无线装置的制作方法

本说明书涉及用于无线通信的系统、方法、设备、装置、制品和指令。

背景技术：

本文讨论的是使用近场通信的身体上通信以及使用远场通信的与其它无线联网装置(例如，物联网(iot)装置)进行的身体外通信。虽然远场(例如，rf)无线通信是通过使rf平面波通过自由空间传播来实现的，但是近场通信利用非传播性准静态h场和e场。

技术实现要素：

根据示例实施例，一种无线装置，所述无线装置包括：近场收发器，所述近场收发器被配置成耦合到主体结构；控制器，所述控制器耦合到所述收发器，其中所述近场收发器包括被配置成耦合到导电表面的馈电点，其中所述导电表面被配置成电容性地耦合到所述主体结构，以形成近场电天线的一部分，并且其中所述导电表面被配置成与接地重复但不连续接触。

在另一个示例实施例中，所述导电表面被配置成响应于所述主体结构行走、奔跑、奔腾、旋转、抓握、触摸和/或停止然后站立而与所述接地重复接触。

在另一个示例实施例中，所述接地是以下中的至少一种：大地接地、装配线、土壤、道路、小路或地板。

在另一个示例实施例中，所述导电表面是马蹄铁。

在另一个示例实施例中，所述导电表面是以下中的至少一种：金属安全鞋、机器人接触脚、抓握装置和/或车辆的轨道结构的一部分。

在另一个示例实施例中，所述馈电点通过导电通孔耦合到所述导电表面。

在另一个示例实施例中，所述导电表面是马蹄铁；并且所述导电通孔是以下中的至少一种：钉子、长钉、螺栓或夹子。

在另一个示例实施例中，所述主体结构是马。

在另一个示例实施例中，所述主体结构是以下中的至少一种：人、机器人、牲畜、装配线机器或车辆轨道。

在另一个示例实施例中，所述无线装置被配置成在所述导电表面未与所述接地接触时与另一无线装置通信。

在另一个示例实施例中，所述无线装置被配置成在所述无线装置的所述导电表面与所述接地接触时进入低功率状态。

在另一个示例实施例中，所述主体结构是马；所述导电表面是马蹄铁；所述马蹄铁耦合到所述马的蹄；所述接地是大地；所述无线装置被配置成在所述蹄未接触所述大地时与另一无线装置通信；并且所述无线装置被配置成在所述蹄接触所述大地时不与另一无线装置通信。

在另一个示例实施例中，所述无线装置是第一无线装置；所述无线装置另外包括第二无线装置，所述第二无线装置被配置成耦合到所述主体结构并且具有近场收发器和远场收发器，其中所述第二无线装置被配置成从所述第一无线装置的所述近场电天线接收近场电信号。

在另一个示例实施例中，所述第二无线装置与所述第一无线装置相比在空间上更远离所述接地。

在另一个示例实施例中，另外包括中间结构，所述中间结构被配置成耦合在所述导电表面与所述主体结构之间，并且其中所述近场收发器和所述控制器物理地耦合到所述中间结构。

在另一个示例实施例中，所述中间结构是一次性衬垫。

在另一个示例实施例中，所述中间结构是介电结构。

在另一个示例实施例中，另外包括耦合到所述控制器的传感器，其中所述传感器被配置成检测所述导电表面何时与所述接地接触。

在另一个示例实施例中，所述传感器被配置成测量所述主体结构的生理参数。

在另一个示例实施例中，所述传感器是以下中的至少一种：加速度计、红外接近传感器、压力传感器或压力板。

在另一个示例实施例中，另外包括近场磁性天线，所述近场磁性天线包括线圈，其中所述线圈耦合到所述近场收发器，并且其中所述线圈和所述导电表面一起用作近场电磁感应(nfemi)天线。

根据一个示例实施例，一种制造无线装置的方法，所述方法包括：选择中间结构、马蹄铁和钉子或螺钉，其中所述中间结构包括耦合到控制器的近场收发器；用所述钉子或所述螺钉将所述近场收发器耦合到所述马蹄铁，其中在耦合时，所述马蹄铁电容性地耦合到所述马，以形成近场电天线。

以上讨论不旨在表示当前或未来权利要求组的范围内的每个示例实施例或每种实施方案。随后的附图和具体实施方式也例示了各个示例实施例。

结合附图考虑以下具体实施方式时，可以更彻底地理解各个示例实施例。

附图说明

图1是第一示例理想化近场电磁感应(nfemi)天线。

图2是第二示例理想化近场电磁感应(nfemi)天线。

图3是示例理想化无线装置。

图4是无线装置的第一示例应用。

图5是一组无线装置的第二示例应用。

图6是马的示例门控循环(gatecycle)。

图7是水平(x)方向和竖直(y)方向两者上随时间推移的示例组加速度传感器数据。

虽然本公开可以采用各种修改和替代形式，但是在附图中已经通过举例示出了本公开的细节并且将对其进行详细描述。然而，应理解的是，除了所描述的具体实施例之外，其它实施例也是可能的。还涵盖落入所附权利要求的精神和范围内的所有修改、等效物以及替代性实施例。

具体实施方式

用于近场通信的频率通常低于50mhz，而在一些例子中，用于远场通信的频率可以在0.1ghz到6ghz的范围内或更高。对于各种消费者装置，常见的近场频率为10.6mhz并且常见的远场频率为2.5ghz。近场通信协议可以或可以不是专有的，而远场通信协议可以包括wlan、蓝牙或具有期望的通信范围的其它协议。

在近场电磁感应(nfemi)无线装置中，通信收发器使用磁场(h)和电场(e)两者。h场天线(即，磁性天线)主要对磁场敏感和/或主要在被电流驱动时产生磁场。来自h场天线的任何e场分量显著减小(例如，从-20db减小为-60db，因子为0.1到0.0008(10％到0.08％)，这取决于天线设计)。

小环形天线是示例h场天线并且包括尺寸远小于其使用波长的环形天线。小环形天线在nfemi载波频率下不进行谐振，而是通过外部电抗进行调谐以进行谐振。在一些示例实施例中，小环形天线中的电流在环路的每个位置的值相同。

e场天线(即电天线)主要对电场敏感和/或主要在被电压驱动时产生电场。来自e场天线的任何h场分量显著减小(例如，从-20db减小为-60db，因子为0.1到0.0008(10％到0.08％)，这取决于天线设计)。

短负载偶极子天线是示例e场天线并且包括尺寸远小于nfemi载波频率的短偶极子并且在一些示例实施例中在两端均具有额外的电容结构。

这些场的准静态特性是nfemi天线尺寸与其载波频率组合的结果。大多数近场能量以磁场和电场的形式储存，而少量rf能量不可避免地在自由空间中传播。小型天线几何结构使自由空间中的辐射波最小化。

一些无线联网装置采用近场磁感应(nfmi)作为无线通信方法。在nfmi无线通信中，两个松散耦合的线圈实现信号传输。不会发生无线电波的辐射。在发射线圈中流动的电流产生h场，所述h场进而在接收线圈中感生电流。以此方式，实现无线通信。遗憾的是，天线线圈较小的基于h场的nfmi系统的范围有限，所述范围可能远小于整个可穿戴装置用户的身体。这种h场通信对线圈朝向敏感。在助听器形状因子的情况下，基于h场感应的系统无法覆盖整个人体。然而，因为在助听器中两个线圈总是彼此对齐，所以它们不受人体移动的影响。

其它无线联网装置采用近场电感应(nfei)作为无线通信方法。nfei允许主体结构(例如，人体)上和附近的电子装置通过e场耦合(例如，在21mhz下)交换信息。nfei有时也被称为身体耦合通信(bodycoupledcommunication，bcc)。虽然基于e场的nfei信号的范围可以比基于h场的nfmi信号的范围大，但是e场信号的强度可能因身体姿势而不同并且对身体移动敏感。身体甚至可以部分地阻塞电容性返回路径，由此增加e场信道损耗并且不可能实现可靠且鲁棒的无线通信。

图1是第一示例理想化近场电磁感应(nfemi)天线100。在此示例实施例中，天线100包括用于磁场的线圈(h场)天线105与用于电场的短负载偶极子(e场)天线120的组合。h场天线105包括缠绕有导线115的铁氧体芯110。e场天线120包括两个导电负载结构125和130。天线100馈电点135、140耦合到各种收发器电路系统，如下游无线电发射器和接收器集成电路(rf-ic)(此处未示出)。

当nfemi天线100接近结构(例如，主体结构、身体、人、物体等)时，磁场和电场将基本上局限于所述结构并且不会在自由空间中明显辐射。这增强了这种身体联网通信的安全性和隐私性。

在各个示例实施例中，天线100在50mhz或更低的频率(例如，30mhz)下操作以确保场沿着结构的轮廓并且确保远场辐射显著减少。

图2是示例理想化近场电感应(nfei)天线200。在一些示例实施例中，天线200包括用于电场的短负载偶极子(e场)天线120。e场天线120包括两个导电负载结构125和130。天线200馈电点135、140耦合到各种收发器电路系统，如下游无线电发射器和接收器集成电路(rf-ic)(此处未示出)。在一些示例实施例中，发射频率低于50mhz，以确保近场沿着身体轮廓并且远场辐射显著减少。

然而，身体上nfei通信可能容易受到电磁(em)干扰，所述em干扰在不期望射频信号中断近场通信时发生。干扰可能完全阻止接收，可能引起暂时的信号丢失或可能影响声音或数据的接收质量。干扰可能来自各种来源，包括附近的电系统和电子系统(例如，光源调节、家用电器、冰箱、咖啡机等)。

例如，由于构成人体的组织在低于80mhz时具有较高的介电常数，因此人体充当这些电磁干扰信号中的一些电磁干扰信号的天线。介于30mhz与80mhz之间的电磁波的波长相当于整个人体一直到各个身体部位(如胳膊和腿等)的长度。

然而，当主体结构位于接地附近(例如，道路、大地、土壤、地板或其它表面)时，近场天线100和200的一些应用会受通信信号退化的影响。在这种不太理想的位置中，这种近场天线100和200在接近或接触接地时可能会退化。

也包括用于与未连接到主体结构的其它无线装置通信的远场通信天线的无线装置也会受到影响。例如，靠近接地放置的远场天线的通信范围由于辐射电阻的降低以及由接地的吸收所引起的能量损失而显著减小。

甚至另外的，制造近场天线100、200的成本可能限制其对各种主体结构的应用，这可能是由于因恶劣条件和/或正常操作实践而需要经常更换。

现在讨论的是近场无线装置的示例实施例，所述近场无线装置不仅可以靠近接地定位，并且也可以耦合到传感器，所述传感器在靠近接地的位置处可以最佳地收集数据(例如，冲击经过泥土铺设的竞技场的马的蹄、建筑物中的产业工人、递送包裹的机器人操作、场地中的牲畜的健康情况、接触制造中的部件的装配线机器、在地面表面之上移动的履带式车辆(例如，罐)等)。

这些示例实施例可以包括耦合到其它远场无线装置的用于确保鲁棒的长距离通信的远场无线装置。也可以以降低的成本、可能重复使用现有的主体结构特征(例如，马蹄铁、金属趾安全鞋、机器人接触脚、车辆的轨道结构的一部分等)来制造这些无线装置的一些示例实施例。

尽管下面讨论的示例实施例应用于马术环境中的马，但是其它示例实施例可以应用于工人、机器人、牲畜，机器等，如上文所介绍的。

图3是示例300理想化无线装置。示例无线装置300包括短负载偶极子(e场)天线302，所述短负载偶极子天线302具有导电表面130、馈电点135、140、收发器304(rf-ic)、一个或多个传感器306和控制器308。

如将讨论的，导电表面130被配置成与接地310重复接触。虽然仅示出了近场电感应(nfei)天线302，但是可以添加图1中示出的电磁线圈天线105以产生nfemi天线。

近场收发器304被配置成耦合到主体结构(未示出)(例如，马、人、机器人、机器等)。控制器308耦合到收发器304和一个或多个传感器306。

近场收发器304的馈电点140被配置成耦合到导电表面130(例如，马蹄铁)，所述导电表面130自身电容性地耦合到主体结构，以形成近场电天线302的一部分。

导电表面130被配置成与接地310(例如，大地接地、装配线、土壤、道路、小路或地板等)重复但不连续(例如，行走、奔跑、奔腾、旋转、抓握、触摸、停止然后站立等)接触(例如，短接到、压靠、电流连接等)。传感器306中的一个或多个传感器可以被配置成检测导电表面130与接地310接触或未接触。

在导电表面130是马蹄铁的示例实施例中，所述马蹄铁是用于电天线的电容板的导电表面130。在此类应用中，马蹄铁非常稳健并且不会受到马的蹄/马蹄铁与接地310之间的力的实质损坏。

在其它示例实施例中，导电表面130可以是金属安全鞋的一部分、机器人接触脚、装配线抓取装置和/或车辆的轨道结构的一部分。因此，在这些各种应用中，主体结构也可以是人、机器人、牲畜、装配线机器或车辆轨道。

无线装置300被配置成在导电表面130未与接地310接触时与其它无线装置(未示出)通信。这有助于从无线装置300到其它无线装置的更好的近场信号传输。这种操作也将有助于包括远场收发器的无线装置(未示出)，即使这种装置也将反复接触接地310。

无线装置300被配置成在无线装置300的导电表面130与接地310接触时进入低功率状态(例如，睡眠模式、待机等)。(例如，省电)

在具有多个无线装置300的示例实施例中，靠近接地310的那些无线装置300可以仅具有与耦合到主体结构的其它近场收发器通信的近场收发器。但是，这些无线装置300中的一个无线装置也可以具有将其它无线装置300的近场信号中继到未耦合到主体结构的另一个远场无线装置的远场收发器(对于此布置的例子，参见图5)。

在这种多无线装置300布置中，具有远场收发器的无线装置300与具有近场收发器和一个或多个传感器306的无线装置300相比可以在空间上定位成更远离接地310。

一些示例实施例另外包括被配置成耦合在导电表面130(例如，马蹄铁)与主体结构之间的中间结构(例如，衬垫)。在这些例子中，近场收发器304和控制器308可以物理地耦合到中间结构。中间结构可以是一次性衬垫和/或介电结构。

图4是无线装置300的第一示例400应用。此第一例子400示出了主体结构(例如，马)，所述主体结构具有腿402和蹄404，中间结构406(例如介电结构、衬垫等)、导电表面408(例如，马蹄铁)、导电通孔410(例如钉子、螺钉或其它附接装置)、电流耦合412(例如，导线)和装置模块414。

装置模块414包括近场收发器416、一个或多个传感器418和控制器420。装置模块414可以耦合到或嵌入在中间结构406中。在中间结构406是衬垫的示例实施例中，衬垫中的电流耦合412可以包括“导电区域/斑点”，所述导电区域/斑点在将马蹄铁钉在蹄404上时使导电通路410(例如，钉子)能够将导电表面408耦合到收发器416。

如将讨论的，导电表面408被配置成与接地422重复接触。这种重复接触由接触接地的马的蹄的物理运动路径424抽象地表示。

在此主体结构是马的例子400中，导电表面408是马蹄铁，马蹄铁408通过长钉410耦合到蹄404。因此，近场电天线302由马蹄铁408组成，所述马蹄铁408是导电材料，所述导电材料靠近马的皮肤和血管定位但由介电衬垫406与蹄404分开从而形成与马的电容耦合。在具有另外的磁线圈(h场)天线105的示例实施例中，磁性天线部分可以是体积非常小的具有绕组的铁氧体棒或者可以是平面线圈。

装置模块414被配置成当导电表面408(例如，马蹄铁)未接触接地422(例如，大地)时与其它无线装置通信，并且当导电表面408(例如，马蹄铁)接触接地422(例如，大地)时不与其它无线装置通信。

如果传感器418之一是例如加速度计，则装置模块414可以对这些传输计时。装置模块414将使用加速度计来监测蹄404的运动，以确定马蹄铁408何时接近接地并且何时应当由于近场和/或远场传播将严重减弱(由于马蹄铁将使导电表面408(例如，马蹄铁)基本上短接到接地310)而省电，并且仅在蹄404离开或相对远离接地422时传输近场或远场信号。

在马术应用中，无线装置300可以嵌入在一次性衬垫中，所述一次性衬垫将每六到八周更换一次，作为正常的重新挂掌(re-shoeing)过程的一部分。

图5是一组无线装置300的第二示例500应用。所述一组无线装置300的第二示例500应用示出了具有头504、腿506和蹄508的主体结构502(例如马)。附接到马502的是一组无线装置300，所述一组无线装置300包括第一无线装置510、第二无线装置512、第三无线装置514、第四无线装置516和第五无线装置518。虽然无线装置510、512、514、516中的一些无线装置可以仅具有近场收发器，但是至少第五无线装置518包括近场收发器和远场收发器两者。

无线装置510、512、514、516通过一组近场通信链路522与第五无线装置518通信。第五无线装置518通过远场通信链路524与未物理耦合到马502的第六无线装置520通信。

与图4的讨论相似，耦合到蹄508的导电表面与接地526重复接触。这种重复接触由物理运动路径528抽象地表示。位置530示出了一个蹄508与接地526接触，而其它蹄508尚未与所述接地526接触。

因此，在此示例实施例中，具有传感器的无线装置与马502的正常硬件(例如，马蹄铁)最佳地集成在一起，并且所述装置也定位于蹄508中的每个蹄处以更好地收集数据，并且第五无线装置518中的远场收发器以高得多的位置最佳地定位在马502的头504处，以获得最大的远场通信范围和信号强度。

图6是马的示例600门控循环。门控循环600示出了马随时间推移的单蹄运动和功能的主要阶段。门控循环600包括以下阶段/状态：站位602、推进604、摆动606、着地608和负载610。

图7是水平(x)方向706和竖直(y)方向708两者上随时间702推移的示例组700加速度704传感器数据。无线电传输在推进阶段结束与着地之间的“摆动”阶段期间是可能的。人类的运动非常相似。

然而此示例实施例示出了使用如下传感器来检测与接地310、422、526的接触或其它动作的加速度数据和/或生理参数：红外传感器、温度传感器、接近传感器、压力传感器或压力板。

如刚刚描述的传感器数据针对人、机器、动物、环境等可以具有许多应用。具体地针对马而言，此类传感器数据可以支持动物的畜牧业、健康、行为和/或表现。马的前蹄处的两个无线装置可以基于奔腾运动、左右平衡、刮擦地面等提供针对马的医疗健康的代理。赛马的每个蹄处的四个无线装置可以提供关于赛马的门控、速度、跨越终点线等信息。

除非明确规定特定顺序，否则以上附图中讨论的各个指令和/或操作步骤可以按任何顺序执行。而且，本领域的技术人员应认识到，虽然已经讨论了指令/步骤的一些示例集合，但是本说明书中的材料也可以通过各种方式组合以产生其它例子，并且应当在本详细说明所提供的上下文内进行理解。

在一些示例实施例中，这些指令/步骤被实施为功能和软件指令。在其它实施例中，指令可以使用逻辑门、专用芯片、固件以及其它硬件形式来实施。

当指令被具体化为非暂时性计算机可读或计算机可用介质中的可执行指令集时，所述可执行指令在用所述可执行指令编程并由所述可执行指令控制的计算机或机器实现。加载所述指令以在处理器(如一个或多个cpu)上执行。所述处理器包括微处理器、微控制器、处理器模块或子系统(包括一个或多个微处理器或微控制器)或其它控制或者计算装置。处理器可以指代单个组件或多个组件。所述一个或多个计算机可读或计算机可用存储介质被视为物品(或制品)的一部分。物品或制品可以指代任何制造的单个组件或多个组件。如本文所限定的一个或多个非暂时性机器或计算机可用介质不包括信号，但是一个或多个这种介质可以能够接收并处理来自信号和/或其它暂时性介质的信息。

将容易理解的是，如本文总体描述的且在附图中展示的实施例的组件可以以各种各样的不同配置进行布置和设计。因此，如附图所示，各个实施例的详细描述并不旨在限制本公开的范围，而是仅表示各个实施例。虽然附图中呈现了实施例的各个方面，但除非特别指示，否则附图不一定按比例绘制。

在不脱离本发明的精神或必要特征的情况下，可以以其它具体形式具体化本发明。所描述的实施例应在所有方面均仅被视为是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而非本详细描述指示。落入权利要求的同等含义和范围内的所有改变均应包含在权利要求的范围内。

在整个本说明书中对特征、优点或类似语言的提及并不暗示可以用本发明实现的所有特征和优点应当处于或处于本发明的任何单个实施例中。相反，提及特征和优点的语言应被理解为意味着结合实施例描述的具体特征、优点或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个本说明书中对特征和优点以及类似语言的讨论可以但不一定指代同一实施例。

此外，本发明的所描述特征、优点和特性可以以任何适合的方式组合在一个或多个实施例中。相关领域的技术人员应认识到，鉴于本文中的描述，可以在没有特定实施例的具体特征或优点中的一个或多个的情况下实践本发明。在其它情况下，在某些实施例中可以认识到可能并不存在于在本发明的所有实施例中的另外特征和优点。

在整个本说明书中对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的提及意味着结合所指示实施例描述的具体特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书中，短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言可以但不一定都指代同一个实施例。