專利名稱：無線體域網(wǎng)的信息傳輸方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種無線通信技術領域的方法，具體是一種基于人體行為識別技 術的無線體域網(wǎng)的信息傳輸方法。
背景技術：
無線體域網(wǎng)(Body Area Network)由無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network)發(fā)展而來。無線體域網(wǎng)的一個典型應用是在遠程醫(yī)療監(jiān)控中，通過貼放在人體表 面的無線傳感器節(jié)點構成網(wǎng)絡，檢測人體生理信息并傳輸交互，最后通過天線傳輸?shù)结t(yī)療 中心來遠程監(jiān)控人體的健康狀況。無線傳感器的能量十分有限，又緊貼在人體表面，所以無 線信道的信號傳輸功率、數(shù)據(jù)傳輸帶寬等參數(shù)都要受到約束，較遠節(jié)點間一般采用多跳接 力的方式通信。受到人體對電磁波吸收的影響，無線體域網(wǎng)內的無線信道與自由空間中不 同。此外，因為無線傳感器與人體緊密結合，人體姿態(tài)的變化會導致人體周圍無線信道的變 化。經(jīng)對現(xiàn)有技術文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，Karp B等人發(fā)表在ACM雜志上的“Greedy PerimeterStateless Routing for Wireless Networks各白勺
GPSR方法)”，提出了一種基于距離的無線傳感器網(wǎng)絡路由方法。該方法主要是通過節(jié)點的 相對位置信息，選擇最靠近目標節(jié)點的鄰節(jié)點，作為下一跳節(jié)點向其發(fā)送信息。但是該方法 需要通過其他方法知道每個節(jié)點的相對位置信息，并且沒有動態(tài)地考慮人體行為對無線信 道的影響。當人體姿態(tài)發(fā)生變化時，節(jié)點的相對位置信息發(fā)生改變可能影響方法的準確性， 并且當選定的下一跳節(jié)點被人體遮擋時本節(jié)點無法與其通信，信息發(fā)送失敗與重發(fā)以及對 下一跳節(jié)點的重新選擇都會造成能量的浪費。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術的不足，提出一種無線體域網(wǎng)的信息傳輸方 法，通過將無線體域網(wǎng)醫(yī)學場景中的網(wǎng)絡路由和人體行為識別相結合，實時地監(jiān)測人體姿 態(tài)的改變，根據(jù)人體姿態(tài)動態(tài)地更新網(wǎng)絡中節(jié)點的相對位置信息，同時充分考慮了人體的 遮擋對無線信道的影響，在進行路由選擇前預先排除不可通信的節(jié)點，避免信息發(fā)送失敗 與重發(fā)以及重新選擇下一跳節(jié)點造成的能量浪費。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟步驟一，利用無線體域網(wǎng)內的節(jié)點A對人體進行檢測，得到人體生理信號，將人體 生理信號劃分為若干與信號周期相等的信號段。步驟二，對信號段依次進行重采樣處理、消除直流偏移處理和幅度變換處理，得到 處理后的人體生理信號。所述的重采樣處理，是指利用DSP(數(shù)字信號處理)技術，對提取的信號以比例因 子M/L重新進行采樣，其中Μ是一個周期內的標準采樣點數(shù)，L是所提取信號的實際采樣點數(shù)。
所述的消除直流偏移處理，是指將重采樣的信號減去一個常數(shù)值C，其中C是人 體生理信號所有理論值為零的采樣點上實際值的平均值。所述的幅度變換處理，是指對消除直流偏移的信號乘以比例因子a/b，其中a是 人體生理信號幅度最大值的標準值，b是實際提取信號幅度的最大值。步驟三，對處理后的人體生理信號進行主成分分析處理，得到當前人體的行為信 肩、O 所述的主成分分析處理，包括以下步驟1)建立人體行為模式樣本庫，得到每種人體行為模式下的持續(xù)時間為t的人體生
理信號；2)按照步驟一和步驟二的方法，對1)得到的人體生理信號進行處理，得到處理后 的信號；3)得到每種人體行為模式下信號的平均值和協(xié)方差矩陣，并得到每種人體行為模 式下信號的協(xié)方差矩陣的M個特征值；所述的每種人體行為模式下信號的平均值，是
1 N'其中qi是第i種人體行為模式下信號的平均值，Ni是第i種人體行為模式包括的 信號段的數(shù)目，是第i種人體行為模式中第j段信號的處理后的信號，1彡i彡N，N是 人體行為模式樣本庫中人體行為模式的數(shù)目，1 < j <隊。所述的每種人體行為模式下信號的協(xié)方差矩陣，是
1 N1Ci=-YjijIj ,其中而是第i種人體行為模式下信號的協(xié)方差矩陣，Ni是第i種人體行為模式包 括的信號段的數(shù)目，是第i種人體行為模式中第j段信號的處理后的信號，1彡i彡N， N是人體行為模式樣本庫中人體行為模式的數(shù)目，1 < j ^隊。4)將每種人體行為模式下信號的協(xié)方差矩陣的M個特征值按照從大到小的順序 進行排列，對第i種人體行為模式選取其前面的Ki個特征值，其所對應的特征向量組成矩 陣乓=[ , ,···, ,]:5)對步驟二得到的處理后的人體信號進行誤差分析處理，得到其與每種人體行為 模式的信號的誤差，最小的誤差所對應的人體行為模式就是當前人體的行為信息。所述的誤差分析處理，是ej = Ipi-Pi' |2，其中Pi= r-qi;P^ = (EiEf)Pi,e,是步驟二得到的處理后的人體信號與第i種人體行為模式的信號的誤差，r是 步驟二得到的處理后的人體信號。步驟四，對當前人體的行為信息進行判斷處理，得到節(jié)點A的下一跳節(jié)點候選集。所述的判斷處理，包括以下步驟1)建立查找表，得到人體每種行為模式下各節(jié)點間的位置關系以及通信關系；
2)在識別出當前人體的行為模式后，搜索查找表，得到當前行為模式下各節(jié)點與 節(jié)點A的位置關系以及通信關系；3)將所有與節(jié)點A有直接通信關系的節(jié)點列入節(jié)點A的下一跳節(jié)點候選集中。步驟五，在節(jié)點A的下一跳節(jié)點候選集中選取與目標節(jié)點B距離最近的節(jié)點C，將 節(jié)點A檢測到的人體生理信息傳給節(jié)點C，再按照步驟四和步驟五的方法，得到節(jié)點C的下 一跳節(jié)點，直至將人體的生理信息傳給目標節(jié)點B。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果 1、通過人體行為識別實時地監(jiān)測人體姿態(tài)的改變，根據(jù)人體當前姿態(tài)動態(tài)地更新 無線體域網(wǎng)節(jié)點的相對位置信息，可以保證后續(xù)路由處理的有效性。2、充分考慮了人體對無線信道的影響，使節(jié)點可以通過本地計算得到周圍可通信 的節(jié)點，在進行路由處理前排除不可通信的節(jié)點，避免信息發(fā)送失敗與重發(fā)，以及重新選擇 下一跳節(jié)點帶來的能量浪費，延長節(jié)點的生存時間。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。實施例本實施例的無線體域網(wǎng)中共有A1, A2,…，A7七個無線傳感器節(jié)點，分別位于頸部、 胸部、左側腰部、右側腰部、左手腕、右手腕和背部，其中=A2是無線體域網(wǎng)的中心節(jié)點，負責 整個無線體域網(wǎng)與外部網(wǎng)絡的通信,A6是一個ECG(心電圖)節(jié)點，負責測量人體ECG信號， 由于人體周圍信道隨距離增加對信號的衰減明顯增加，因此各節(jié)點間的距離控制在40cm 以內。不相鄰的節(jié)點之間只能通過多跳接力的方式通信，相鄰的節(jié)點在沒有受到人體遮擋 時可以直接單跳通信，但是在受到人體遮擋時也只能通過多跳接力的方式通信。本實施例 中以ECG節(jié)點A6為例進行操作。本實施例包括如下步驟步驟一，利用無線體域網(wǎng)內的無線傳感器節(jié)點A6對人體進行檢測，得到人體生理 信號，將人體生理信號劃分為若干與信號周期相等的信號段。本實施例中A6以256Hz的采樣速率對ECG信號進行檢測，通過前后兩個峰值采樣 點間的距離得到一個周期的采樣點數(shù)L，提取出持續(xù)時間為一個周期，長度為L的信號，并 使峰值點在最中間。步驟二，對信號段依次進行重采樣處理、消除直流偏移處理和幅度變換處理，得到 處理后的人體生理信號。所述的重采樣處理，是指利用DSP技術，對提取的信號以比例因子M/L重新進行 采樣，其中M是一個周期內的標準采樣點數(shù)，L是所提取信號的實際采樣點數(shù)。所述的消除直流偏移處理，是指將重采樣的信號減去一個常數(shù)值C，其中C是人 體生理信號所有理論值為零的采樣點上實際值的平均值。本實施例中C是實際提取的ECG信號的P波末尾與Q波開頭之間所有采樣值的平 均值。
所述的幅度變換處理，是指對消除直流偏移的信號乘以比例因子a/b，其中a是 人體生理信號幅度最大值的標準值，b是實際提取信號幅度的最大值。步驟三，對處理后的人體生理信號進行主成分分析處理，得到當前人體的行為信 肩、ο所述的主成分分析處理，包括以下步驟1)建立人體行為模式樣本庫，得到每種模式下的持續(xù)時間為t的人體生理信號；本實施例建立的人體行為模式樣本庫包括站立、坐下、平躺、向左側躺、向右側 躺、右臂擺動到前方、右臂擺動到后方、左臂擺動到前方、左臂擺動到后方等。 2)按照步驟一和步驟二的方法，對每種模式下的持續(xù)時間為t的人體生理信號進 行處理，得到處理后的信號；3)得到每種人體行為模式下信號的平均值和協(xié)方差矩陣，并得到每種人體行為模 式下信號的協(xié)方差矩陣的M個特征值，所述的每種人體行為模式下信號的平均值，是
1 N'Ii=-J^rij ,
丄、i j=i其中qi是第i種人體行為模式下信號的平均值，Ni是第i種人體行為模式包括的 信號段的數(shù)目，是第i種人體行為模式中第j段信號的處理后的信號，1彡i彡N，N是 人體行為模式樣本庫中人體行為模式的數(shù)目，1 < j <隊。所述的每種人體行為模式下信號的協(xié)方差矩陣，是
1 N1Ci=-YjijIj ,其中而是第i種人體行為模式下信號的協(xié)方差矩陣，Ni是第i種人體行為模式包 括的信號段的數(shù)目，是第i種人體行為模式中第j段信號的處理后的信號，1彡i彡N， N是人體行為模式樣本庫中人體行為模式的數(shù)目，1 < j ^隊。4)將每種人體行為模式下信號的協(xié)方差矩陣的M個特征值按照從大到小的順序 進行排列，對第i中人體行為模式選取其前面的Ki個特征值，其所對應的特征向量組成矩 陣乓=[ , ,···, ,]:本實施例中Ki = 5。5)對步驟二得到的處理后的人體信號進行誤差分析處理，得到其與每種人體行為 模式的信號的誤差，最小的誤差所對應的人體行為模式就是當前人體的行為信息。所述的誤差分析處理，是ej = Ipi-Pi' |2，其中Pi= r-qi;Pi ’ = (EiEf )Pi,e,是步驟二得到的處理后的人體信號與第i種人體行為模式的信號的誤差，r是 步驟二得到的處理后的人體信號。本實施例中得到的人體當前的行為模式是右臂擺動到前方。步驟四，對當前人體的行為信息進行判斷處理，得到節(jié)點A6的下一跳節(jié)點候選集。所述的判斷處理，包括以下步驟
1)建立查找表，得到人體每種行為模式下各節(jié)點間的位置關系以及通信關系；2)在識別出當前人體的行為模式后，搜索查找表，得到當前行為模式下各節(jié)點與 節(jié)點A6的位置關系以及通信關系；3)將所有與節(jié)點A6有直接通信關系的節(jié)點列入節(jié)點A6的下一跳節(jié)點候選集。本實施例中人體當前的行為模式為右臂擺動到前方，則A6節(jié)點搜索查找表得到 的下一跳節(jié)點候選集為~、A2和A4。步驟五，采用GPSR方法，在無線傳感器節(jié)點A6的下一跳節(jié)點候選集中選取與目標 節(jié)點A2距離最近的節(jié)點，即A2，將無線傳感器節(jié)點A6檢測到的人體生理信息直接傳給目標 節(jié)點A2,從而完成無限體域網(wǎng)的信息傳輸。
本實施例通過將無線體域網(wǎng)醫(yī)學場景中的網(wǎng)絡路由和人體行為識別相結合，實時 地監(jiān)測人體姿態(tài)的改變，根據(jù)人體姿態(tài)動態(tài)地更新網(wǎng)絡中節(jié)點的相對位置信息，同時充分 考慮了人體的遮擋對無線信道的影響，在進行路由選擇前預先排除不可通信的節(jié)點，避免 信息發(fā)送失敗與重發(fā)以及重新選擇下一跳節(jié)點造成的能量浪費。
權利要求
一種無線體域網(wǎng)的信息傳輸方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一，利用無線體域網(wǎng)內的節(jié)點A對人體進行檢測，得到人體生理信號，將人體生理信號劃分為若干與信號周期相等的信號段；步驟二，對信號段依次進行重采樣處理、消除直流偏移處理和幅度變換處理，得到處理后的人體生理信號；步驟三，對處理后的人體生理信號進行主成分分析處理，得到當前人體的行為信息；步驟四，對當前人體的行為信息進行判斷處理，得到節(jié)點A的下一跳節(jié)點候選集；步驟五，在節(jié)點A的下一跳節(jié)點候選集中選取與目標節(jié)點B距離最近的節(jié)點C，將節(jié)點A檢測到的人體生理信息傳給節(jié)點C，再按照步驟四和步驟五的方法，得到節(jié)點C的下一跳節(jié)點，直至將人體的生理信息傳給目標節(jié)點B。
2.根據(jù)權利要求1所述的無線體域網(wǎng)的信息傳輸方法，其特征是，步驟二中所述的重 采樣處理，是指利用DSP技術，對提取的信號以比例因子M/L重新進行采樣，其中M是一 個周期內的標準采樣點數(shù)，L是所提取信號的實際采樣點數(shù)。
3.根據(jù)權利要求1所述的無線體域網(wǎng)的信息傳輸方法，其特征是，步驟二中所述的消 除直流偏移處理，是指將重采樣的信號減去一個常數(shù)值C，其中c是人體生理信號所有理 論值為零的采樣點上實際值的平均值。
4.根據(jù)權利要求1所述的無線體域網(wǎng)的信息傳輸方法，其特征是，步驟二中所述的幅 度變換處理，是指對消除直流偏移的信號乘以比例因子a/b，其中a是人體生理信號幅度 最大值的標準值，b是實際提取信號幅度的最大值。
5.根據(jù)權利要求1所述的無線體域網(wǎng)的信息傳輸方法，其特征是，步驟三中所述的主 成分分析處理，包括以下步驟1)建立人體行為模式樣本庫，得到每種人體行為模式下的持續(xù)時間為t的人體生理信號；2)按照步驟一和步驟二的方法，對1)得到的人體生理信號進行處理，得到處理后的信號；3)得到每種人體行為模式下信號的平均值和協(xié)方差矩陣，并得到每種人體行為模式下 信號的協(xié)方差矩陣的M個特征值，其中M是一個周期內的標準采樣點數(shù)；4)將每種人體行為模式下信號的協(xié)方差矩陣的M個特征值按照從大到小的順序進行 排列，對第i種人體行為模式選取其前面的Ki個特征值，其所對應的特征向量組成矩陣~ \-en ,en,··., eIKi ]55)對步驟二得到的處理后的人體信號進行誤差分析處理，得到其與每種人體行為模式 的信號的誤差，最小的誤差所對應的人體行為模式就是當前人體的行為信息。
6.根據(jù)權利要求5所述的無線體域網(wǎng)的信息傳輸方法，其特征是，所述的每種人體行 為模式下信號的平均值，是q1=1/NiNi∑j-1rij其中％是第i種人體行為模式下信號的平均值，Ni是第i種人體行為模式包括的信 號段的數(shù)目，Aj是第i種人體行為模式中第j段信號的處理后的信號，1 ≤ i ≤N，N是人 體行為模式樣本庫中人體行為模式的數(shù)目，1≤j ≤Ni。
7.根據(jù)權利要求5所述的無線體域網(wǎng)的信息傳輸方法，其特征是，所述的每種人體行 為模式下信號的協(xié)方差矩陣，是1 Ν' cZ=TrE^,其中=Ci是第i種人體行為模式下信號的協(xié)方差矩陣，Ni是第i種人體行為模式包括 的信號段的數(shù)目，是第i種人體行為模式中第j段信號的處理后的信號，1 < i < N，N是 人體行為模式樣本庫中人體行為模式的數(shù)目，1 < j <隊。
8.根據(jù)權利要求5所述的無線體域網(wǎng)的信息傳輸方法，其特征是，所述的誤差分析處 理，是ei = I Pi-Pi' I2，其中Pi = r-qi Pi ’ = (EiEf )pt ’e,是步驟二得到的處理后的人體信號與第i種人體行為模式的信號的誤差，r是步驟 二得到的處理后的人體信號。
9.根據(jù)權利要求1所述的無線體域網(wǎng)的信息傳輸方法，其特征是，步驟四中所述的判 斷處理，包括以下步驟1)建立查找表，得到人體每種行為模式下各節(jié)點間的位置關系以及通信關系；2)在識別出當前人體的行為模式后，搜索查找表，得到當前行為模式下各節(jié)點與節(jié)點 A的位置關系以及通信關系；3)將所有與節(jié)點A有直接通信關系的節(jié)點列入節(jié)點A的下一跳節(jié)點候選集中。
全文摘要
一種無線通信技術領域的無線體域網(wǎng)的信息傳輸方法，包括以下步驟節(jié)點A對人體進行檢測，得到人體生理信號，將人體生理信號劃分為若干與信號周期相等的信號段；對信號段依次進行重采樣處理、消除直流偏移處理和幅度變換處理；對處理后的人體生理信號進行主成分分析處理，得到當前人體的行為信息；對當前人體的行為信息進行判斷處理，得到節(jié)點A的下一跳節(jié)點候選集；在節(jié)點A的下一跳節(jié)點候選集中選取與目標節(jié)點B距離最近的節(jié)點C作為下一跳節(jié)點，直至將人體的生理信息傳給目標節(jié)點B。本發(fā)明實時地監(jiān)測人體姿態(tài)的改變，在進行路由選擇前預先排除不可通信的節(jié)點，避免信息發(fā)送失敗與重發(fā)以及重新選擇下一跳節(jié)點造成的能量浪費。
文檔編號H04W84/18GK101868047SQ20101021399
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月30日 優(yōu)先權日2010年6月30日
發(fā)明者馮晶凌, 劉偉, 李陽, 王煒, 錢良 申請人:上海交通大學