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/00 前言/
上一期介绍了可穿戴传感器件及其工作原理，这一期讲讲系统和通信层面的东西，这一块小编也是刚开始学习，所以与其说是一篇讲解不如说这是一篇笔记，有理解错误的地方还请多多指正。
可穿戴技术是可以穿戴在身体上或植入皮肤下的智能电子设备或配件。随着科技的飞速发展，可穿戴设备已成为人们日常生活中不可或缺的一部分。它们的设计通常结合了实用的功能和特性。可穿戴设备作为一个整体解决方案，涉及到的技术较多，可穿戴式的健康监测涉及到的核心理念和技术包括：
将人体作为仪器，构建以人为中心的无线传感器网络（WSNs）--无线体传感器网络（WBSNs）
通过非侵入性生物医学、生化和物理（PHY）测量实现持续健康监测的解决方案--可穿戴技术&传感器技术
用于可穿戴的低功耗、小功率、乃至自供电设计
...
从应用的身体部位分类，可穿戴产品可以分为脑活动监测、智能眼神接触用于测量血糖、心脏生命体征监测、血糖监测贴片、孕期监测、人工肾脏、足部传感器、脑活动监测器、健康贴片、腕部健康监测、医疗保健夹克、步行辅助和步态分析等。
从通信角度上说，通常，身体上的部件与外部计算机或个人数字助理（PDA）之间的通信是通过无线链路进行的，但可穿戴部分的节点之间的通信可能以不同的方式建立。系统的可穿戴部分根据通信媒介进行分类可以分为：有线、无线和人体通信（HBC）。
1 可穿戴通信架构/
可穿戴系统和BAN（体域网）应用的通信架构可以分为三个主要类别：BAN内部、BAN之间和BAN之外。
BAN内部包括体内的或体表的传感器节点，以及它们之间的网络，这些网络可以是有线的、无线的（覆盖范围小于2米）或人体通信（HBC）。
BAN之间指的是通过一个链路（通常是无线接口）与计算机、PDA或接入点（AP）之间的BAN内部通信。BAN之间的通信旨在将BANs与各种网络互连，如包括蜂窝网络和互联网。
BAN之外的通信用于城市区域。需要一个网关，如PDA，来桥接BAN之间和这个网络之间的连接。BAN之外的通信允许访问患者的所有必要信息以帮助诊断，或者在紧急情况下发出通知。
WBANs是一种短距离无线通信技术，它允许在人体周围或身体内部的设备之间进行数据交换。WBAN是无线个人区域网络（Wireless Personal Area Network，WPAN）的一种特殊形式，专为医疗、健康监测、运动跟踪和其他个人用途设计。
WBANs的医疗应用可以进一步细分为：(i) 可穿戴WBAN（无论是用于辅助残疾人还是管理人体性能），(ii) 植入式WBAN，以及 (iii) 医疗设备的远程控制子类别。WBANs的非医疗应用包括：(i) 实时流媒体，(ii) 娱乐应用，(iii) 紧急情况（非医疗），(iv) 情绪检测，以及 (v) 安全认证子类别。
物理层由通信网络的网络硬件和传输技术组成。这一层为传输介质提供电气、机械和程序接口。物理层的选择取决于应用。IEEE
802.15.6规定了三种不同的物理层：人体通信（HBC）、窄带（NB）和超宽带（UWB）。窄带物理层（PHY）负责数据的传输/接收、无线电收发器的激活或停用以及当前信道的空闲信道评估（CCA）。
HBC物理层定义了静电场通信要求，涵盖调制、前导/开始帧定界符和数据包结构。
超宽带物理层用于体表设备之间的通信以及体表和体外设备之间的通信。超宽带物理层中的收发器产生与医疗植入通信服务（MICS）频段中使用的信号功率水平相似的信号，并且还允许实现复杂度低。根据超宽带物理层的规范，物理协议数据单元（PPDU）位被转换为无线传输的射频信号。
用于医疗无线设备的标准化和非标准化无线电频段
上图展示了用于医疗无线设备的标准化和非标准化无线电频段。医疗设备无线电通信服务（MedRadio）是由联邦通信委员会（FCC）为医疗植入物和体戴式医疗设备的诊断和治疗目的的通信频谱需求引入的一个规范。FCC的一个早期规范，称为MICS，于1999年建立，MedRadio位于401-406、413-419、426-432、438-444和451-457 MHz的无线电频谱范围内。2012年，2360-2400 MHz的频段也被分配给医疗体域网（MBAN）。由于不在ISM频带内，干扰可以显著减少。在欧洲，ETSI将401-402和405-406 MHz的频段视为一个称为MEDS（医疗数据服务设备）的标准。这组频率也在世界其他地区被考虑使用。
无线医疗遥测服务（WMTS）是美国联邦通信委员会（FCC）为无线医疗应用制定的另一项标准。WMTS创建于2000年，目的是避免因数字电视的建立而产生的无线电干扰。WMTS定义了三个无线电频段：608-614 MHz（UHF电视频道37）、1395-1400 MHz和1427-1432 MHz（所有这些频段都由联邦政府使用）。由于这些频段缺乏国际协议，使用WMTS频段的设备不能在除美国以外的其他国家销售或使用。
与传感和处理模块相比，无线收发器消耗的能量要高得多。因此，为长时间运行在小电池上的可穿戴系统选择合适的通信设备和协议非常重要，下图显示了适用于可穿戴系统的可用低功耗无线技术列表。
以HAR为例，一个WSBN（无线网状体传感器网络）环境的三层架构如下图所示。它将网络分为三个逻辑层次，以支持复杂的通信和数据处理需求。以下是这三层的一般描述：
第一层：Intra-WBSN通信（内部WBSN通信）
这一层涉及到网络内部的传感器节点之间的通信。在MBAN（医疗体域网）的背景下，这些传感器节点负责收集个体的生命体征数据，并将这些数据传输到身体网络控制器或协调节点。这些节点通常位于或靠近人体，并且使用低功耗的通信技术，如蓝牙、ANT或IEEE
802.15.6标准。
第二层：Inter-WBSN通信（WBSN间通信）
第二层负责连接不同的WBSN，可能包括来自不同个体的多个MBAN。这一层处理来自第一层的数据，并可能将其转发到更广泛的网络，如医疗设施的局域网（LAN）或云服务器。这一层可能包括网关或中介节点，它们作为不同WBSN之间的桥梁，提供数据聚合、初步分析和路由功能。
第三层：Beyond-WBSN通信（WBSN之外的通信）
最后一层扩展了网络的覆盖范围，可能包括与城市范围的网络（如Wi-Fi或蜂窝网络）的连接。这一层使得医疗数据可以传输到更远的服务器或医疗专业人员，允许远程监控和分析。这一层还可能涉及数据的安全存储、长期分析和与电子健康记录（EHR）系统的集成。
02 可穿戴系统组成/
整个可穿戴系统通常一个与计算机通过无线链路连接的体上中央处理模块（CPM）和一个可穿戴的传感器网络。从系统的硬件上说主要包括：SN（传感器节点）、BS（基站）、CPM（中央处理模块）以及通过导电纱线以网状网络方式建立的SNs之间的连接组成。
可穿戴系统架构
每个部分的功能如下：
可穿戴基础架构：这部分包括一组配备肌电图（EMG）电极的SNs，用于捕获皮肤组织的电信号，还有加速度计和陀螺仪用于测量运动参数。为确保高数据速率和可靠的通信，选择了网状拓扑结构。为此，包含所有必需通信部件的SNs通过导电纱线相互连接。一个BS节点负责收集所有由SNs捕获的数据。实际上，每个SN充当路由器设备，将数据包从源SN转发到BS。SN的路由操作基于SRMCF路由协议（见3.5节）。
CPM：这部分是基于低功耗微处理器的系统。CPM作为一个体上设备，通过与BS模块的通信链路收集来自可穿戴网络的信息。CPM使用嵌入技术织物中的线网网络，访问分散在紧身袜中的不同SNs。为了将数据传输到计算机或本地保存，CPM配备了无线蓝牙模块、USB端口和micro SD卡。
计算机或PDA：CPM收集的信息需要在计算机中进行后处理、分析和存储。一个软件程序可以同时绘制由CPM传输的实时数据，并显示节点状态和连接。
各个部件的电路架构如下图所示。
图片来源：Wearable Technologies and Wireless Body SensorNetworks for Healthcare
03 可穿戴传感器/
人体活动识别（HAR）系统用于自动识别身体活动，在康复中心监测日常生活活动（ADL）。使用可穿戴的活动识别系统可以实现一种低成本、非侵入式的连续全天和任何地点的活动监测系统。
应用需求决定了HAR系统所需的传感器类型。
惯性传感器包括三维陀螺仪和三轴加速度计、磁力计、力敏电阻、指南针、应变、气压传感器，它们提供了有关身体运动以及划动次数（手和脚）的信息。
生物信号传感器：生物信号传感器主要包括捕捉皮肤温度、血压和心律、呼吸频率和出汗指数，以协助当HAR主要用于医疗保健应用时。通过放置在身体上的麦克风、摄像头、接近传感器、GPS、无线电信号测量，可以记录更多信息以改进识别系统。比如放置在喉咙上的电容传感器可以测量围绕颈部佩戴的电极的距离，以指示不同的活动，即翻滚、咀嚼、说话和唱歌。力传感器可以放置在紧绷的部位，以显示肌肉的张力，这表明了行走活动。
下表列出了不同应用所使用的不同传感器组合。
HAR系统中常见的传感器
04 可穿戴健康感知系统/
可穿戴健康感知系统（Wearable Health Sensing System，WHSS）旨在将各种传感器集成在一个或者一套可穿戴解决方案上，以便于实时检测人体生命和健康状况，同时利用便携手持终端的数据处理能力以及与应用程序(APP)的交互功能，实现健康评估、饮食护理信息推送和紧急医疗处理。
Jian-jun Yu 和 Xing-bin Chen等人提出一种WHSS的可穿戴项链，该项链作为一种集成了多种健康传感器的方案，包括运动频率、心率、汗水、皮肤组织液、心电图(ECG)、血氧饱和度、皮肤湿度、体脂等，目的是在日常生活和复杂工作环境中，通过较低的生理和心理负荷，建立动态协作监测生理数据。
该项链包括三个模块：传感器集成模块、电源和电源模块以及信号集成和网络传输模块。根据各种应用需求为WHSS项链选择合适的相应传感器。此外该系统还进行了抗干扰处理，降低环境干扰对健康特征点判断的准确性和可靠性的影响。其中传感器集成模块包括：
1. 运动传感器：例如加速度计、陀螺仪、磁力计、压力传感器（通过测量大气压计算海拔高度）等。这些传感器能够监测和记录身体的运动状态，包括移动的方向、速度、加速度以及空间方向，还可以通过气压变化来估算高度变化，可用于运动健康监测和活动跟踪。
2. 生物传感器：血糖传感器、血压传感器、心电图(ECG)传感器、肌电图(EMG)传感器、体温传感器、脑波传感器等。借助生物传感器，医生长期跟踪和监测数千万用户的身体状况，然后分析提取医疗诊断模型，预测和塑造用户的健康发展趋势，最终为用户提供个性化的个人医疗和健康管理解决方案。
3. 环境传感器：温湿度传感器、气体传感器、pH传感器、紫外线(UV)传感器、环境光传感器、颗粒物传感器、气压传感器、麦克风和薄膜磁导航传感器等。人们经常身处对健康构成威胁的环境中，例如空气污染、水污染、噪音/光污染、电磁辐射、极端气候、复杂的道路交通系统等。最可怕的是，很多时候我们身处这样的环境却浑然不觉，例如PM2.5污染会导致各种慢性疾病。通过这些环境传感器，可以实时监测周围环境的质量，预警潜在的健康风险，帮助人们采取相应的防护措施。
如图所示，该项链式WHSS仅集成了多传感器，包括(1) 电源和电源模块。(2) 信号集成和网络传输模块，(3) 环境光传感器。(4) 紫外线(UV)传感器。(5) 温湿度传感器。(6)颗粒物传感器。(7) 气压传感器。(8) pH传感器。(9) 薄膜磁导航传感器。(10) 气体传感器。(11) 陀螺仪。(12)加速度计。(13) 压力传感器。(14) 磁力计。(15) 心电图(ECG)传感器。(16) 肌电图(EMG)传感器。(17)体温传感器。(18) 血压传感器。(19) 血糖传感器。
每个传感器的布局应根据其功能和类别充分考虑与人体接触的项链位置和检测目标。例如，生物传感器，如血糖传感器、血压传感器、心电图(ECG)传感器、肌电图(EMG)传感器、体温传感器等，需要靠近人体胸部检测脉搏和肌电信号，通过接触汗水检测血糖信号和体温。
电源和电源模块的布局应充分考虑微振动发电机、机械手表、怀中热电电池和无线充电的原理，一方面要充分利用身体运动产生的振动，另一方面要充分利用大气与人体之间的温差。
信号集成和网络传输模块不仅需要考虑与各种传感器连接的便利性和布局的小型化，还需要考虑终端信号收发器的稳定性，最重要的是要考虑最小化发送和接收辐射对人体的影响。
环境传感器应该直接暴露在与人体和环境直接接触的空间中，以检测自然环境的各种信号。
在设计WHSS时，每个传感器的布局都需要精心考虑，以确保它们能够有效地执行其功能，同时最大限度地减少对佩戴者的干扰和不便。
【未完待续】
参考资料：
1. Wearable Technologies and Wireless Body Sensor Networks for Healthcare
2.https://blog.csdn.net/turing321_huaide/article/details/124645964
3.Wearable Sensors and Robots
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