CN104967659A - 一种有线连接的人体网络结构、设备及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方式提供了一种集传感、显示、信息处理与通信为一体的混合人体网络架构。本发明还提供了一种连接多个智能设备的有线体域网络的连接方式和一种连接多个对外通信模块的连接方式。与此同时，本发明还给出了有线体域网络内部通信的信息转发规则，以及有线体域网络内设备对外通信的两种方法。本发明的最终目的在于提供一种能够完成可穿戴式智能设备和计算与通信单元进行通信的方法和***。由于本发明实现的***在体域网络互联方面，采用了有别于已有无线方式的有线网络，从而将现有设备和体域网络高度融合之后，形成的一个混合体。这样的变化不仅从通信方式上，而且从基本的架构上对连接可穿戴智能设备的网络进行了变革。

Description

一种有线连接的人体网络结构、设备及通信方法

技术领域

本发明涉及一种人体可穿戴式***与人体网络，属于可穿戴式***和人体网络相关领域。

背景技术

手机的发展让人们感受到信息电子产品和通信产品带来的便利，它不仅作为一个通讯设备出现在人们的面前，而且兼具了个人的工作、娱乐、交友、购物和支付等功能，成为了完成信息处理的“超级计算机”。于是，处理器越来越强大，屏幕越来越大、手机越来越轻薄、节能技术逐步发展等方面的内容逐步成为手机的发展趋势，手机在如此苛刻的标准和日新月异的技术创新中，该何去何从，一直是信息与通信产业关注的重点问题。

在手机发展到一定阶段时，以谷歌眼镜、智能手环、智能戒指、苹果iwatch等设备为代表的可穿戴式智能设备也渐渐吸引着人们的眼球，并逐步发展。可穿戴式智能设备拥有多年的发展历史，其思想和雏形在20世纪60年代即已出现，起初大家将其命名为“可穿戴式计算机”或者“可穿戴式计算”，例如，史蒂夫·曼基于Apple-II 6502型计算机研制的可穿戴计算机原型。而具备可穿戴式智能设备形态的设备大量出现，是最近几年的事情。虽然大多数人都认为可穿戴式智能设备具有广阔的应用前景，但是大家也不得不重视其中的一些问题：

1、从较少浪费硬件资源的角度出发，可穿戴式智能设备的功能往往不全或不能独立使用。很多智能手表的功能需要搭载手机才能够使用，即 它不可能把手机的功能再重复一遍，没有必要，也必将和手机形成竞争，因此，消费者不禁要问：可穿戴式智能设备应用的必要性是什么。

2、电池续航时间问题。普通的智能手表电池使用时间在24小时左右，如果开启更多功能耗电量会增加，这样使用者不得不每天充两次电才能正常使用。

3、数据隐私问题人们对网络的依赖日益增强，可穿戴式设备强化了这种依赖性，将印刻着健康指数、行为习惯、生活偏好和工作履历的痕迹连接到互联网上的时候，个人隐私泄露的危险大大增加。可以获得的个人数据量越多，其中的隐私信息量就越大。只要拥有了足够多的数据，我们甚至可能发现有关于一个人的一切情况。大量数据背后隐藏着大量的经济与政治利益，尤其是通过数据整合、分析与挖掘，其所表现出的数据整合与控制力量已经超乎想象。

根据当前的需求和技术，可穿戴式智能设备和手机相结合才是解决问题的可行出路。由于可穿戴式智能设备和手机在地理上相分离，因此，依靠某种通信手段将可穿戴式智能设备和手机相结合才是唯一的出路。而在可穿戴式设备和手机通信方面，国际上也没有一个很好的解决方案，很多研究机构的可穿戴计算机样机并不具备无线网络通信的能力，而具备无线网络通信能力的可穿戴计算机大多采用IEEE 802. 11无线局域网设备来实现，但考虑到可穿戴计算机应用领域非常广泛，IEEE802. 11无线局域网设备因为自身特性的限制，不能够适应所有的应用领域，因此产生了探索研究适合于可穿戴计算机的无线通信方式和组网模式的需求。

在国际上，面向人体实时医疗的应用或者对残疾人提供某些特别服务的应用，有研究人员提出过体域网(Body area network，BAN)的概念， 它是指附着在人体身上的一种网络。由一套小巧可移动、具有通信功能的传感器和一个身体主站(或称BAN协调器)组成。每一传感器既可佩戴在身上，也可植入体内。协调器是网络的管理器，也是BAN和外部网络(如3G、WiMAX、Wi-Fi等)之间的网关，使数据能够得以安全地传送和交换。由于这些传感器也需要通过无线技术进行通信，所以体域网也叫无线体域网(Wireless body area network，WBAN）。无线体域网络的思路让我们受到了启发，因此，可穿戴式智能设备和手机之间的通信可以采用类似于WBAN的解决方案。

如果完全采用WBAN完成可穿戴式智能设备和手机的通信，将会形成以人体为中心，由和人体相关的网络元素(包括个人终端，分布在人身体上、衣物上、人体周围一定距离范围如2m内、甚至人身体内部的传感器、组网设备等)组成通信网络。通过WBAN，包含人体传感器的可穿戴式智能设备可以和其身上携带的个人电子设备如PDA、手机等进行通信；通过WBAN和其他数据通信网络(比如其他人的WBAN、无线/有线接入网络、移动通信网络等)组成一个整体通信网络，它能够和网络上的任何终端如PC、手机、电话机、媒体播放设备、数码相机、游戏机等进行通信。由于WBAN不仅仅可以帮助人们完成医疗方面的应用，它可以为人们提供娱乐或者游戏类应用的支持。如监测运动员在训练或者比赛时的各项体能特征，通过对数据的分析，可以为运动员安排合理的训练计划。具备多种媒体播放功能的无线媒体播放器可以通过无线体域网与随身携带的无线耳机进行通信，将播放器中需要播放的各种信息传送到耳机。WBAN将把人体变成通信网络的一部分，从而真正实现网络的泛在化。可穿戴计算和泛在计算也将随着WBAN的普及应用成为人们日常生活的基本特征。

但是，由于技术水平的限制，当前WBAN仍处在发展早期阶段，在毫瓦级网络能耗、互操作性、***设备、安全性、传感器验证、数据一致性等方面面临一系列挑战，从长远来看，现有的无线体域网络如果应用于可穿戴式智能设备和手机之间的通信，将会有如下缺点：

1，容量有限，由于WBAN采用的无线通信方式的局限性，因此，通信的数据速率往往在几Mbit/s或者几十Mbit/s，例如，最新版本的蓝牙4.2理论上限速率24Mbit/s，当可穿戴式智能设备比较多，或者与外界通信的要求比较高时，这样的速率还是很难满足可穿戴式智能设备未来发展的要求。

2，电磁兼容性差：人体的运动状态将会影响无线传输的路径损耗，进而影响信号质量。同时，当多个设备同时依靠WBAN传送信号时，或者有外界的无线信号和WBAN无线频率接近形成干扰时，电磁兼容性问题将不可忽视。

3，对人体可能存在某些伤害，虽然无线通信对人体的危害并没有最终证实和证伪，但是有些频段和某些功率范围的电磁辐射对人体的危害还是不容忽视的。蓝牙无线通信所使用的2.4GHz频段，在蓝牙传输距离为10米时虽然功率仅为几个毫瓦，但是关于可能的辐射问题大家都还没有确凿的证据证明它不存在。

4，数据安全性的隐患，无线数据在自由空间传输，将会使靠近自己的人有可能获取自身的相关数据，即使能够通过加密的方式在上层实现数据的安全传输，但是加解密将会引入额外的开销，由于可穿戴式设备本身的限制，不可能采用太复杂的加解密算法，因此安全性存在一定的问题。例如，加解密功能的加入，导致无线体域网络各个设备之间传输数据时需要花费大量运算完成加解密过程，不仅浪费计算能力，而且浪费 能源，导致可穿戴设备的耗能增加，带来设备的续航问题。如果仅仅采用简单加解密算法，就会产生类似无线局域网络的安全隐患。

因此需要采取新的技术来完成并加强现有无线体域网络的功能，使之能够适应未来可穿戴式智能设备发展的需求。甚至可以采用全新的技术，来颠覆现有的无线体域网络架构，形成集传感、通信和计算于一体的全新网络***，真正满足未来可穿戴式智能设备和手机等信息处理与人机交互设备之间的信息交互，最终将这些设备融为一体，更好的为人们服务。

发明内容：

针对背景技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种能够完成可穿戴式智能设备和计算与通信单元进行通信的方法和***。本发明实现的***在体域网络互联方面，采用了有别于已有无线方式的有线网络，考虑到防辐射的要求，优先采用光纤网络，从而将现有设备和体域网络高度融合之后，形成一个混合体。这样的变化不仅从通信方式上，而且从基本的架构上对连接现有可穿戴智能设备的网络进行了变革。

本发明的基本思想是将手机中包含计算和通信功能的单元和手机中用来人机交互的单元相分离，将同时将人体各种可穿戴式设备和上述单元连接在一起，构成新型的体域网络。

由于可穿戴式设备在满足人们无所不在计算需求的情况下，通过穿戴的形式与服装融为一体，从携带转为佩戴，因此具有了一般计算设备所不具有的可穿戴性、移动性、可隐蔽性、非限制性、环境感知性等诸多特性。本发明不仅仅将可穿戴式智能设备嵌入到人体服饰或者鞋子中，而且将连接这些设备的网络链路也嵌入到人体服饰中。

本发明提出的混合人体网络架构如图2所示。为了控制和管理整个体域网络，本发明将运算功能模块和体域网络的控制和管理模块集成在一起，形成如图2所示的中心控制与运算单元(110)，该模块用来对整个网络***进行控制，并提供整个***的运算功能和高速缓存功能。存储模块(120)，用来完成该人体网络内的相关数据存储功能，可以包含个人信息处理***的数据和各种智能设备的数据。总电源模块(130)，用来完成对整个***的供电，或者对所述***中的中心控制与运算单元、存储模块和对外移动通信模块的供电。对外移动通信模块(140)，用来完成该混合网络与外界的数据通信，可以采用wifi或者4G移动通信技术，甚至是后4G移动通信技术；设备1(160-1)到设备n(160-n)，可以根据需要设计为各种功能的可穿戴式智能设备，例如血糖仪，心电检测仪等；或者包含某些人机交互功能的设备，例如，头戴式虚拟现实设备等。人体网络内部通信链路(150)，用来连接上述各个单元、模块和设备，实时完成不同信息在各个单元间的传送。由于人体网络内部通信链路为光纤链路，因此，传输的信息带宽和实时性都比现有的无线体域网络好。

本发明将最终形成一种集传感、显示、信息处理与通信为一体的混合人体网络，最大限度的复用各个设备的硬件资源，并形成统一的对外通信功能。

附图说明

根据下面结合附图的示例性实施方式的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优势将变得明显，在附图中：

图1是当前无线体域网的典型架构；

图2是本发明的***基本结构图；

图3是中心控制与运算单元的基本组成结构图；

图4是本发明的一个基本实施例结构图：对外移动通信模块与中心控制与运算单元在同一个地方；

图5是本发明的第二个基本实施例结构图：对外移动通信模块与中心控制与运算单元分布在不同的地方；

图6是本发明的第三个基本实施例结构图：中心控制与运算单元与多个对外移动通信模块分布在不同的地方。

具体实施方式

1，本发明基本结构的第一个实施例为如图4所示的结构： 

在该结构中，中心控制与运算单元(110)、存储模块(120)、总电源模块(130)和对外移动通信模块(140)可以集中放置，设计成为类似现在家庭用的智能盒子。随着技术水平的提高，该盒子可以逐步小型化，它将会被放置在人的鞋子当中。

包含声音感知模块、声音播放模块、图像感知模块、图像显示单元、人体运动感知传感器、人体生理特征感知传感器和人体周围环境感知传感器的各种智能设备根据***设计需要分布于人体各个部分。其中，声音感知模块，用来感知用户的声音；声音播放模块，用来播放语音；图像感知模块，用来采集人体不同部位的图像信息；图像显示单元，用来显示图片和视频；人体运动感知传感器，用来感知人体运动参数的传感器；人体生理特征感知传感器，用来感知人体生理参数的传感器；人体周围环境感知传感器，用来感知人体周围环境的传感器。

为了能够在各个单元之间传送信息，本发明还设计了如权利要求5所示的一种人体网络内部通信***，所述***包括：1)信号收发装置0，优选的，包含n套低成本光收发模块，放置于中心控制与运算单元中， 用来完成向设备1到设备n发送信息，并接收设备1到设备n发送的信息。

2)信号有线传输链路，即人体网络内部通信链路(150)，它可以用来提供中心控制与运算单元到第i个设备之间信号传输的链路。优选的，采用光纤链路。

3)信号收发装置i，优选的，包含1套低成本光收发模块，放置于第i个设备中，用来完成向中心控制与运算单元发送信息，并接收中心控制与运算单元发送的信息。此处的i为1到n之间的某个整数，n为采用有线体域网络连接的智能设备的个数。

2，本发明基本结构的第二个和第三个实施例为如图5和图6所示的结构：

在该结构中，中心控制与运算单元(110)、存储模块(120)和总电源模块(130)可以集中放置，而对外移动通信模块(140)可以根据需要放置在身体的某个部位，需要考虑移动通信的辐射问题。在图5中，仅有一个对外移动通信模块(140)需要和(110)-(130)构成的盒子分离，而在图6中，有多个对外移动通信模块(140)需要和(110)-(130)构成的盒子分离。各种智能设备的放置和实施例1的情况一样。

为了满足对外通信的需求，对外移动通信模块(140)可能是一个，也可能是多个，为此本发明设计了能够把多个对外移动通信模块(140-j)连接在一起的分布式网络，这些信息将会汇总到中心控制与运算单元。如权利要求6所示，能够把多个对外移动通信模块(140-j)连接在一起的分布式网络包括：1)光信号收发装置0，包含m套低成本光收发模块，放置于中心控制与运算单元中，用来完成向对外的移动通信模块1到对外的移动通信模块m发送信息，并接收对外的移动通信模块1到对 外的移动通信模块n发送的信息。2)光纤链路，用来提供中心控制与运算单元到第j个设备之间信号传输的链路。3)光信号收发装置j，包含1套低成本光收发模块，放置于第j个对外的移动通信模块中，用来完成向中心控制与运算单元发送信息，并接收中心控制与运算单元发送的信息。(本权利要求中，j为1到m之间的某个整数，m为和中心控制与运算单元不在一处的对外的移动通信模块个数。)

3，本发明中的中心控制与运算单元的基本结构实施例

在本发明中，中心控制与运算单元是核心模块，因此此处给出一个中心控制与运算单元的设计实例。如图3所示，中心控制与运算单元的基本结构包括：网络中心控制器(111)、运算器(112)、高速缓冲存储器(113)、高速总线(114)、网络信息缓存器(115)和光学收发模块组(116)。网络中心控制器(111)，用来控制整个体域网络的信息传输；运算器(112)，是整个网络的运算单元；高速缓冲存储器(113)和高速总线(114)，是辅助运算器(112)工作的，类似于现在的CPU设计；当多台智能设备同时通过多个独立的有线链路连接到中心控制与运算单元时，必须有缓存单元来缓存这些数据，所以必须有网络信息缓存器(115)；光学收发模块组(116)，用来完成信息的接收与发送。

4，本发明所述***内部通信规则的实施例

混合人体网络中的设备可以采用如下两条规则相互发送信息和接收信息：

规则一：混合人体网络中某个设备发出的信息，采用权利要求5所述的人体网络内部通信***，完成该设备到中心控制与运算单元之间的信息传输，中心控制与运算单元仅仅将信息转发，再次采用权利要求5所述的人体网络内部通信***，信息被发向混合人体网络中的另一个设备。

规则二：混合人体网络中某个设备发出的信息，采用权利要求5所述的人体网络内部通信***，完成该设备到中心控制与运算单元之间的信息传输，中心控制与运算单元将信息处理后，再次采用权利要求5所述的人体网络内部通信***，信息被发向混合人体网络中的另一个设备。

5，本发明所述***对外通信实施例1：

在本例中，中心控制与运算单元仅仅将内部设备发送的信息转发，不做任何处理。混合人体网络中的设备可以采用如下规则向外界发送信息和接收外界信息：

发送方法： 

混合人体网络中所有设备发出的信息，采用权利要求5所述的人体网络内部通信***，完成设备1到设备n和中心控制与运算单元之间的信息传输，中心控制与运算单元仅仅将信息转发，信息被直接通过电路发向对外的移动通信模块，或者采用权利要求6所述的人体网络内部通信***发向对外的移动通信模块，信息最终由对外的移动通信模块发出。

接收方法： 

外部发向混合人体网络中所有设备的信息，均由对外的移动通信模块接收，信息被直接通过电路发向中心控制与运算单元，或者采用权利要求6所述的人体网络内部通信***发向中心控制与运算单元，然后仅仅通过中心控制与运算单元将信息转发，采用权利要求5所述的人体网络内部通信***，完成设备1到设备n和中心控制与运算单元之间的信息传输，从而向***中的相关设备转发信息。

6，本发明所述***对外通信实施例2

在本例中，中心控制与运算单元需要对内部设备发送的信息进行处 理，然后再转发。混合人体网络中的设备还可以采用如下规则向外界发送信息和接收外界信息：

发送方法： 

混合人体网络中所有设备发出的信息，采用权利要求5所述的人体网络内部通信***，完成设备1到设备n和中心控制与运算单元之间的信息传输，通过中心控制与运算单元的信息处理后，信息被直接通过电路发向对外的移动通信模块，或者采用权利要求6所述的人体网络内部通信***发向对外的移动通信模块，信息最终由对外的移动通信模块发出。

接收方法： 

外部发向混合人体网络中所有设备的信息，均由对外的移动通信模块接收，信息被直接通过电路发向中心控制与运算单元，或者采用权利要求6所述的人体网络内部通信***发向中心控制与运算单元，然后通过中心控制与运算单元的信息处理后，采用权利要求5所述的人体网络内部通信***，完成设备1到设备n和中心控制与运算单元之间的信息传输，从而向***中的相关设备转发。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤 也可以使用一个或多个集成电路来实现。

Claims (11)

1.一种集传感、显示、信息处理与通信为一体的混合人体网络架构，所述网络架构包括：

中心控制与运算单元，用来对整个网络***进行控制，并提供整个***的运算功能和高速缓存功能；

存储模块，用来完成该人体网络内的相关数据存储功能；

对外移动通信模块，用来完成该混合网络与外界的数据通信；

总电源模块，用来完成对所述整个***的供电，或者对所述***中的中心控制与运算单元、存储模块和对外移动通信模块的供电。

设备1到设备n，可以设计为各种功能的可穿戴式智能设备，或者包含某些人机交互功能的设备。n为采用有线体域网络连接的智能设备的个数。

人体网络内部通信链路，用来连接上述各个单元和模块，实时完成不同信息在各个单元间的传送。

2.根据权利要求1所述的网络架构，所述网络架构的特征为：

中心控制与运算单元不仅用来控制整个人体网络的中信息传输，还将为整个人体网络中的相关设备提供云计算功能，即其强大运算功能辅助完成某些需要大运算量的设备的运算。

3.根据权利要求1所述的网络架构，所述网络架构的特征为：

存储模块，用来完成中心控制与运算单元的本地存储和连接到整个人体网络中的相关设备的云存储。

4.根据权利要求1所述的网络架构，所述网络架构的特征为：

对外的移动通信模块可以是一个，也可以是多个，放置于对人体辐射较小的地方。

5.一种人体网络内部通信***，所述***包括：

信号收发装置0，放置于中心控制与运算单元中，用来完成向设备1到设备n发送信息，并接收设备1到设备n发送的信息。

信号有线传输链路，用来提供中心控制与运算单元到第i个设备之间信号传输的有线链路。

信号收发装置i，包含1套低成本光收发模块，放置于第i个设备中，用来完成向中心控制与运算单元发送信息，并接收中心控制与运算单元发送的信息。

(本权利要求中，i为1到n之间的某个整数，n为采用有线体域网络连接的智能设备的个数。)

6.一种人体网络内部通信***，所述***包括：

信号收发装置0，包含m套低成本光收发模块，放置于中心控制与运算单元中，用来完成向对外的移动通信模块1到对外的移动通信模块m发送信息，并接收对外的移动通信模块1到对外的移动通信模块n发送的信息。

信号有线传输链路，用来提供中心控制与运算单元到第j个设备之间信号传输的有线链路。

信号收发装置j，包含1套低成本光收发模块，放置于第j个对外的移动通信模块中，用来完成向中心控制与运算单元发送信息，并接收中心控制与运算单元发送的信息。

(本权利要求中，j为1到m之间的某个整数，m为和中心控制与运算单元不在一处的对外的移动通信模块个数。)

7.根据权利要求5和权利要求6所述的人体网络内部通信***，其特征为：

人体网络内部通信***的信号有线传输链路被固定在服装表面或者嵌入到服装内部。

8.根据权利要求5和权利要求6所述的人体网络内部通信***，考虑到***防辐射的要求，其中的相关模块优选采用下述方案：

1)信号收发装置0优选采用光信号收发模块组；

2)信号有线传输链路优选采用光纤链路；

3)信号收发装置i优选采用光信号收发模块；

4)信号收发装置j优选采用光信号收发模块。

9.根据权利要求1所述的网络架构，所述网络架构的特征为：

混合人体网络中的设备可以采用如下两条规则相互发送信息和接收信息：

规则一：混合人体网络中某个设备发出的信息，采用权利要求5所述的人体网络内部通信***，完成该设备到中心控制与运算单元之间的信息传输，中心控制与运算单元仅仅将信息转发，再次采用权利要求5所述的人体网络内部通信***，信息被发向混合人体网络中的另一个设备。

规则二：混合人体网络中某个设备发出的信息，采用权利要求5所述的人体网络内部通信***，完成该设备到中心控制与运算单元之间的信息传输，中心控制与运算单元将信息处理后，再次采用权利要求5所述的人体网络内部通信***，信息被发向混合人体网络中的另一个设备。

10.根据权利要求1所述的网络架构，所述网络架构的特征为：

混合人体网络中的设备可以采用如下规则向外界发送信息和接收外界信息：

发送方法：

混合人体网络中所有设备发出的信息，采用权利要求5所述的人体网络内部通信***，完成设备i和中心控制与运算单元之间的信息传输，中心控制与运算单元仅仅将信息转发，信息被直接通过电路发向对外的移动通信模块，或者采用权利要求6所述的人体网络内部通信***发向对外的移动通信模块，信息最终由对外的移动通信模块发出。

接收方法：

外部发向混合人体网络中所有设备的信息，均由对外的移动通信模块接收，信息被直接通过电路发向中心控制与运算单元，或者采用权利要求6所述的人体网络内部通信***发向中心控制与运算单元，然后仅仅通过中心控制与运算单元将信息转发，采用权利要求5所述的人体网络内部通信***，完成设备i和中心控制与运算单元之间的信息传输，从而向***中的相关设备转发信息。

(本权利要求中，i为1到n之间的某个整数，n为采用有线体域网络连接的智能设备的个数。)

11.根据权利要求1所述的网络架构，所述网络架构的特征为：

混合人体网络中的设备还可以采用如下规则向外界发送信息和接收外界信息：

发送方法：

混合人体网络中所有设备发出的信息，采用权利要求5所述的人体网络内部通信***，完成设备i和中心控制与运算单元之间的信息传输，通过中心控制与运算单元的信息处理后，信息被直接通过电路发向对外的移动通信模块，或者采用权利要求6所述的人体网络内部通信***发向对外的移动通信模块，信息最终由对外的移动通信模块发出。

接收方法：

外部发向混合人体网络中所有设备的信息，均由对外的移动通信模块接收，信息被直接通过电路发向中心控制与运算单元，或者采用权利要求6所述的人体网络内部通信***发向中心控制与运算单元，然后通过中心控制与运算单元的信息处理后，采用权利要求5所述的人体网络内部通信***，完成设备i和中心控制与运算单元之间的信息传输，从而向***中的相关设备转发。

(本权利要求中，i为1到n之间的某个整数，n为采用有线体域网络连接的智能设备的个数。)