专利名称：无线体域网的信息传输方法
技术领域：
本发明涉及的是一种无线通信技术领域的方法，具体是一种基于人体行为识别技 术的无线体域网的信息传输方法。
背景技术：
无线体域网(Body Area Network)由无线传感器网络(Wireless Sensor Network)发展而来。无线体域网的一个典型应用是在远程医疗监控中，通过贴放在人体表 面的无线传感器节点构成网络，检测人体生理信息并传输交互，最后通过天线传输到医疗 中心来远程监控人体的健康状况。无线传感器的能量十分有限，又紧贴在人体表面，所以无 线信道的信号传输功率、数据传输带宽等参数都要受到约束，较远节点间一般采用多跳接 力的方式通信。受到人体对电磁波吸收的影响，无线体域网内的无线信道与自由空间中不 同。此外，因为无线传感器与人体紧密结合，人体姿态的变化会导致人体周围无线信道的变 化。经对现有技术文献的检索发现，Karp B等人发表在ACM杂志上的“Greedy PerimeterStateless Routing for Wireless Networks各白勺
GPSR方法)”，提出了一种基于距离的无线传感器网络路由方法。该方法主要是通过节点的 相对位置信息，选择最靠近目标节点的邻节点，作为下一跳节点向其发送信息。但是该方法 需要通过其他方法知道每个节点的相对位置信息，并且没有动态地考虑人体行为对无线信 道的影响。当人体姿态发生变化时，节点的相对位置信息发生改变可能影响方法的准确性， 并且当选定的下一跳节点被人体遮挡时本节点无法与其通信，信息发送失败与重发以及对 下一跳节点的重新选择都会造成能量的浪费。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提出一种无线体域网的信息传输方 法，通过将无线体域网医学场景中的网络路由和人体行为识别相结合，实时地监测人体姿 态的改变，根据人体姿态动态地更新网络中节点的相对位置信息，同时充分考虑了人体的 遮挡对无线信道的影响，在进行路由选择前预先排除不可通信的节点，避免信息发送失败 与重发以及重新选择下一跳节点造成的能量浪费。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤步骤一，利用无线体域网内的节点A对人体进行检测，得到人体生理信号，将人体 生理信号划分为若干与信号周期相等的信号段。步骤二，对信号段依次进行重采样处理、消除直流偏移处理和幅度变换处理，得到 处理后的人体生理信号。所述的重采样处理，是指利用DSP(数字信号处理)技术，对提取的信号以比例因 子M/L重新进行采样，其中Μ是一个周期内的标准采样点数，L是所提取信号的实际采样点数。
所述的消除直流偏移处理，是指将重采样的信号减去一个常数值C，其中C是人 体生理信号所有理论值为零的采样点上实际值的平均值。所述的幅度变换处理，是指对消除直流偏移的信号乘以比例因子a/b，其中a是 人体生理信号幅度最大值的标准值，b是实际提取信号幅度的最大值。步骤三，对处理后的人体生理信号进行主成分分析处理，得到当前人体的行为信 肩、O 所述的主成分分析处理，包括以下步骤1)建立人体行为模式样本库，得到每种人体行为模式下的持续时间为t的人体生
理信号；2)按照步骤一和步骤二的方法，对1)得到的人体生理信号进行处理，得到处理后 的信号；3)得到每种人体行为模式下信号的平均值和协方差矩阵，并得到每种人体行为模 式下信号的协方差矩阵的M个特征值；所述的每种人体行为模式下信号的平均值，是
1 N'其中qi是第i种人体行为模式下信号的平均值，Ni是第i种人体行为模式包括的 信号段的数目，是第i种人体行为模式中第j段信号的处理后的信号，1彡i彡N，N是 人体行为模式样本库中人体行为模式的数目，1 < j <队。所述的每种人体行为模式下信号的协方差矩阵，是
1 N1Ci=-YjijIj ,其中而是第i种人体行为模式下信号的协方差矩阵，Ni是第i种人体行为模式包 括的信号段的数目，是第i种人体行为模式中第j段信号的处理后的信号，1彡i彡N， N是人体行为模式样本库中人体行为模式的数目，1 < j ^队。4)将每种人体行为模式下信号的协方差矩阵的M个特征值按照从大到小的顺序 进行排列，对第i种人体行为模式选取其前面的Ki个特征值，其所对应的特征向量组成矩 阵乓=[ , ,···, ,]:5)对步骤二得到的处理后的人体信号进行误差分析处理，得到其与每种人体行为 模式的信号的误差，最小的误差所对应的人体行为模式就是当前人体的行为信息。所述的误差分析处理，是ej = Ipi-Pi' |2，其中Pi= r-qi;P^ = (EiEf)Pi,e,是步骤二得到的处理后的人体信号与第i种人体行为模式的信号的误差，r是 步骤二得到的处理后的人体信号。步骤四，对当前人体的行为信息进行判断处理，得到节点A的下一跳节点候选集。所述的判断处理，包括以下步骤1)建立查找表，得到人体每种行为模式下各节点间的位置关系以及通信关系；
2)在识别出当前人体的行为模式后，搜索查找表，得到当前行为模式下各节点与 节点A的位置关系以及通信关系；3)将所有与节点A有直接通信关系的节点列入节点A的下一跳节点候选集中。步骤五，在节点A的下一跳节点候选集中选取与目标节点B距离最近的节点C，将 节点A检测到的人体生理信息传给节点C，再按照步骤四和步骤五的方法，得到节点C的下 一跳节点，直至将人体的生理信息传给目标节点B。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果 1、通过人体行为识别实时地监测人体姿态的改变，根据人体当前姿态动态地更新 无线体域网节点的相对位置信息，可以保证后续路由处理的有效性。2、充分考虑了人体对无线信道的影响，使节点可以通过本地计算得到周围可通信 的节点，在进行路由处理前排除不可通信的节点，避免信息发送失败与重发，以及重新选择 下一跳节点带来的能量浪费，延长节点的生存时间。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。实施例本实施例的无线体域网中共有A1, A2,…，A7七个无线传感器节点，分别位于颈部、 胸部、左侧腰部、右侧腰部、左手腕、右手腕和背部，其中=A2是无线体域网的中心节点，负责 整个无线体域网与外部网络的通信,A6是一个ECG(心电图)节点，负责测量人体ECG信号， 由于人体周围信道随距离增加对信号的衰减明显增加，因此各节点间的距离控制在40cm 以内。不相邻的节点之间只能通过多跳接力的方式通信，相邻的节点在没有受到人体遮挡 时可以直接单跳通信，但是在受到人体遮挡时也只能通过多跳接力的方式通信。本实施例 中以ECG节点A6为例进行操作。本实施例包括如下步骤步骤一，利用无线体域网内的无线传感器节点A6对人体进行检测，得到人体生理 信号，将人体生理信号划分为若干与信号周期相等的信号段。本实施例中A6以256Hz的采样速率对ECG信号进行检测，通过前后两个峰值采样 点间的距离得到一个周期的采样点数L，提取出持续时间为一个周期，长度为L的信号，并 使峰值点在最中间。步骤二，对信号段依次进行重采样处理、消除直流偏移处理和幅度变换处理，得到 处理后的人体生理信号。所述的重采样处理，是指利用DSP技术，对提取的信号以比例因子M/L重新进行 采样，其中M是一个周期内的标准采样点数，L是所提取信号的实际采样点数。所述的消除直流偏移处理，是指将重采样的信号减去一个常数值C，其中C是人 体生理信号所有理论值为零的采样点上实际值的平均值。本实施例中C是实际提取的ECG信号的P波末尾与Q波开头之间所有采样值的平 均值。
所述的幅度变换处理，是指对消除直流偏移的信号乘以比例因子a/b，其中a是 人体生理信号幅度最大值的标准值，b是实际提取信号幅度的最大值。步骤三，对处理后的人体生理信号进行主成分分析处理，得到当前人体的行为信 肩、ο所述的主成分分析处理，包括以下步骤1)建立人体行为模式样本库，得到每种模式下的持续时间为t的人体生理信号；本实施例建立的人体行为模式样本库包括站立、坐下、平躺、向左侧躺、向右侧 躺、右臂摆动到前方、右臂摆动到后方、左臂摆动到前方、左臂摆动到后方等。 2)按照步骤一和步骤二的方法，对每种模式下的持续时间为t的人体生理信号进 行处理，得到处理后的信号；3)得到每种人体行为模式下信号的平均值和协方差矩阵，并得到每种人体行为模 式下信号的协方差矩阵的M个特征值，所述的每种人体行为模式下信号的平均值，是
1 N'Ii=-J^rij ,
丄、i j=i其中qi是第i种人体行为模式下信号的平均值，Ni是第i种人体行为模式包括的 信号段的数目，是第i种人体行为模式中第j段信号的处理后的信号，1彡i彡N，N是 人体行为模式样本库中人体行为模式的数目，1 < j <队。所述的每种人体行为模式下信号的协方差矩阵，是
1 N1Ci=-YjijIj ,其中而是第i种人体行为模式下信号的协方差矩阵，Ni是第i种人体行为模式包 括的信号段的数目，是第i种人体行为模式中第j段信号的处理后的信号，1彡i彡N， N是人体行为模式样本库中人体行为模式的数目，1 < j ^队。4)将每种人体行为模式下信号的协方差矩阵的M个特征值按照从大到小的顺序 进行排列，对第i中人体行为模式选取其前面的Ki个特征值，其所对应的特征向量组成矩 阵乓=[ , ,···, ,]:本实施例中Ki = 5。5)对步骤二得到的处理后的人体信号进行误差分析处理，得到其与每种人体行为 模式的信号的误差，最小的误差所对应的人体行为模式就是当前人体的行为信息。所述的误差分析处理，是ej = Ipi-Pi' |2，其中Pi= r-qi;Pi ’ = (EiEf )Pi,e,是步骤二得到的处理后的人体信号与第i种人体行为模式的信号的误差，r是 步骤二得到的处理后的人体信号。本实施例中得到的人体当前的行为模式是右臂摆动到前方。步骤四，对当前人体的行为信息进行判断处理，得到节点A6的下一跳节点候选集。所述的判断处理，包括以下步骤
1)建立查找表，得到人体每种行为模式下各节点间的位置关系以及通信关系；2)在识别出当前人体的行为模式后，搜索查找表，得到当前行为模式下各节点与 节点A6的位置关系以及通信关系；3)将所有与节点A6有直接通信关系的节点列入节点A6的下一跳节点候选集。本实施例中人体当前的行为模式为右臂摆动到前方，则A6节点搜索查找表得到 的下一跳节点候选集为~、A2和A4。步骤五，采用GPSR方法，在无线传感器节点A6的下一跳节点候选集中选取与目标 节点A2距离最近的节点，即A2，将无线传感器节点A6检测到的人体生理信息直接传给目标 节点A2,从而完成无限体域网的信息传输。
本实施例通过将无线体域网医学场景中的网络路由和人体行为识别相结合，实时 地监测人体姿态的改变，根据人体姿态动态地更新网络中节点的相对位置信息，同时充分 考虑了人体的遮挡对无线信道的影响，在进行路由选择前预先排除不可通信的节点，避免 信息发送失败与重发以及重新选择下一跳节点造成的能量浪费。
权利要求
一种无线体域网的信息传输方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一，利用无线体域网内的节点A对人体进行检测，得到人体生理信号，将人体生理信号划分为若干与信号周期相等的信号段；步骤二，对信号段依次进行重采样处理、消除直流偏移处理和幅度变换处理，得到处理后的人体生理信号；步骤三，对处理后的人体生理信号进行主成分分析处理，得到当前人体的行为信息；步骤四，对当前人体的行为信息进行判断处理，得到节点A的下一跳节点候选集；步骤五，在节点A的下一跳节点候选集中选取与目标节点B距离最近的节点C，将节点A检测到的人体生理信息传给节点C，再按照步骤四和步骤五的方法，得到节点C的下一跳节点，直至将人体的生理信息传给目标节点B。
2.根据权利要求1所述的无线体域网的信息传输方法，其特征是，步骤二中所述的重 采样处理，是指利用DSP技术，对提取的信号以比例因子M/L重新进行采样，其中M是一 个周期内的标准采样点数，L是所提取信号的实际采样点数。
3.根据权利要求1所述的无线体域网的信息传输方法，其特征是，步骤二中所述的消 除直流偏移处理，是指将重采样的信号减去一个常数值C，其中c是人体生理信号所有理 论值为零的采样点上实际值的平均值。
4.根据权利要求1所述的无线体域网的信息传输方法，其特征是，步骤二中所述的幅 度变换处理，是指对消除直流偏移的信号乘以比例因子a/b，其中a是人体生理信号幅度 最大值的标准值，b是实际提取信号幅度的最大值。
5.根据权利要求1所述的无线体域网的信息传输方法，其特征是，步骤三中所述的主 成分分析处理，包括以下步骤1)建立人体行为模式样本库，得到每种人体行为模式下的持续时间为t的人体生理信号；2)按照步骤一和步骤二的方法，对1)得到的人体生理信号进行处理，得到处理后的信号；3)得到每种人体行为模式下信号的平均值和协方差矩阵，并得到每种人体行为模式下 信号的协方差矩阵的M个特征值，其中M是一个周期内的标准采样点数；4)将每种人体行为模式下信号的协方差矩阵的M个特征值按照从大到小的顺序进行 排列，对第i种人体行为模式选取其前面的Ki个特征值，其所对应的特征向量组成矩阵~ \-en ,en,··., eIKi ]55)对步骤二得到的处理后的人体信号进行误差分析处理，得到其与每种人体行为模式 的信号的误差，最小的误差所对应的人体行为模式就是当前人体的行为信息。
6.根据权利要求5所述的无线体域网的信息传输方法，其特征是，所述的每种人体行 为模式下信号的平均值，是q1=1/NiNi∑j-1rij其中％是第i种人体行为模式下信号的平均值，Ni是第i种人体行为模式包括的信 号段的数目，Aj是第i种人体行为模式中第j段信号的处理后的信号，1 ≤ i ≤N，N是人 体行为模式样本库中人体行为模式的数目，1≤j ≤Ni。
7.根据权利要求5所述的无线体域网的信息传输方法，其特征是，所述的每种人体行 为模式下信号的协方差矩阵，是1 Ν' cZ=TrE^,其中=Ci是第i种人体行为模式下信号的协方差矩阵，Ni是第i种人体行为模式包括 的信号段的数目，是第i种人体行为模式中第j段信号的处理后的信号，1 < i < N，N是 人体行为模式样本库中人体行为模式的数目，1 < j <队。
8.根据权利要求5所述的无线体域网的信息传输方法，其特征是，所述的误差分析处 理，是ei = I Pi-Pi' I2，其中Pi = r-qi Pi ’ = (EiEf )pt ’e,是步骤二得到的处理后的人体信号与第i种人体行为模式的信号的误差，r是步骤 二得到的处理后的人体信号。
9.根据权利要求1所述的无线体域网的信息传输方法，其特征是，步骤四中所述的判 断处理，包括以下步骤1)建立查找表，得到人体每种行为模式下各节点间的位置关系以及通信关系；2)在识别出当前人体的行为模式后，搜索查找表，得到当前行为模式下各节点与节点 A的位置关系以及通信关系；3)将所有与节点A有直接通信关系的节点列入节点A的下一跳节点候选集中。
全文摘要
一种无线通信技术领域的无线体域网的信息传输方法，包括以下步骤节点A对人体进行检测，得到人体生理信号，将人体生理信号划分为若干与信号周期相等的信号段；对信号段依次进行重采样处理、消除直流偏移处理和幅度变换处理；对处理后的人体生理信号进行主成分分析处理，得到当前人体的行为信息；对当前人体的行为信息进行判断处理，得到节点A的下一跳节点候选集；在节点A的下一跳节点候选集中选取与目标节点B距离最近的节点C作为下一跳节点，直至将人体的生理信息传给目标节点B。本发明实时地监测人体姿态的改变，在进行路由选择前预先排除不可通信的节点，避免信息发送失败与重发以及重新选择下一跳节点造成的能量浪费。
文档编号H04W84/18GK101868047SQ20101021399
公开日2010年10月20日 申请日期2010年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者冯晶凌, 刘伟, 李阳, 王炜, 钱良 申请人:上海交通大学