Применение способа беспроводной связи через тело человека для спецтехники

ПАВЛОВ1 Константин Александрович, кандидат технических наук ОВЧИННИКОВ2 Андрей Михайлович, кандидат технических наук ЛОБАНОВ3 Виктор Михайлович КУЛДЫШЕВ4 Алексей Владимирович

ПРИМЕНЕНИЕ СПОСОБА БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ ЧЕРЕЗ ТЕЛО ЧЕЛОВЕКА ДЛЯ СПЕЦТЕХНИКИ

Данная статья, является аналитическим, обзором, по новому перспективному направлению развития, спецтехники беспроводной связи малого радиуса действия, а именно, по применению способа передачи данных через тело человека между двумя или несколькими электронными устройствами. В работе рассмотрены, примеры, использования, способа связи через тело человека, а также представлены, его отличительные особенности по сравнению с традиционными способами беспроводной и проводной связи. Приведена информация, о текущем, этапе развитии технологии Body Area Network (IEEE 801.15.6), отмечены, результаты, отечественных и зарубежных исследований.

Ключевые слова: передача данных через тело человека; идентификация, пользователя; контроль доступа; обмен данными через рукопожатие; охрана личных предметов; идентификация, предметов; дистанционное управление; мониторинг функционального состояния человека.

This article is an analytical survey concerning a new promising way of sort-range wireless communication, special purpose equipment development, namely, applying communication method, using the human body for data transmission between two or more electronic devices. Examples of human body communication, applications are discussed, in this paper. Features of this method, in comparison, with, traditional wire and wireless communication, are given. Body Area Network technology (IEEE 801.15.6) development stage information and current scientific research results are presented.

Keywords: body area network; human body communication; user identification; access control; data exchange through, a handshake; personal items protection; items identification; remote control; fitness monitoring.

Распространенной задачей для технических средств ближней беспроводной связи является передача какой-либо информации на малое расстояние (в пределах досягаемости руки) между портативным электронным устройством пользователя и другим электронным устройством, носимым (этим же либо другим пользователем) или стационарно размещенным. Использование проводной связи обеспечивает энергетическую скрытность при передаче информации, но может создать неудобства для пользователя и повысить вероятность его визуального обнаружения. Беспроводная связь устраняет

эти недостатки, но при ее использовании неизбежно возникает вероятность обнаружения электромагнитного излучения передающего устройства и несанкционированного перехвата передаваемой информации.

Одним из методов повышения энергетической скрытности, а также снижения вероятности перехвата информации, передаваемой техническими средствами ближней связи, может служить способ передачи данных с использованием тела человека в качестве передающей среды. По сравнению с технологиями ближней беспроводной связи (Bluetooth, ZigBee и др.), широко

применяемыми в различных сферах техники, способ передачи данных через тело человека позволяет снизить выходную мощность и энергопотребление технических средств ближней связи, а, следовательно, улучшить энергетическую скрытность беспроводной связи и уменьшить влияние электромагнитного излучения на организм пользователя [1]. В то же время этот способ лишен недостатков проводной связи (рис. 1).

В настоящее время активно разрабатываются технологии передачи цифровых данных между маломощными электронными устройствами, располо-

' — инженер ФГУП СКБ «Радэл»;2 — зам. директора по научной работе ФГУП СКБ «Радэл»;

3 — зам. главного инженера ФГУП СКБ «Радэл»;4 — инженер ФГУП СКБ «Радэл».

Связь через тело человека

◊ Тело человека заменяет и кабель и разъемы

◊ Установление связи путем тактильного контакта

--Беспроводная связь-----------

◊ Связь через радиоканал

◊ Вероятность перехвата информации

◊Кабель и разъемы не требуются

◊ Простота установления связи

◊Устойчива к перехвату информации

◊ Связь только с соединенным устройством

◊ Связь через кабель и разъем

◊ Сложность установления связи

Проводная связь

Рис. 1. Сравнение способов связи

Рис. 2. Варианты каналов связи для технологии BAN

женными в теле и на поверхности тела человека [2 — 4]. В частности институтом IEEE с 2008 г. ведется разработка стандарта IEEE 802.15.6 для технологии Body Area Network (BAN) [5]. Предполагается, что стандарт будет предусматривать передачу сигналов между устройствами BAN по каналам связи, представленным на рис. 2 [6].

Стандарт IEEE 802.15.6 окончательно не сформирован: решается вопрос выбо-

ра частотного диапазона и согласуется протокол связи. Как видно из рис. 2, рассматриваются варианты использования несущих частот в широком диапазоне от десятков МГц до нескольких ГГц. Способ связи через тело человека с использованием несущих частот ниже 50 МГц в документах IEEE определен как HBC (Human Body Communication) [6].

В работе [7] представлены результаты математического моделирования про-

странственного распределения электрического поля в диапазоне частот от 500 кГц до 2,4 ГГц при использовании тела человека в качестве канала передачи данных между носимыми электронными устройствами. Определены частоты, обеспечивающие наилучшие параметры канала связи при передаче данных через тело человека. Сделан вывод, что при использовании несущих частот сигнала носимого устройства от сотен кГц до нескольких десятков МГц электрическое поле, ослабленное приблизительно на 50 — 60 дБ, довольно равномерно распределяется вдоль всей поверхности тела. Это электрическое поле можно использовать для передачи данных между электронными устройствами, расположенными вблизи человека (на расстоянии до нескольких сантиметров).

На рис. 3 показано пространственное распределение электрического поля, создаваемого портативным передающим устройством на запястье человека при частоте сигнала 10 МГц [8]. Представленные результаты получены с помощью компьютерного моделирования методом РБТБ с использованием реалистичной (рис. 3а) и упрощенной (рис. 3б) модели тела человека. Как видно из рис. 3, при контакте с устройством, генерирующим электромагнитный сигнал, тело человека становится частью излучающей системы. Длина электромагнитной волны при частоте 10 МГц составляет 30 м, что гораздо больше размеров излучающей системы, следовательно, распространение сигнала происходит в ближней волновой зоне. Известно, что в ближней зоне спад напряженности электрического поля при удалении от излучателя (тела человека) обратно пропорционален г3 [9]. При использовании диапазонов частот, свойственных традиционным средствам ближней радиосвязи, порядка сотен МГц и нескольких ГГц — спад напряженности электрического поля обратно пропорционален г2 и г [9, 10]. Так можно достичь лучшей энергетической скрытости при беспроводной передаче информации за счет использования особенностей прохождения электромагнитного сигнала по поверхности тела человека.

Таким образом, наиболее важной характеристикой беспроводной связи

Электрическое поле|Е|

[дБ]

-100 -80 -60 -40 -20 0

180

160

140

120

§

ей 100

3 80

и

60

40

20

0

а

0 20 40 60

Ширина, см

б

I I I I I I I I I

0 20 40 60 80

Ширина, см

Рис. 3. Распределение электрического поля вблизи реалистичной (а) и упрощенной (б) модели тела человека [8]

через тело человека применительно к спецтехнике является то, что данные между электронными устройствами могут быть переданы исключительно при тактильном контакте обоих устройств с телом пользователя. Тактильный контакт подразумевает электрический контакт одного из устройств с кожей человека и расположение второго устройства на расстоянии не более нескольких сантиметров от поверхности тела человека (например, в кармане одежды). Системы беспроводной тактильной связи могут быть применены в различных областях спецтехники. Как было отмечено выше, возможность передачи данных посредством тактильного контакта пользователя с приемопередающими устройствами обеспечивается только при низких несущих частотах сигнала (ниже 50 МГц). Для данного диапазона частот типичны скорости передачи данных порядка нескольких кб/с, при этом технически трудно достичь высокой скорости, например, сравнимой с технологией Bluetooth (более 1 Мб/с). Для областей применения, требующих передачи большого объема данных, возможна

реализация двухчастотной системы беспроводной тактильной связи. При этом низкочастотный канал связи служит для передачи малых объемов данных, для определения наличия тактильного контакта устройств с телом пользователя и активации высокочастотного канала связи, который служит для высокоскоростной передачи данных (более 1 Мб/с). Следовательно, обмен данными между приемопередающими устройствами может осуществляться путем контакта с телом пользователя и при этом с высокой скоростью передачи данных.

Дистанционное управление носимыми техническими средствами

Для дистанционного управления носимой радиостанцией обычно используется проводной канал связи, что вызывает дискомфорт пользователя и снижает визуальную скрытность специального технического средства. При применении технологии ближней радиосвязи (например, Bluetooth) возникает вероятность обнаружения

факта передачи управляющего сигнала от беспроводного пульта. Дистанционное управление техническим средством (например, скрытоноси-мым) может осуществляться по телу человека, что позволит обеспечить высокую визуальную и энергетическую скрытность.

В работе [11] описан пример реализации портативных малогабаритных устройств для передачи команд управления через тело человека на несущей частоте 455 кГц. Функциональная схема этой системы представлена на рис. 4. Устройства системы построены с использованием стандартной элементной базы. Скорость передачи данных через тело человека для данной реализации составляет 9,6 кб/с.

В состав системы управления входят портативное передающее устройство (1) с электродом (2), тело человека (3) — среда распространения сигнала, портативное приемное устройство (5) с электродом (4) и управляемое техническое средство (6).

В состав передающего устройства входят: органы управления (1.1); микроконтроллер (1.2), создающий цифровое информационное сообщение, соответствующее нажатой кнопке; генератор с частотной модуляцией (1.3), формирующий информационный сигнал на несущей частоте 455 кГц. Модулированный сигнал поступает на плоский металлический электрод (2). Электрод (2) контактирует с кожей человека и создает электрическое поле на всей поверхности тела (3).

Аналогичный электрод приемного устройства (4) детектирует созданное электрическое поле. В состав приемного устройства (5) входят ЧМ-при-емник (5.1) и микроконтроллер (5.2), обрабатывающий демодулированное информационное сообщение. Приемное устройство может подключаться, например, к скрытоносимой радиостанции (6) и управлять режимами ее работы. Чувствительность реализованного приемного устройства (4) составляет 50 мкВ.

В результате экспериментальных исследований в работе [11] было выявлено, что затухание сигнала в представленной системе связи в значительной степени зависит от площади заземленной поверхности приемного устройства. В экспериментах со стационарным (под-

1

Рис. 4. Функциональная схема системы дистанционного управления электронным устройством через тело человека

а)

б)

Рис. 5. Система контроля доступа в помещение, идентифицирующая человека при контакте с дверной ручкой

ключенным к лабораторному заземлению) приемным устройством затухание сигнала составляло величину около 55 дБ, для устойчивой связи передающее устройство имело амплитуду выходного напряжения 0,3 В. В экспериментах с портативным малогабаритным устройс-

твом затухание сигнала составляло около 72 дБ, устойчивая связь наблюдалась при амплитуде выходного напряжения передающего устройства 3 В.

Далее рассматриваются возможные реализации системы передачи данных через тело человека при использова-

нии стационарных (рис. 5) и портативных (рис. 6 — 9) приемных устройств.

Системы идентификации и контроля доступа

В настоящее время пользователям автоматизированных систем контроля доступа необходимо совершать видимые манипуляции, например, прикладывание магнитной карты или пальца к считывающему устройству, что может привлечь нежелательное внимание со стороны окружающих. В отличие от традиционных способов идентификации и контроля доступа, пользователь тактильной системы может получить доступ в помещение путем простого прикосновения к металлической дверной ручке со встроенным отпирающим устройством, не привлекая внимания со стороны окружающих. На рис. 5 представлены примеры систем идентификации и контроля доступа.

Обмен данными через рукопожатие

Совершенно новые возможности для спецтехники открывает применение беспроводной передачи данных через

Рис. 6. Беспроводная передача данных через рукопожатие

v** \ —ппгппі

Рис. 7. Идентификация пользователя оружия

рукопожатие. Может быть реализован, например, обмен контактной информацией между двумя лицами, имеющими при себе соответствующие портативные устройства (рис. 6). В работах [1, 12] описаны примеры системы беспроводного обмена электронными визитными карточками через рукопожатие.

Идентификация уполномоченного пользователя

Подобная система может состоять из миниатюрного приемопередатчика на теле пользователя (например, в виде наручных часов) и устройства, встроенного в какой либо предмет (оружие, телефон и т.д.). Таким образом, данный предмет активируется только тогда, когда он находится в руках (посредством тактильного контакта) определенного пользователя. Это направление актуально для спецтехни-ки: можно исключить возможность использования специальных технических средств посторонними лицами, например, оружия противником в ходе боя.

В [13] представлены предложения по применению японской системы передачи данных через тело человека RedTacton для идентификации пользователя оружия. Предложения ориентированы на вооруженные силы и полицию США. В частности, предлагается встроить приемопередатчики в переносной противотанковый ракетный комплекс «Javelin» и в экипировку допущенных к его использованию солдат (рис. 7). При использовании такой системы только солдаты, имеющие соответствующий приемопередатчик,

могут произвести запуск ракеты. Если комплекс попадает в руки постороннего человека или врага, запуск будет невозможен.

Звуковая идентификация предметов посредством тактильного контакта

Система связи, предназначенная для прослушивания слабовидящими людьми информации о товарах в магазине или аптеке, может получить широкое применение в здравоохранении. Подобная система состоит из наушников пользователя (со встроенным приемным устройством) и передающих устройств, прикрепленных к различным предметам. Соответственно при прикосновении к предмету пользователь прослушивает определенную информацию. Также информация о предмете может быть отображена на дисплее портативного приемного устройства [14]. Такого рода систему можно применить и в спецтехнике.

Система охраны личных предметов

Тело человека можно использовать для периодического обмена данными между двумя носимыми электронными устройствами, одно из которых прикреплено к охраняемому объекту или встроено в него [14]. По сравнению с аналогичными системами, использующими традиционный радиоканал, в тактильной системе пороговым расстоянием срабатывания сигнализации является не расстояние между двумя

Рис. 8. Система охраны сотового телефона

приемопередающими устройствами, а расстояние от тела человека до охраняемого объекта. Как показано на рис. 8, охранным устройством в такой системе могут быть электронные часы пользователя, обеспечивающие звуковую и световую индикацию при удалении охраняемого объекта от тела человека на заданное расстояние.

Беспроводные аудиогарнитуры

Как правило, беспроводные гарнитуры реализуются на базе технологии Вие1ооШ. К недостаткам такой реализации можно отнести излишнее излучение электромагнитного сигнала в свободное пространство на расстояние в несколько десятков метров, что ведет к снижению энергетической скрытности специального технического средства.

Ушные

датчики

Датчики

кровяного

давления

Датчики

ЭЭГ

Датчики

ЭКГ

Датчики

ЭМГ

Датчики

перемещения

Рис. 9. Сеть беспроводных датчиков функционального состояния человека

Передача аудиосигнала от скрытоно-симой радиостанции до миниатюрного приемника, размещаемого в наружном слуховом проходе, может осуществляться по телу человека, что позволит повысить энергетическую скрытность и снизить вероятность перехвата передаваемой информации [10].

Мониторинг функционального состояния человека

Способ связи через тело человека может быть применен также для наблюдения за состоянием здоровья и данными о перемещении человека. В этом случае используются сети беспроводных маломощных датчиков (рис. 9), передающих данные по телу человека в один из узлов сети, который обеспечивает сбор, обработку и передачу данных в удаленное устройство через канал радиосвязи (УКВ, GSM, Bluetooth и т.д.) [15]. Подобная система может быть применена, например, для экипировки солдата.

В перспективе экипировка солдата в сочетании с технологией Body Area Network может представлять собой носимую сеть передачи данных, соединяющую различные электронные устройства, такие как датчики жизнеобеспечения, видеокамеры, радиостанцию, приемник GPS/ГЛОНАСС и обеспечивающую обмен данными с носимым компьютером солдата. Такая сеть может выполнять функции мониторинга за физиологическим состоянием

солдата и, например, предотвращать обстрел со стороны своих. С помощью встроенного в перчатку датчика солдат может определить, пригодна ли вода для питья. Другим примером может служить применение системы передачи видеосигнала с прицела оружия на миниатюрный дисплей на шлеме солдата, что позволяет вести прицельную стрельбу из укрытия. Как результат, технология BAN может повысить вероятность выживания солдата в бою [16]. В данной статье предложено использование перспективной технологии передачи данных через тело человека в спецтехнике, рассмотрены некоторые актуальные в настоящее время области применения этой технологии. Несмотря на то, что стандарт IEEE 802.15.6 для технологии BAN окончательно не сформирован, уже сейчас очевидно, что эта технология будет применена и получит широкое распространение в современной технике в различных сферах жизнедеятельности человека (в медицине, спорте, повседневной жизни и т.д.). Благодаря несомненным преимуществам над традиционными способами ближней связи малого (до нескольких метров) и сверхмалого (порядка нескольких сантиметров) радиуса действия способ передачи данных через тело человека заслуживает дальнейшего развития и применения в современных отечественных специальных технических средствах

Литература

1. Zimmerman T. G. Personal Area Networks (PAN): Near-Field IntraBody Communication./ M.S. Thesis, MIT Media Laboratory, Cambridge, MA 1995.

2. Hwang J., Park I., Kang S. Channel model for human body communication./ IEEE 802.15-08-0577-01-0006, July 2010.

3. Yazdandoost K., Kohno R. Wireless Communications for Body Implanted. Medical Device./ Asia Pacific Microwave Conference (APMC), 2007.

4. Barth A., Wilson S., Hanson M., Powell H., Unluer D., Lach J. Body-

coupled. communication, for body sensor networks./ The 3rd international conference on body area networks (BodyNets), Arizona, USA, 2008.

5. IEEE 802.15 WPAN Task Group 6 (TG6) Body Area Networks, http://www. ieee802.org/15/pub/TG6.html.

6. Yazdandoost K., Sayrafian K. Wireless Personal Area Networks./IEEE P802.15-08-0780-10-0006, July 2010.

7. Павлов К.А., Селищев С.В. Моделирование пространственного распределения электрического поля при использовании тела человека в качестве канала передачи данных./ Приборы., 2011. - № 5. - C. 38 - 42.

8. K. Fujii, M. Takahashi, K. Ito, K. Hachisuka. Study on the transmission, mechanism, for wearable device using the human body as a transmission channel./ IEICE Transactions on Communications, June 2005. - V. E88-B. - No. 6. - PP. 2401 - 2410.

9. Патент. RU 2302699 C2, МПК H04B 13/00, H04B 5/02. «Система связи», К. Тикигути (JP), 10.07.2007. - Бюл. № 19.

10. Драбкин А.Л. и др. Антенно-фидерные устройства./ Изд. 2-е. - М.: Сов. радио, 1974. - 535 с.

11. Павлов К.А. Программно-аппаратный комплекс для. исследования, и оптимизации параметров системы. беспроводной передачи данных через тело человека: Диссертация. к.т.н. - М., 2011. - 147 с.

12. Human Body Communication, as the ultimate short dis-tance communication./ http://japantechniche. com/2009/03/12/human-body-com-munication-as-the-ultimate-shot-dis-tance-communication/.

13. Brotherson D., Beatty W., Corron R. Emerging Technology - RedTac-ton./ http://www.public. iastate. edu/~dkbroth/Emerging%20Tech-nology%20-%20BBC.htm.

14. Park J.S., Hwang J.H., Kwon Y., et al. HBC PHY and MAC./ IEEE 802.15-090548-00-0006.

15. Chen M., Gonzalez S., Vasilakos A., Cao H., Leung V. Body Area Networks: A Survey./ ACM/Springer Mobile Networks and Applications (MONET), 2010.

16. Wang B., Pei Y. Body Area Networks./ Encyclopedia of Wireless and Mobile Communications./ Edited by Borko Furht, Taylor & Francis, 2007.