人体通信（HBC）越来越受到学术界和工业界的关注，目前大多数工作都集中在表征利用人体组织作为物理介质来实现可靠通信。 然而，为可靠的数据传输(如高吞吐量和低延迟)设计耦合硬件和通信电路是一项艰巨的任务，特别是对于实现紧凑的全电子实现。为此，很少有商用器件，主要是差分探头和平衡变压器，与示波器和矢量网络分析仪等电气分析仪器一起采用。虽然这些器件应用广泛，但价格昂贵，而且难以小型化并集成到实际世界的HBC专用应用中(如数据安全)。本文介绍了一种低成本的电子系统，该系统使用二级通道：离子环境（主通道将是无线环境）传输收集的数据。研究人员设计了一个电子系统作为研究HBC的实验装置，允许仪器、传感器和执行器之间通过人体组织进行通信。所提出的系统的实验评估如下：（一）由生理盐水（0.9％）；（二）一个真正的人的前臂通过粘合剂表面电极组成的幻影。

 相关论文以题为“     A Low-Cost Electronic System for Human-Body Communication    ”于2020年11月17日发表在《     Electronics    》上。

 人体通信（HBC）利用人体组织作为健康信息学的传输媒介。它是开发新应用的一个有前途的构件，包括医疗保健监测系统。 考虑到老龄化人口的增长和慢性病（如心脏病、糖尿病和中风）的流行，连续的健康监测是一个公共卫生问题和挑战。生理数据的连续监测有利于疾病的早期发现和预防。例如，帕金森病患者的大脑和肌肉活动需要持续监测，糖尿病患者的血糖也需要监测。体域网络(BAN)通过传感器和执行器收集生理数据并提供治疗功能(如注射胰岛素和控制心脏起搏器)，实现连续的生理数据监测。

 人们可以通过多种通信技术实现HBC，包括无线电波或声波、电磁场、电容耦合和电化学耦合。 在电容耦合中，信号通过发射器和接收器的信号电极耦合到人体中，通过地电极通过人体外的路径建立回传路径。在电学耦合中，发射器和接收器的电极（信号和电流回传）都与人体直接接触，进行差分电流的耦合。这两种最新技术是IEEE 802.15.6标准的一部分。它们利用活体组织的导电性作为离子电流传播的媒介，然后通过调制信号实现设备互连。因此，由于信号被限制在人体内部，外界环境对其几乎没有影响。与其他技术相比，它的工作频率也很低，能够实现稳定可靠的信号传输。因此，电化学耦合HBC适用于生理信号的传输，尤其适用于植入式设备通信。

 该研究领域现有的工作大多集中在数字通信中表征人体组织效应这一重要任务上。 传统的电耦合HBC系统采用差分探头和平衡变压器与测量仪器耦合，通常是矢量网络分析仪（VNA）。然而，这些设备并不适合用于数据分析。当应用处理特定数据时，如医疗或加密数据，VNA被数据生成和采集系统取代。由于变压器的物理特性，减小这套系统的规模是一个挑战。现有的平台大多是商业化的，其架构和数字设计都不是开源的。对于HBC特定的应用来说，这些设备也很昂贵且不灵活，阻碍了高层次解决方案的开发，例如数据安全。  这些限制因素延迟了有前途的解决方案的发展，以提高身体传感器网络的性能和效率。

 在本文中，研究人员提出了一种低成本的电子系统，用于使用现成的组件进行人体通信的电耦合。 研究人员的系统执行与离子介质的信号耦合，通过HBC结构提供数字通信。此外，作为电子装置，小型化不仅可行，而且简单明了。研究人员的系统由两个模块组成：差动电流驱动器和传感放大器。前者产生信号进行耦合。后者负责捕获和放大信号，以便由处理元件进行数字化处理。研究人员通过使用(i)由生理盐水(0.9%)组成的模型和(ii)通过粘性表面电极(通常用于心电图(ECG)记录)的人体前臂对新系统进行了评估。在这两种评估方案中，研究人员的系统在线解码达到了11.11 kbps。综上所述，研究人员在本文中的主要贡献有两个方面。  首先，研究人员提出了一个实用的、实验性的低成本、小型化的HBC用现成的电子元件的电波通信平台。其次，研究人员提供了完整的原理图、电路板布局和一个公开的Arduino数据发生器。

 系统说明

本节介绍了所提出的低成本的人与身体通信电子系统。研究人员的系统基于电偶，电偶曾经是一种向人体注入电通信信号的方法。人体作为通信介质，注入的信号主要通过皮肤进行传输。信号完全注入人体内部，性能不受周围环境的干扰影响。

所提出的系统主要由两部分组成：(i)差动电流驱动器和(ii)传感放大器。图1为差动电流驱动部分的框图，而图2为传感放大器部分的框图。接下来将对图进行详细说明。第一张图说明了两个电极(A和B)、逆变器、转换器和电流流。第二张图还显示了电极和放大信号的所有步骤，作为仪表放大器、直流抑制、主放大器和低通滤波器。下面几小节详细介绍了前期工作和两个主要部件。

 图1.差动电流驱动块。在输入端写入的数据位（IN和ON-OFF）转换为电极A和B的电流脉冲。

 图2.传感放大器框图。电极将差分电压连同噪声和干扰一起收集，第三个电极与有源共模抑制电路相连。

 实验设置

图3示出了一个环境的模型，用于进行实验，以评估所提出的系统。研究人员评估研究人员的系统使用（一）在图3中表示的幻影，这是一个盐水溶液组成。接受者（塑料或玻璃）含有0.9％的生理盐水溶液。研究人员在海绵中放置了三种类型的针（在图中，针由大的暗点和红点表示），其中两个针作为驱动电极（左暗点），两个针作为传感电极（右暗点），一个作为主动共模抑制电极（红点）。研究人员直接将电极中的夹子插入清洁海绵，以提高实验装置的机械稳定性，按照图3中定义的模型。海绵，尺寸和容器的制造材料不影响实验，因为他们不修改离子介质的特性。

驱动电极的对准，以及一对传感电极和共模抑制电极。扮演驱动电极角色的引脚之间的距离为 ，而扮演传感电极角色的引脚之间的距离为 。 这对驱动电极和这对传感电极之间的距离为 。研究人员将共模抑制电极与传感电极对齐，它与每个传感电极的距离相等。研究人员在实验中采用这些距离作为因素，即研究人员改变它们来分析不同距离的结果。

 图3.幻象图显示电极位置和距离。

研究人员还使用了一个带有幻象组织的配置来完成另一个实验，其目的是确定误码率（BER）。BER会受到很多因素的影响，包括信噪比、失真和抖动。为了测量误码率，研究人员进行了10次重复，增加了传输的数据有效载荷，并改变了 。数据有效载荷由1000个过滤后的心电图样本组成，其中每个样本为8位。研究人员使用连接到放大器传感器模块输出的低成本数据采集板（DAQ-ADALM1000）捕获数据流。

图4显示了用于评估的真实环境的图片。人们可以看到接受者和海绵涉及的盐水溶液和定位电极。为了确定误码率（BER），研究人员使用了一个20厘米×30厘米尺寸的接受者。图4显示了真正的耦合板（差分驱动器和传感放大器板），以及数据发生器（工作量发生器）板。

 图4.完整的实验设置：电路板、工作负载发生器和幻象。

 结论

 在这篇文章中，研究人员提出了一个低成本的电子系统，通过二级通道：离子环境来传输收集的数据。 研究人员将研究人员的电子系统设计为研究HBC的实验装置，从而允许仪器、传感器和执行器之间通过人体组织进行通信。这项工作的主要贡献是用现成的电子元件为HBC提供了低成本和小型化的电化学通信平台，其原理图、印刷电路板(PCB)布局和相关软件都是面向社会公开的。研究人员采用由生理盐水（0.9%）组成的幻影和真实的人体前臂通过粘性表面电极进行了实验评估。

在这两次实验中，新系统都显示出了自己的功能和稳定性，达到了高达11 kbps的数据吞吐量，这使得研究人员的原型机可以与IEEE 802.15.6标准的WBAN工作。此外，这个数据速率还支持不同的应用，如使用加密密钥、用户认证、生命体征监测和传输。  作为未来的工作，研究人员计划扩展传感放大器硬件，以实现差分驱动器的最高数据吞吐量。研究人员还打算扩展传感放大器硬件，将其附加到更高采样率的模数转换器上。