向阻抗,232为人体B的
手掌部分单位横向阻抗,233为人体A、人体B手掌接触部分整体几何模型的单
位纵向阻抗。所述单位阻抗数目的多少根据人体-人体接触部分的大小确定。

步骤三,计算人体-人体接触阻抗

首先,计算人体-人体接触阻抗的电路模型中的单位横向阻抗。根据步骤二
的描述,将人的手掌抽象为一个多层长方体,其长、宽、高分别表示为L,M,H,
如图4所示,△L表示为手掌的单位长度。本实施例中,使用1mm作为单位长度
进行求解。试验证明,该单位长度的划分方式能够获得比较好的效果,当然此
处并不限于此种方式。由于如图4(a)所示的人体手掌模型由五层组织,即皮
肤,脂肪,肌肉,骨松质和骨密质,构成,将单位长度的手掌模型视为五层组
织层的并联形式,如图4(b)所示,则横向阻抗可被视为五层组织层对应阻抗
的并联电路,如图4(c)所示,其中△Zs,△Zf,△Zm,△ZCb,△Zb分别为皮肤层阻
抗、脂肪层阻抗、肌肉层阻抗、骨松质阻抗、骨密质阻抗。依据手掌的几何参
数以及各组织层在各个频率下的电特性参数,如电导率和相对介电常数,通过
电路等效计算出单位横向阻抗,如图4(d)所示,其中,△ZC表示单位横向阻抗。

其次,计算对人体-人体接触阻抗的电路模型中的单位纵向阻抗。如图5所
示,当两个手掌处于握手状态时,两者紧密接触。为计算手掌A和手掌B之间
的纵向阻抗,按单位长度在垂直方向对处于紧密接触状态的手掌模型进行分割,
如图5(b)所示。在垂直方向上的单位长度阻抗可视为手掌接触模型内皮肤、
脂肪、肌肉、骨松质和骨密质层所对应的阻抗串联,如图5(c)所示。根据手
掌的物理参数以及各组织层在各个频率下的电特性参数,如电导率和相对介电
常数,通过电路等效计算出单位纵向阻抗,如图5(d)所示,其中△ZV表示单位
纵向阻抗。

最后,基于所计算的人体-人体接触阻抗电路模型中的单位横向、纵向阻抗
值,依据两个人体手掌的几何参数,计算如图3所示的电路网络的总阻抗值,
即为两个人体握手时肢体接触部分的阻抗值。

步骤四,建立基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互数学模型。

将人体-人体接触阻抗的电路模型植入基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互总体
电路模型,形成基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互完整电路模型。以此为基础,
通过电路分析,结合各个阻抗的参数,得出基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互的
数学模型。

上述过程以握手为例对本发明方法的实施过程进行了说明,对于本领域技
术人员来说,不难于参考上述过程同理建立人体-人体其它部分接触的太阳城集团交互
建模。

基于上述基于电流耦合型IBC的太阳城集团交互建模方法,建立了基于电流耦合
型IBC的太阳城集团交互建模装置,该装置包括依次相连的发射端模型、接触介质模
型和接收端模型,三者构成一个完成闭合电路;

所述发射端模型包括两个分别与人体通信发射器模型两端相连的发射端电
极-人体接触阻抗;

所述接触介质模型包括两套依次连接的人体A的横向阻抗、人体-人体接触
阻抗和人体B的横向阻抗,和分置于这两套阻抗两端与这两套阻抗分别连接的
输入阻抗和输出阻抗,以及两个与这两套阻抗交叉连接的交叉阻抗;

所述接收端模型包括两个分别与人体通信接收器模型两端相连的接收端电
极-人体接触阻抗。

进一步的,所述人体-人体接触阻抗由网格状彼此交叉连接的若干人体A的
单位横向阻抗、若干人体B的单位横向阻抗和若干单位纵向阻抗构成的电路网
络组成,电路网络的总阻抗即为人体-人体接触阻抗。

进一步的,所述单位横向阻抗由人体组织层次结构中各层对应阻抗的并联
电路计算出的等效阻抗,所述纵向阻抗为相互接触的两个人体组织层次结构中
各层对应阻抗的串联电路计算出的等效阻抗。

进一步的,所述人体组织层次结构为皮肤,脂肪,肌肉,骨松质和骨密质
五层。

试验结果

通过仿真及实验对本发明进行验证,方法如下:

将信号发生器生成的正弦信号耦合入人体,通过示波器进行接收,计算得
到幅频衰减曲线。其中,进行了3组物理实验,将半径为10mm的铜质圆形发射
接收差分电极分别对称放置于人体A和人体B的手臂的20cm,30cm,40cm处,
即两对电极相距分别为40cm,60cm,80cm;并且每对差分电极相距60mm。实验
结果如图6所示,可以发现,基于电流耦合型双人体电路模型的不同距离数学
仿真结果信号衰减曲线与物理测量实验结果的信号衰减曲线基本一致。通过试
验证明了仿真的有效性,以及系统的可行性。

以上所述的具体描述,对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步
详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于
限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等
同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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