零功耗人体通信接收器

海报摘要：用于触觉通信和触摸感知的零功耗接收器

I. 引言

近年来，智能手机、智能传感、物联网和可穿戴设备等信息通信设备正以惊人的速度发展。嵌入传感器和连接功能的智能可穿戴设备已取得商业成功，尤其得益于三星、苹果和谷歌等科技公司。当前趋势是将多个智能设备附着在人体上或周围，以实现人与人之间的交互。这些智能传感器集成了处理与通信单元，用于数据和命令的传输与接收。最常用的通信接口是射频（RF）无线传输。体域网络中的射频通信通常可在几毫瓦功耗下实现数米的通信距离。然而，许多应用需要将数据发送到同一人体上的节点（体内通信）或通过触摸接近人体的设备（体外通信）。

一般来说，人体通信（HBC）是一种利用人体作为传输介质的无线通信方式[2]。这种通信方式可作为蓝牙或射频识别等传统短距离射频无线通信的替代方案。人体通信可能成为一种新型无线通信方法，特别是因为它在传输和接收数据时所需功耗更低[2]。

功耗至关重要，当智能传感器由电池供电并在现场部署或长期佩戴在人体上时，功耗限制了其使用寿命。一种有效且众所周知的降低功耗的技术是周期性地降低高功耗子系统（如无线通信）的工作活动（占空比循环）。然而，该技术会增加通信延迟和/或漏检消息的概率为[1]。此外，占空比循环并不能消除空闲监听时的功耗，导致电池供电节点即使采用非常激进的占空比循环，也无法持续工作数周以上。一种近期颇具前景的方法是设计功耗在微瓦（μW）范围内的常开式无线接收器，以实现对感兴趣的无线消息的检测[1]。更近一步，该方法结合了利用接收信号能量进行能量收集的技术，推动了零功耗通信的发展。零功耗通信旨在实现能量中性，从而支持常开式传感器的运行[3]。

本文旨在实现零功耗体内和体外通信，设计并实现了一种零功耗接收器，该接收器可用作触摸传感器（用于体外通信）或零功耗唤醒无线电（用于体外和体内通信）。主要目标是实现一种无电池设备，能够始终处于开启状态，等待处理数据。接收器工作所需的能量通过电极与用户身体之间建立的电场（通过电容耦合）获取，电极附着在物体/身体上，而发射器位于用户身体上。用户的发射器发送前导码，为接收器电路内部电容器充电。前导码之后是有效载荷，可以是数据或标识符（图1）。由于前导码存储的能量足以供给低功耗微控制器进行信号处理和标识符评估。发射节点不需要任何无线电硬件，而是可通过微控制器生成的脉宽调制信号(PWM)实现。本研究采用频率为8兆赫的开关键控调制来生成前导码和数据[4]。该零功耗接收器可用于唤醒高功耗硬件或激活可进入睡眠模式且消耗零功耗的外部设备。

II. 硬件架构

图2展示了所提出的零功耗触摸接收器的框图。主要模块包括电极（一个在人体上，另一个在位于人体或其他物体上的接收器上）、能量收集、开关键控解调器和数据重建以及数字解析和触发。能量收集模块收集前导码中发送的能量，并将其存储在供电电容（以Vsupply形式表示）中，为其余电路提供能量。在此实现中，能量收集采用由肖特基二极管构成的维拉尔倍压整流器，级数取决于传输功率和电极尺寸，在本实现中我们使用了四级整流器。数据通过无源包络检波器进行整流，并由德州仪器的超低功耗比较器重建，该比较器仅消耗75纳安，是解调电路中唯一的有源元件。为了减少误报并实现寻址机制，接收器使用微芯科技的超低功耗微控制器PIC12LF1552处理开关键控数据。该PIC在睡眠模式下消耗电流小于一微安，在工作模式下仅消耗数百微安。此外，该PIC仅需1.6伏特即可工作。图3展示了所实现的无需电池的原型。

III. 实验结果

零功耗接收器已设计并实现（图3）以测试其在现场的功能和性能。我们使用一个在先前另一项工作中开发的可穿戴设备作为发射器[4]，用以生成前导码和数据。图4显示了在零功耗接收器上进行的实验评估。图中绿色线（顶部）表示电极上的接收到的功率，可以清楚地看到前导码和数据的接收过程。

第二个波形图（中间黄色线）显示了供电电容的电压，以及电路从零电压冷启动至Vsupply的能力。最后，第三个波形图（底部紫色线）显示了比较器的输出，在经过冷启动阶段后能够成功重建数据。微控制器的固件已优化，以实现平均低能耗算法来完成数据解析。在测试功能之后，我们对体域通信距离和最短前导码时长进行了性能测量。我们测得的通信距离为1.70米（从一只手的一个手指到另一只手的另一个手指），这意味着零功耗接收器几乎可以覆盖整个人体。在当前实现下，需要50ms的前导时间以支持8位数据在此距离上传输。这是因为能量接收依赖于与发射器之间的距离。对于触觉体外通信上的通信，我们报告了25毫秒的最短前导码。

IV. 结论

本文提出了一种用于体域/触觉通信的零功耗接收器，能够无需电池即可接收、处理和比较数据。所需能量由信号传输本身获取，足以驱动一个比较器和一个微控制器。使用当前电极可覆盖的距离超过170厘米；足以通过握手方式在一位用户的手腕与另一位用户的手腕之间，或从手腕到安装在人体其他位置的第二台设备之间交换信息。前导时间处于毫秒量级，使得该接收器非常适合涉及可穿戴设备的多种应用场景。