Система устройств, применяющая передачу данных через человеческое тело

Изобретение относится к способу передачи данных между двумя электронными устройствами, переносимыми, по меньшей мере, одним пользователем.

Изобретение относится также к системе, состоящей, по меньшей мере, из двух устройств, для осуществления этого способа.

Достижения в области электроники и информатики, миниатюризация компонентов и повышение автономности батарей позволили оснастить некоторых профессиональных пользователей, таких как солдаты, электронными приборами или устройствами, помогающими им в выполнении боевых задач. Среди этих электронных устройств не ограничительно можно указать устройство визуализации, установленное на каске и обеспечивающее возможность наблюдения в приближении и/или в условиях слабой освещенности, систему связи, содержащую приемопередатчик и связанную с микрофоном и наушником, компьютер, позволяющий записывать и/или просматривать информацию, оптический прицел, установленный на оружии, и т.д. Эти различные устройства связаны друг с другом таким образом, чтобы, например, изображения, поступающие от оптического прицела или от устройства визуализации, можно было передавать в компьютер для сохранения в его памяти и в приемопередатчик для передачи в командный центр. Точно так же, необходимо, чтобы электрические сигналы, исходящие от клавиатуры или от любого другого интерфейса управления, находящегося на устройстве, могли быть приняты и исполнены другим устройством, расположенным на некотором расстоянии от первого. Устройство закрепляют или вставляют в карманы в различных местах одежды солдата, а также на его каске, на его оружии и т.д.

Устройства связаны друг с другом проводами, которые могут иметь общую длину, достигающую нескольких метров, и вес в несколько килограммов. Эти провода максимально интегрированы в одежду, но при этом выходят из нее (например, провод, ведущий к каске, и провод, проходящий к оружию) и могут зацепляться при перемещениях солдата. Кроме того, движения солдата или его падения могут привести к возникновению усилий растяжения, кручения, сдвига, действующих как на провода, так и на соединители, связывающие их с устройствами. Кроме того, соединители могут быть загрязнены по причине присутствия грязи или песка и должны быть герметичными в подключенном и не подключенном состоянии, чтобы влажность не привела к электрическим утечкам и не могла за счет электролиза разрушить контакты соединителей. Меры защиты поводов и соединителей, такие как их интегрирование в одежду и использование герметичных чехлов, увеличивают вес одежды и ее стоимость. Кроме того, соединения представляют собой уязвимую зону, относительно низкая надежность которой может поставить под угрозу выполнение боевой задачи.

Было предложено заменить хотя бы часть проводных соединений беспроводной связью и, в частности, радиосвязью, например, отвечающей стандарту IEEE 802. Однако такая радиосвязь имеет ряд недостатков:

- она может быть обнаружена, перехвачена и/или подвергнуться действию помех,

- она требует наличия антенн с коэффициентом направленности, возрастающим по мере приближения к телу, и с чувствительностью к поляризации, которые могут помешать передаче данных при некоторых положениях солдата.

Были также предложены средства беспроводной инфракрасной связи, однако они не позволяют в полной мере устранить вышеуказанные недостатки.

Задача изобретения состоит в создании средства, обеспечивающего передачу сигналов, максимально ограничивая использование средств проводной связи, и позволяющего, по меньшей мере, частично устранить вышеуказанные недостатки.

Поставленная задача решена в системе, по меньшей мере, из первого устройства и второго устройства, каждое из которых неподвижно соединено с одеждой и содержит блок обработки электрического сигнала, связанный с первым контактом и со вторым контактом, при этом, по меньшей мере, первый контакт выходит на внутреннюю поверхность одежды. Блоки обработки и контакты выполнены с возможностью обеспечения передачи данных между двумя устройствами посредством установления между первыми контактами этих двух устройств, по меньшей мере, одной линии беспроводной связи.

Согласно первому варианту осуществления, учитывая, что необходимое расстояние для передачи является незначительным (от нескольких см до 1 м), предложенное решение использует в качестве средства передачи электрическое поле (называемое также ближним полем или несформированным полем). В отличие от электромагнитных волн, используемых в решении радиосвязи, поверхность любого проводника под напряжением создает только электрическое поле. Если это напряжение является модулированным, то поле тоже является модулированным, и модуляция передается на другой проводник ненулевой площади, который в этом случае выполняет функцию второй пластины конденсатора.

Таким образом, в первом варианте осуществления первый контакт и второй контакт каждого устройства являются первой электропроводящей пластиной и второй электропроводящей пластиной, которые выполнены с возможностью установления первой линии связи и второй линии связи с другим устройством, образуя контур передачи данных между устройствами, при этом первая линия связи использует, по меньшей мере, одну внешнюю емкостную связь, и блоки обработки данных выполнены с возможностью:

- подачи от первого устройства в контур передачи первого электрического сигнала, соответствующего передаваемым данным, таким образом, чтобы сигнал проходил в первой линии связи в виде поля,

- приема сигнала во втором устройстве и обработки сигнала для получения данных.

Поскольку расстояние, разделяющее устройства, является незначительным, так как ограничено размерами тела пользователя, проводящие поверхности могут иметь любую форму, учитывая, что их размеры являются незначительными по отношению к самому большому предусмотренному для передачи расстоянию. Передача электрических полей возможна, даже если поверхности расположены в перпендикулярных плоскостях. Это представляет особый интерес, так как передача электрического поля является нечувствительной к коррозии и к тому же проводящие поверхности можно покрыть изолирующим покрытием. Под внешней емкостной связью следует понимать то, что емкостная связь устанавливается снаружи устройства в «открытом пространстве», а не внутри электронного компонента.

Электрический сигнал может быть сигналом постоянного тока или сигналом переменного тока и может быть сигналом управления или сигналом данных. Сигнал, например, модулируют для передачи данных, и, следовательно, поле соответственно тоже является модулированным. Таким образом, после приема, усиления и, в случае необходимости, обратного преобразования сигнала простая демодуляция позволяет извлечь содержащиеся в нем данные.

Согласно второму варианту выполнения контакты выходят на внутреннюю сторону одежды и блоки обработки устройств выполнены с возможностью:

- передачи из первого устройства в тело пользователя одежды электрического сигнала, соответствующего данным, таким образом, чтобы создать в теле пользователя потенциальное поле,

- приема сигнала на контактах второго устройства и обработки сигнала для получения данных.

Таким образом, носителем передачи сигнала является тело, проводящее потенциальное поле в направлении второго устройства. Контакты устройств прижимают или приклеивают к коже пользователя, что позволяет вводить электрический сигнал в тело пользователя за счет электропроводности или за счет емкостной связи. На практике, когда проводящие электроды прижимают или приклеивают к коже пользователя, варианты введения через кожу посредством электропроводности и посредством емкостной связи являются одновременными и дополняют друг друга. Электрический сигнал может быть сигналом постоянного тока или сигналом переменного тока и может быть сигналом питания устройства, сигналом управления или сигналом данных. Сигнал, например, модулируют для передачи данных, и потенциальное поле модулируют соответствующим образом. Таким образом, после приема, усиления и, в случае необходимости, обратного преобразования сигнала простая демодуляция позволяет извлечь содержащиеся в нем данные.

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания неограничивающих частных вариантов осуществления изобретения.

На фиг.1 показана система устройств согласно первому варианту осуществления изобретения, вид в фронтальной проекции;

на фиг.2 схематично показан принцип работы согласно упрощенной версии этого варианта осуществления;

на фиг.3 схематично с вырезом показано одно из устройств, вид в перспективе;

на фиг.4 частично показана система согласно первому варианту осуществления в положении на теле пользователя, вид в разрезе;

на фиг.5 частично показана с вырезом система согласно версии первого варианта осуществления изобретения, вид сверху;

на фиг.6 показано средство соединения между устройствами в этой версии, вид в поперечном разрезе;

на фиг.7 показана система устройств согласно второму варианту осуществления изобретения, вид, аналогичный фиг.1.

Показанная на фиг.1-3 система устройств согласно первому варианту осуществления изобретения интегрирована в предмет одежды, обозначенный общей позицией 1 и представляющий собой жилет, предназначенный для солдата и содержащий множество карманов, при этом в некоторых из них находится устройство. В данном случае этими устройствами являются компьютер 3, приемопередающая радиостанция 4, оптический прицел 5, соединенный или не соединенный с оружием 6.

Каждое устройство 3, 4 содержит корпус 7 из электроизолирующего материала, в котором находится блок 12 обработки, выполненный с возможностью обеспечения передачи и приема электрических сигналов-носителей данных и с возможностью извлечения данных, содержащихся в принятом электрическом сигнале. Корпус 7 содержит наружную нижнюю сторону, покрытую пластиной 13, выполненной из электропроводящего материала, и наружную верхнюю сторону, покрытую металлизированным слоем, образующим электропроводящую пластину 14. Пластины 13, 14 могут находиться в корпусе и/или иметь идентичные конструкции. Пластины должны находиться на удалении от проводящих частей, таких как платы интегральных схем блока обработки, чтобы избежать емкостной перегрузки в режиме передачи и неблагоприятного емкостного соотношения в режиме приема. Если это не представляется возможным с учетом необходимости сохранения незначительной толщины корпуса, пластины могут быть вынесены (см. описание оптического прицела 5) или иметь форму рамки, охватывающей корпус.

Оптический прицел 5 содержит корпус, в котором находится блок обработки, связанный с вынесенными проводящими пластинами 9, 10, неподвижно соединенными с рукояткой 11 оружия.

Каждое из устройств 3 и 4 располагают в карманах одежды 1 таким образом, чтобы электропроводящая пластина 13 выходила на внутреннюю поверхность 8 одежды 1 (показана только пластина 13 компьютера 3).

Работа системы устройств представлена в данном случае в связи с передачей данных, например, между приемопередающей радиостанцией 4 и компьютером 3.

Устройства 3, 4 соединены последовательно при помощи первой линии связи I и второй линии связи II с образованием между этими двумя устройствами контура передачи данных. Линия связи I использует емкостную связь. Линия связи II использует электропроводность тела Н пользователя.

Блоки обработки выполнены с возможностью осуществления способа передачи данных, который содержит следующие этапы:

- из первого из устройств, например из приемопередающей радиостанции 4, в тело пользователя передают электрический сигнал, соответствующий данным, например звуковой сигнал (аналоговый сигнал, называемый «аудио», или цифровой сигнал) таким образом, чтобы сигнал проходил в линии связи II и, следовательно, в теле пользователя и в линии связи I за счет емкостной связи между пластинами 14,

- принимают сигнал в другом из устройств, например в компьютере 3, и обрабатывают сигнал для извлечения из него данных.

В данном случае передаваемым сигналом является сигнал переменного тока, модулированный по заранее определенной частоте, или цифровой сигнал, передаваемый непосредственно или после модуляции. Можно предусмотреть столько же несущих частот или типов модуляции или кодов последовательной или не последовательной модуляции (например, TDMA, CDMA, DSL), сколько имеется устройств, чтобы избежать помех между сигналами или чтобы выбирать устройство-адресат сигнала с использованием для передачи частоты или средства кодирования или распознавания (технологии уплотнения), специально выделенных для этого устройства.

Пластины 13 крепят на внутренней стороне одежды, если устройства расположены в одежде. Если пластины 13 входят в непосредственный контакт с кожей пользователя, между каждой пластиной 13 и телом пользователя устанавливается электрический контакт, поэтому сигнал данных передается за счет прохождения тока между устройствами через тело пользователя. Когда между пластинами 13 и кожей располагают слой одежды, такой как нижнее белье или подкладка одежды 1, этот слой одежды не мешает передаче сигнала через тело между устройствами, при этом между каждым устройством и телом устанавливается емкостная связь, обеспечивающая прохождение сигналов в виде электрического поля между каждым устройством и телом, и сигналы проходят в теле в виде тока за счет электропроводности. Таким образом, понятно, что между пластинами и телом пользователя можно разместить несколько слоев одежды. Если промежуточная одежда является грязной или влажной (от пота, дождя, после прохождения брода), это не ухудшает, а, наоборот, улучшает передачу.

Можно предусмотреть, чтобы одежда и пластины входили в непосредственный контакт с кожей пользователя, как пластина 9 оптического прицела 5, которая входит в прямой контакт с кожей пользователя, если он не носит перчаток, тогда как пластина 10 остается открытой для обеспечения передачи за счет емкостной связи или входит в контакт с электропроводящей поверхностью, покрывающей кожу или одежду, для передачи сигнала одновременно за счет электропроводности и емкостной связи. Передача за счет электропроводности представляет особый интерес для передачи сигналов постоянного тока или низкочастотных сигналов. Передача посредством емкостной связи является эффективной для более высоких частот и достаточной, когда нет необходимости в передаче постоянной составляющей.

В версии, показанной на фиг.4, одежда 1 содержит электропроводящий слой 16, который контактирует с пластинами 14 устройств 3, 4. Проводящий слой 16 содержит, например, электропроводящие частицы, находящиеся в ткани одежды, электропроводящие волокна, смешанные с тканью одежды, или проводящий предмет одежды, закрепленный на одежде. Ткань получает свойство электропроводности во время тканья (посредством введения электропроводящих волокон) за счет пропитки или нанесения (покрытие или частицы). При этом линия связи I обеспечивает передачу сигнала за счет электропроводности в проводящем слое, что позволяет ограничить ослабление сигнала, и за счет емкостной связи на уровне границ раздела проводящие слои/пластины 14.

В версии, показанной на фиг.5, одежда 1 содержит проводящий слой, образованный двумя независимыми полосами 16.1, 16.2 для получения линии связи I. Полосы 16.1, 16.2 соединяют соответственно:

- пластину 14.1 устройства 15 с пластиной 14 компьютера 3,

- пластину 14.2 устройства 15 с пластиной 14 приемопередающей радиостанции 4.

Линия связи II между устройствами 3, 15 и устройствами 4, 15 является аналогичной описанной выше линии. Таким образом, становится возможным устанавливать связь одновременно между устройствами 3 и 4 и устройством 15.

На фиг.6 показана полоса 16.1, разделенная на два участка 16.1.a и 16.1.b, которые можно соединять друг с другом при помощи электропроводящей нажимной кнопки, часть 17.a которой неподвижно соединена с участком 16.1.a, а часть 17.b неподвижно соединена с участком 16.1.b. Нажимную кнопку можно использовать как выключатель.

Можно предусмотреть и другие варианты соединения, например липучки марки VELCRO, застежки-молнии.

Показанная на фиг.7 система устройств согласно второму варианту осуществления изобретения, как и в первом варианте, интегрирована в одежду, обозначенную общей позицией 1 и содержащую множество карманов, при этом в некоторых из них находится устройство. В данном случае этими устройствами являются компьютер 3, приемопередающая радиостанция 4, оптический прицел 5, соединенный или не соединенный с оружием 6.

Каждое из устройств 3 и 4, размещенных в карманах одежды 1, содержит два контакта, которые выходят на внутреннюю поверхность 8 одежды 1 (показаны только контакты 7* компьютера 3). Оптический прицел 5 оборудован контактами 9, неподвижно соединенными с рукоятками 10 оружия 6. Каждое устройство 3, 4, 5 содержит блок обработки (показан только блок обработки 11 компьютера 3), выполненный с возможностью обеспечения передачи и приема электрических сигналов-носителей данных и с возможностью извлечения из принятого электрического сигнала содержащихся в нем данных.

Блоки обработки выполнены с возможностью осуществления способа передачи данных, который содержит следующие этапы:

- из одного из устройств, например из устройства 5, в тело пользователя передают электрический сигнал, соответствующий данным, например изображение (аналоговый сигнал, называемый «видео», или цифровой сигнал), таким образом, чтобы создать в теле пользователя потенциальное поле,

- принимают потенциальное поле на контактах другого из устройств, например в компьютере 3, получают сигнал и извлекают из него данные.

В данном случае передаваемым сигналом является сигнал переменного тока, модулированный по заранее определенной частоте, или цифровой сигнал, передаваемый без изменения или после модуляции. Можно предусмотреть столько же несущих частот или типов модуляции или кодов последовательной или не последовательной модуляции (например, TDMA, CDMA, DSL), сколько имеется устройств, чтобы избежать помех между сигналами или чтобы выбирать устройство-адресат сигнала с использованием для передачи частоты или средства кодирования или распознавания (технологии уплотнения), специально выделенных для этого устройства.

Поскольку контакты закреплены на внутренней стороне одежды, если речь идет об устройствах, находящихся в одежде, и между контактами и кожей обычно находится слой одежды, такой как нижнее белье, передачу сигнала между телом и контактами устройства легко осуществляют за счет емкостной связи. Понятно, что между пластинами и телом пользователя можно разместить несколько слоев одежды. Если промежуточная одежда является грязной или влажной (от пота, дождя, после прохождения брода), это не ухудшает, а, наоборот, улучшает передачу, так как емкостная связь, которая не ослабляется, оказывается дополненной связью за счет электропроводности.

Можно предусмотреть, чтобы одежда и контакты входили в непосредственный контакт с кожей пользователя. Например, контакты оптического прицела 5 входят в прямой контакт с кожей пользователя, если он не носит перчаток. В этом случае передача электрического сигнала обеспечивается одновременно за счет электропроводности и емкостной связи. Если пользователь носит перчатки, то речь идет только о емкостной связи. Для улучшения электропроводности кожи на нее можно нанести электропроводящий гель или электропроводящую краску. В случае перчаток можно обеспечить электропроводность их ткани при помощи различных способов, если требуется установить связь посредством электропроводности. Как правило, передача за счет электропроводности представляет особый интерес для передачи сигналов постоянного тока или низкочастотных сигналов. Передача посредством емкостной связи является эффективной для более высоких частот и достаточной, когда нет необходимости в передаче постоянной составляющей. Электропроводность можно также улучшить, располагая электроды в зонах естественной влажности человеческого тела, таких как подмышки или слизистые оболочки. Понятно, что потенциальное поле проводится кожей или находящимися под кожей мышечными тканями.

В варианте, когда описанной выше одеждой оснащены два пользователя, можно передавать сигналы от устройства одного из пользователей в устройство другого из пользователей, когда они соприкасаются либо двумя частями их тел и, например, держатся за руки или когда они соприкасаются только одной рукой, используя также емкостную связь между ногами и землей, которая, как правило, хотя бы в незначительной степени является проводником.

Разумеется, изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления и охватывает любую версию, не выходящую за рамки изобретения, определенные формулой изобретения.

В частности, хотя изобретение было описано в рамках применения в армии, его вполне можно применять и в гражданских целях для установления связи между переносными электронными устройствами, такими как телефоны, фотоаппараты или портативные приемники с наушниками.

Электрические сигналы могут быть модулированными или не модулированными сигналами переменного тока, или сигналами переменного тока с постоянной составляющей, или сигналами постоянного тока (для второго варианта осуществления).

Если качество принимаемого сигнала является слишком низким, учитывая, с одной стороны, что его уровень должен быть ограничен при передаче, чтобы не создавать физиологического неудобства (и тем более опасности), и, с другой стороны, что он претерпевает в теле ослабление и искажение, то можно применять различные типы аналоговой модуляции, в частности частотную модуляцию, амплитудную однополосную модуляцию, фазовую модуляцию, квадратурную модуляцию и т.д., а также самые разнообразные виды цифровой модуляции. При этом можно применять все известные технологии извлечения сигнала.

В первом варианте осуществления, в случае необходимости, для ограничения затухания сигнала можно повысить частоту передачи, использовать пластины большей площади или уменьшить емкость между двумя пластинами (предназначенными соответственно для линий связи I и II).

Обработка сигнала для извлечения из него данных может быть цифровой или аналоговой обработкой, в случае необходимости, связанной с коррекцией в случае нелинейности и/или с технологиями восстановления утерянных данных в случае слишком высокого уровня ошибок BER (Bit Error Rate).

Сигналы можно также уплотнять.

Пластины можно выполнить на боковинах корпусов.

Устройства могут содержать несколько пластин, каждая из которых предназначена для установления линии связи II с другим устройством.

Обе линии связи, установленные между устройствами, могут применять емкостную связь без участия электропроводности человеческого тела, в частности, когда устройства находятся на удалении от человеческого тела и, в целом, от электропроводящего элемента. Само собой разумеется, что вместе с тем устройства могут находиться достаточно близко друг от друга для обеспечения установления емкостной связи.

Каждая линия связи может использовать одну или несколько емкостных связей и/или одну или несколько электропроводностей.

1. Система устройств передачи данных, содержащая первое устройство (3) и второе устройство (4), каждое из которых неподвижно соединено с одеждой (1) и содержит блок обработки электрических сигналов, связанный с первой электропроводящей пластиной (14) и со второй электропроводящей пластиной (13), выполненными с возможностью установления первой линии (I) связи и второй линии (II) связи с другим устройством, образуя контур передачи данных, при этом вторая пластина каждого устройства выполнена с возможностью установки по существу напротив и вблизи кожи пользователя, когда устройства неподвижно соединены с одеждой, при этом первые пластины устройств выходят на внутреннюю сторону (8) одежды, причем первая линия связи использует, по меньшей мере, одну внешнюю емкостную связь, а вторая линия связи использует связь, обеспечиваемую электропроводностью кожи пользователя и/или одежды, причем блоки обработки устройств (3, 4) выполнены с возможностью:
- передачи из первого устройства в контур передачи электрического сигнала, соответствующего передаваемым данным, так, чтобы сигнал проходил в первой линии связи в виде поля,
- приема сигнала во втором устройстве и обработки сигнала для получения данных.

2. Система по п.1, в которой первый контакт и второй контакт являются первой электропроводящей пластиной (14) и второй электропроводящей пластиной (13), выполненные с возможностью установления первой линии связи (I) и второй линии связи (II) с другим устройством, образуя контур передачи данных между устройствами, при этом первая линия связи использует, по меньшей мере, одну внешнюю емкостную связь, и блоки обработки устройств (3, 4) выполнены с возможностью:
- передачи из первого устройства в контур передачи электрического сигнала, соответствующего передаваемым данным, таким образом, чтобы сигнал проходил в первой линии связи в виде поля,
- приема сигнала во втором устройстве и обработки сигнала для получения данных.

3. Система по п.2, в которой устройства (3, 4) расположены так, что первая линия связи (I) использует несколько последовательных емкостных связей.

4. Система по п.2, в которой устройства (3, 4) расположены так, что вторая линия связи (II) использует электропроводность, а электрический сигнал, соответствующий данным, проходит по второй линии связи в виде тока.

5. Система по п.1, в которой устройства (3, 4) расположены с возможностью установления электрического контакта между каждым устройством и телом пользователя.

6. Система по п.1, в которой устройства (3, 4) расположены с возможностью устанавливать емкостную связь между каждым устройством и телом пользователя.

7. Система по п.1, в которой электропроводность обеспечивается непосредственно в теле пользователя.

8. Система по п.2, в которой первые пластины (14) устройств выходят напротив внутреннего слоя (16) одежды (1), при этом внутренний слой является электропроводящим.

9. Система по п.8, в которой проводящий внутренний слой (16) содержит, по меньшей мере, один из следующих элементов:
- электропроводящее вещество, которым пропитана часть одежды,
- электропроводящее вещество, нанесенное распылением на часть одежды,
- электропроводящие волокна, находящиеся в ткани одежды,
- электропроводящая пленка, закрепленная напротив части одежды.

10. Система по п.2, в которой одежда (1) содержит слой, расположенный напротив вторых пластин (13) устройств (3, 4).

11. Система по п.2, содержащая электронное устройство (5), неподвижно соединенное с захватываемым рукой пользователя предметом (6), содержащим захватную зону и вторую пластину (9) устройства, закрепленную в захватной зоне.

12. Система по п.1, в которой контакты (7*) устройств (3, 4) выполнены с возможностью передачи или приема сигнала за счет емкостной связи с кожей пользователя.

13. Система по п.1, в которой контакты (7*) устройств (3, 4) выполнены с возможностью передачи или приема сигнала одновременно за счет электропроводности и за счет емкостной связи.

14. Система по п.1, в которой, по меньшей мере, одно из электронных устройств (5) жестко соединено с захватываемым рукой пользователя предметом (6), содержащим захватную зону (10) для каждой руки, а контакты (9) устройства закреплены соответственно в захватных зонах.