专利名称：生物体内植入式监测系统及其监测数据无线通信方法随着现代畜牧养殖业的发展，对动物的生长、疾病等方面数据监测与分析的需求也日益增长。生物体内植入式监测装置通过将传感器植入生物体内，能够直接接触生物体内器官与组织，精确地测量出生物体内的各种生理、生化参数0Π血压、体温、PH值等)，对在畜牧养殖中的监测动物生长状况、疾病预防、科学喂养等方面都具有重要意义。公开号为CN 201088578，公开日为2009年1月14日的发明专利“基于频谱感知技术无线体域网医学场景中信息传输方法”，用频谱感知技术找出最优传输性能的频谱空洞并检测出该空洞的节点位置。其原理是无线体域网内每个节点对感兴趣的频谱范围进行分段检测，将检测的频谱空洞性能参数在体内各节点间传输并比较找出具有全局最优传输性能的频谱空洞和检测出该空洞的节点位置。由于体内监测装置需要长期向体外遥测装置传输体内信息，要求体内监测装置必须具备体积小、功耗低、电路简单等性能。该发明利用体内监测装置检测空闲频段，即体内监测装置需要完成较为复杂的运算和处理功能，造成体内监测装置电路复杂、功耗增大，与体内监测装置的设计原则相悖，因此该技术并不能很好地解决体内监测装置在性能与硬件复杂度、能耗之间的矛盾。
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供生物体内植入式监测系统及其监测数据无线通信方法。该系统利用体外遥测装置来统一完成体内监测装置与体外遥测装置之间无线通信频谱资源的感知、分配和控制，简化了体内监测装置需完成的功能，同时体外遥测装置采用自适应天线阵列技术接收体内信号，抑制干扰，使体内监测装置可以采用更为简单的调制方法和更低的发射功率，从而降低了体内监测装置的硬件复杂度和能耗，符合体内监测装置小型化、节能、低成本等要求。为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案生物体内植入式监测系统，包括若干个体内监测装置、一个体外遥测装置和监控中心， 各体内监测装置与体外遥测装置之间无线通信，体外遥测装置通过无线通信模块与监控中心无线通信连接；所述体外遥测装置检测空闲频段，发送控制信号到各体内监测装置； 所述体内监测装置接收体外遥测装置的控制信号，将载波频率调至控制信号指定的发射频率；体内监测装置中还采集动物体内生理、生化参数，调制成载波信号发射到体外遥测装置；所述监控中心包括与体外遥测装置进行通信的无线通信模块，监控中心接收体外遥测装置发送的监测数据，判断动物的身体状况，统计动物的生长规律。上述的生物体内植入式监测系统，所述体外遥测装置包括自适应天线阵列收发模块、信息解调模块、频谱感知模块、控制信号调制器、微处理器、无线通信模块、显示屏；其中，自适应天线阵列收发模块、微处理器均分别与信息解调模块、频谱感知模块、控制信号调制器相连接，微处理器还分别与显示屏、无线通信模块相连接。自适应天线阵列收发模块根据外部信号环境自动调节天线阵各阵元的加权系数，使方向图主波束对准体内监测装置的信号方向，零点对准干扰方向，动态地从空间发射控制信号和接收体内信号，抑制干扰。 频谱感知模块检测空闲频段，发送判决结果到微处理中。微处理器对信息解调模块送来的体内生理、生化参数进行处理，并将信号处理结果显示在显示屏上；根据频谱感知模块的判决结果，将包含空闲频段信息的控制信号送入控制信号调制器。控制信号调制器将控制信号调制为载波信号，经自适应天线阵列收发模块发射到体内监测装置。上述的生物体内植入式监测系统，所述自适应天线阵列收发模块包括顺次连接的天线阵、射频单元、A/D转换器、数字波束形成单元和自适应处理器，天线阵所接收信号经过射频处理后再经过A/D转换器转化为数字信号，数字波束形成单元通过将各个波束加权求和之后，在输出时形成一个具有干扰零陷的波束，等效为接收天线的波束形状产生自适应变化，所述自适应处理器用来调整波束形成单元中的可变加权系数。上述的生物体内植入式监测系统，所述信息解调模块包括顺次连接的二进制振幅键控信号解调器和增量解调器，信息解调模块与自适应阵列天线阵列收发模块、微处理器相连接；自适应天线阵列收发模块输出的信号送入信息解调模块，经过二进制振幅键控信号解调器得到数字信号，增量解调器解调数字信号，得到动物体内生理、生化参数的电信号，将解调后的体内信号送入微处理器。上述的生物体内植入式监测系统，所述频谱感知模块包括顺次连接的能量检测模块、第一判决模块1、循环平稳特征检测模块和第二判决模块，频谱感知模块与自适应天线阵列收发模块、微处理器相连接；能量检测模块检测某一频段范围的接收信号，通过能量检测的信号送入循环平稳特征检测模块；循环平稳特征检测模块对能量检测通过的信号能量再次进行检测，如果仍检测到该频段为空闲频段则该频段为可利用频段，将判决结果送入微处理器中。上述的生物体内植入式监测系统，所述体内监测装置包括传感器、体内信息调制模块、控制信号解调器和射频收发模块，其中，传感器、体内信息调制模块、射频收发模块顺次连接，控制信号解调器分别与体内信息调制模块、射频收发模块相连接；所述射频收发模块接收体外遥测装置的控制信号，经控制信号解调器解调后送入体内信息调制模块，从而将载波频率调至控制信号指定的发射频率；传感器采集动物体内的生理、生化参数，送入体内信息调制模块调制为载波信号，经射频收发模块发射到体外遥测装置。上述的生物体内植入式监测系统，所述体内信息调制模块包括顺次连接的放大器、增量调制器和二进制振幅键控信号调制器，体内信息调制模块与所述传感器、射频收发模块相连接；所述传感器将采集到的动物体内生理、生化参数转化为电信号，经放大器放大后送入增量调制器；增量调制器将放大后的电信号转化为数字信号，二进制振幅键控信号调制器将数字信号调制为载波信号，正弦载波的幅度随数字信号而变化，正弦载波的频率即为控制信号所指定的发射频率。上述的生物体内植入式监测系统的监测数据无线通信方法，包括以下步骤 步骤1 当体外遥测装置需要与体内监测装置通信时，体外遥测装置中的频谱感知模块在需要感知的频谱范围内检测该频段的信号能量；通过频谱检测的频段则为空闲频段， 即利用该频段传输信息；
步骤2 将频谱感知模块的判决结果送入体外遥测装置中的微处理器；微处理器根据频谱感知模块的判决结果确定发射频段的范围，并将包含该发射频段信息的控制信号经自适应天线阵列收发模块发射到体内监测装置；
步骤3 体内监测装置的射频收发模块接收体外遥测装置的控制信号，经控制信号解调器解调后送入体内信息调制模块，从而将载波频率调至控制信号指定的发射频率；体内监测装置利用增量调制方法对体内传感器检测到的信号进行数字调制，然后利用二进制振幅键控将体内信号调制成频率为发射频率的载波，通过射频收发模块将体内信息传输到体外遥测装置；
步骤4 体外遥测装置的自适应天线阵列收发模块根据外部信号环境自动调节天线阵各阵元的加权系数，使方向图主波束对准体内监测装置的信号方向，零点对准干扰方向，接收体内信号，抑制干扰；信息解调模块对自适应天线阵列收发模块接收到的体内信息进行解调，将解调后的信号送入微处理器中进行信号处理，并将信号处理结果显示在显示屏上， 监测动物体内生理、生化参数的变化，并发送监测数据到监控中心；监控中心接收体外遥测装置发送的监测数据，判断动物的身体状况，统计动物的生长规律。上述的方法，在步骤1中，频谱感知模块采用两阶段检测方法，主包括以下步骤 步骤1. 1 体外遥测装置在需要感知的频谱范围内，首先利用能量检测方法检测该频
段内的信号能量，如果能量检测得到的信号能量低于预先设定的能量阈值，则能量检测通过，然后采用循环平稳特征检测方法进行检测；如果能量检测得到的信号能量高于预先设定的能量阈值，则该频段有其他用户或干扰用户，需要在其他频段上重新开始能量检测，直至某一频段的能量检测通过。步骤1. 2 体外遥测装置将能量检测通过的信号能量采用循环平稳特征检测方法再次进行检测；如果频谱感知模块仍检测到该频段为空闲频段，则利用该频段传输信息，确定该频段为发射频段；如果频谱感知模块检测到该频段为不可利用频段，即该频段已被其他用户占用或存在干扰用户，则继续搜索其他频段，直至检测到空闲频段。上述的方法，在步骤3中，所述体内信息传输方法包括频分复用和时分复用两种， 若信息传输方法为频分复用，则各体内监测装置共享空闲频段，在同一时间内传输体内信息到体外遥测装置；若信息传输方法为时分复用，则各体内监测装置轮流传输体内信息到体外遥测装置，使各路信号在时间上加以分割。本发明是适用于动物的收发不对称的生物体内植入式监测系统及其监测数据无线通信方法，本发明具有以下几项优势1、本发明适用于动物领域，监控中心接收体外遥测装置发送的监测数据，判断动物的身体状况，统计动物的生长规律，有助于科学饲养和疾病预防。2、本发明的体外遥测装置采用频谱感知技术检测空闲频段，发送控制信号到体内监测装置，统一完成体内监测装置与体外遥测装置之间无线通信频谱资源的感知、分配和控制，简化了体内监测装置需要完成的功能。3、本发明的体外遥测装置采用自适应天线阵列技术接收体内信号，抑制干扰，使体内监测装置可以采用较为简单的调制编码技术和更低的发射功率即能完成通信功能。4、本发明的体内监测装置采用简单的调制方式，没有A/D转换器，降低了体内监测装置的硬件复杂度和发射功率，符合体内监测装置小型化、节能、低成本等要求。


图1是实施方式中的生物体内植入式监测系统整体示意图。图2是实施方式中的体外遥测装置结构框图。图3是实施方式中的体内监测装置结构框图。图4是实施方式中的频谱感知模块框图。图5是实施方式中的生物体内植入式监测数据无线通信方法流程示意图。图6是实施方式中的两阶段检测方法流程示意图。图7是实施方式中的能量检测模块框图。图8是实施方式中的频谱平稳特征检测模块框图。图9是实施方式中的自适应天线阵列结构示意图。

步骤1 当体外遥测装置需要与体内监测装置通信时，体外遥测装置中的频谱感知模块在需要感知的频谱范围内检测该频段的信号能量。通过频谱检测的频段则为空闲频段， 即可利用该频段传输信息。频谱感知模块的工作流程图如图6所示，具体如下
步骤1. 1 如图7所示，体外遥测装置在需要感知的频谱范围如10MHZ——20MHZ的频率范围内，利用能量检测方法检测该频段的信号能量。体外遥测装置中的自适应天线阵列收发模块接收到的信号首先经过带通滤波器预滤波，再通过平方律器件和积分器计算得到相应频段内的信号能量T。预先设定的能量阈值是指该频段内有主要用户的信号出现且该信号能量比较弱时，利用能量检测方法计算出的此时该频段内的能量值。预先设定的能量阈值通常会随着信号的不同而实时变化，但本发明的实施例中将设置通过预先实验测定的固定值Tl为预先设定的能量阈值。如果能量检测得到的信号能量T低于预先设定的能量阈值即门限值 Tl，则能量检测通过，采用循环平稳特征检测方法再次进行检测。如果能量检测得到的信号能量T高于预先设定的能量阈值Tl，则说明该频段有其他用户或干扰用户，则需要在其他频段上重新开始能量检测，直至某一频段的能量检测通过。步骤1. 2 如图8所示，将能量检测通过的信号能量采用循环平稳特征检测方法再次进行检测。循环平稳特征检测是利用谱相关函数检测接收信号中存在的循环特征来确定是否有其他用户的存在。通过能量检测的信号经过A/D转换和FFT变换后，根据设定的参数a将信号频谱在a_f构成的两维空间上展开。由于信号传输时采用的载波调制以及接收时的FFT变换使得信号分量表现出较强的循环相关性，根据信号分量和噪声分量的信号特征的不同计算出两个分量的能量值从而得到该频段内的信噪比SNR，将该信噪比与预先设定的信噪比SNRl 相比较。其中，预先设定的信噪比SNRl是该频段内没有其他用户或干扰用户出现时实验测量得到的最大信噪比值。如果该频段内的信噪比SNR小于预先设定的信噪比SNR1，则表明该频段为空闲频段，即可利用该频段传输信息，确定该频段为体内植入式医疗装置传输信息的发射频段。如果该频段内的信噪比SNR大于或等于预先设定的信噪比SNR1，则表明该频段为不可利用频段，即该频段已被其他用户占用或存在干扰用户，则继续搜索其他频段，直至检测到空闲频段。步骤2 将频谱感知模块的判决结果送入体外遥测装置中的微处理器。微处理器根据频谱感知模块的判决结果确定发射频段的范围，并将包含该发射频段信息的控制信号送到控制信号调制器。控制信号调制器可采用ASK、FSK等数字调制方法，将控制信号调频到ISM医学频段上，经自适应天线阵列收发模块发射到体内监测装置。步骤3:体内监测装置的射频收发模块接收体外遥测装置的控制信号，经控制信号解调器解调后送入体内信息调制模块，从而将载波频率调至控制信号指定的发射频率。 体内检测装置中的传感器采集到动物体内的生理、生化参数，如血压、体温、PH值等，将这些生理、生化参数转化为电信号，通过放大器进行放大。放大后的模拟信号经过增量调制器转化为时间上离散的数字脉冲信号。在增量调制中，只用一位编码表示相邻样值的相对大小。 经过增量调制后，体内信息调制模块采用二进制振幅键控将体内信号调制成频率为发射频率的载波。在控制信号指定的空闲频段上，自适应天线阵列收发模块将携带着动物体内生理、生化参数的载波信号发射到体外遥测装置。若信息传输方法为频分复用，则各体内监测装置共享空闲频段，在同一时间内传输体内信息到体外遥测装置；若信息传输方法为时分复用，则各体内监测装置轮流传输体内信息到体外遥测装置，使各路信号在时间上加以分割。步骤4 如图9所示，体外遥测装置中的自适应天线阵列收发模块根据外部信号环境自动调节天线阵各阵元的加权系数，使方向图主波束对准体内监测装置的信号方向，零点对准干扰方向，动态地从空间接收体内信号，抑制干扰。信息解调模块对自适应天线阵列收发模块接收到的体内信息进行解调，将解调后的信号送入微处理器中进行信号处理，并将信号处理结果显示在显示屏上，监测动物体内生理、生化参数的变化，并发送监测数据到监控中心。监控中心接收体外遥测装置发送的监测数据，判断生物的身体状况，统计生物的生长规律，有助于科学饲养和疾病预防。


本发明公开生物体内植入式监测系统及其监测数据无线通信方法，包括若干个体内监测装置、一个体外遥测装置和监控中心，各体内监测装置与体外遥测装置之间无线通信，体外遥测装置通过无线通信模块与监控中心无线通信连接；所述方法利用体外遥测装置来统一完成体内监测装置与体外遥测装置之间无线通信频谱资源的感知、分配和控制，简化了体内监测装置需完成的功能，同时体外遥测装置采用自适应天线阵列技术接收体内信号，抑制干扰，使体内监测装置可以采用更为简单的调制方法和更低的发射功率，从而降低了体内监测装置的硬件复杂度和能耗，符合体内监测装置小型化、节能、低成本等要求。

公开日2011年8月24日 申请日期2011年3月9日 优先权日2011年3月9日