智能穿戴設備中的傳感器

可穿戴設備是一種可以安裝在人、動物和物品上，并能感知、傳遞和處理信息的計算設備，傳感器是可穿戴設備的核心器件，可穿戴設備中的傳感器是人類感官的延伸，增強了人類“第六感”功能。

隨著生物科技的發(fā)展，以及傳感器小微型化與智能化方向的發(fā)展，可穿戴設備也許將會進化成植入人體的智能設備。

在各種令人耳目一新的可穿戴式設備中，都有一個關鍵裝置——傳感器。它可以感受外界情況的變化，比如冷暖、快慢，并作出相應的反應，就像我們的皮膚一樣。

可穿戴設備中都有哪些傳感器

一般來說，可穿戴設備中的傳感器的主要可分為以下幾個大類。

一、運動傳感器

運動傳感器運動控制傳感器是一種將非電量（如速度、壓力）的變化轉變?yōu)殡娏孔兓脑０ǎ杭铀俣葌鞲衅?、陀螺儀、地磁傳感器或者說電子羅盤傳感器、大氣壓傳感器(通過測量大氣壓力可以計算出海拔高度)等。

這些傳感器主要實現(xiàn)的功能有運動探測、導航、娛樂、人機交互等，其中電子羅盤傳感器可以用于測量方向，實現(xiàn)或輔助導航。生命在于運動，運動是生命中不可或缺的重要組成部分。因此，通過運動傳感器隨時隨地測量、記錄和分析人體的活動情況具有重大價值，用戶可以知道跑步步數(shù)、游泳圈數(shù)、騎車距離、能量消耗和睡眠時間，甚至分析睡眠質量等

運動傳感器的功能及實現(xiàn)原理

通過運動傳感器隨時隨地測量、記錄和分析人體的活動情況，用戶可以知道跑步步數(shù)、游泳圈數(shù)、騎車距離、能量消耗和睡眠時間等，同時還能導航、娛樂、人機交互筀等。

以一種可穿戴式人體運動捕捉系統(tǒng)功能為例，為了能夠實時捕捉人體運動,需設計了一套可穿戴式人體運動捕捉系統(tǒng)。它通過分布在人身體上的慣性測量單元來獲取人體實時姿態(tài)信息,每個慣性測量單元由微型MEMS 3軸陀螺儀、MEMS 3軸加速度計、MEMS 3軸磁力計和MCU組成,MCU獲得各傳感器數(shù)據(jù)并利用基于四元數(shù)的擴展Kalman濾波解算出對應部位姿態(tài)角,通過CAN總線和Bluetooth模塊將數(shù)據(jù)實時上傳至計算機,計算機通過VC++和OpenGL程序驅動虛擬人體運動,實現(xiàn)實時人體運動再現(xiàn)。

運動傳感器需要實現(xiàn)的功能包括對３種不同類型慣性器件傳感數(shù)據(jù)的采集、姿態(tài)角結算和有線通信。運動傳感器主要包括５個部分：ＭＣＵ、加速度傳感器、陀螺儀傳感器、磁力計和ＣＡＮ接口。ＭＣＵ包括同步串行通信總線（Ｉ２Ｃ）、異步接收發(fā)送器（ＵＡＲＴ）、按鍵等模塊，它控制節(jié)點的一系列操作。節(jié)點由有線供電，ＭＣＵ控制３種傳感器的數(shù)據(jù)采集、姿態(tài)角解算和ＣＡＮ收發(fā)。

硬件系統(tǒng)框圖如下圖所示：

二、生物傳感器

生物傳感器對生物物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器。是由固定化的生物敏感材料作識別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質）與適當?shù)睦砘瘬Q能器（如氧電極、光敏管、場效應管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構成的分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器具有接受器與轉換器的功能。

生物傳感器包括血糖傳感器、血壓傳感器、心電傳感器、肌電傳感器、體溫傳感器、腦電波傳感器等，這些傳感器主要實現(xiàn)的功能包括健康和醫(yī)療監(jiān)控、娛樂等。

生物傳感器實現(xiàn)的功能及實現(xiàn)原理

健康預警、病情監(jiān)控，借助可穿戴技術，醫(yī)生可以提高診斷水平，家人也可以與患者進行更好的溝通。

例如由血壓傳感器構成的可穿戴醫(yī)療設備，可以對用戶身體數(shù)據(jù)進行追蹤和監(jiān)測，分析提煉出醫(yī)學診斷模型，預測和塑造用戶的健康發(fā)展狀況，為用戶提供個體化心血管專項貼身醫(yī)療及健康管理方案，同時也幫助家人關懷親人的健康狀況。

血壓監(jiān)測儀是通過傳感器來檢測人體動脈血管壁震動引起的袖帶壓力微小變化，最常用的方法是振蕩法，其基本原理是利用捆綁在手臂上的袖帶，通過充氣泵向袖帶充氣，以阻斷血管中脈動的傳播，達到一定壓力(一般為124~316kPa)后開始放氣，當氣壓到一定程度，血流就能通過血管，且有一定量振蕩波，逐漸放氣，振蕩波愈來愈大，再放氣，由于袖帶與手臂的接觸越來越松，因此，壓力傳感器所檢測到的壓力及波動則越來越小，壓力傳感器就能實時檢測到袖帶內的壓力及波動。而振蕩波通過氣管傳播到機器里的壓力傳感器，經過相應的放大、濾波電路、模擬/數(shù)字信號轉換、中央處理器控制等處理環(huán)節(jié)，將通過袖帶傳遞到氣路中的脈動信號和壓力信號轉換成數(shù)字信號，然后經過進一步處理，得出血壓的收縮壓、舒張壓、平均壓等數(shù)據(jù)。這種動態(tài)血壓監(jiān)測儀可通過藍牙、USB連接到移動設備上，將數(shù)據(jù)上傳至醫(yī)護人員，平時被使用者穿在外面，提供24小時的血壓監(jiān)控。

此外，通過腦電、心電等傳感器感知人類情緒變化的可穿戴設備能夠實現(xiàn)娛樂互動。如意念貓耳朵采用了NeuroSky(神念科技)先進的TGAM腦電芯片，該芯片可以讀取人的腦電波。不同模式的腦電波代表人所處的情緒和狀態(tài)也是不同的。芯片會將代表人情緒狀態(tài)的腦電信號轉化成貓耳朵可以識別的數(shù)字信號，從而執(zhí)行相應的指令，完成不同的動作。比如當人處于專注狀態(tài)時，它就會高高立起，放松時，它則會聳拉下來。

三、環(huán)境傳感器

環(huán)境傳感器包括：土壤溫度傳感器、空氣溫濕度傳感器、蒸發(fā)傳感器、雨量傳感器、光照傳感器、風速風向傳感器等，不僅能夠精確的測量相關環(huán)境信息，還可以和上位機實現(xiàn)聯(lián)網，最大限度滿足用戶對被測物數(shù)據(jù)的測試、記錄和存儲，是科研、教學、實驗室和農業(yè)部門土肥站、農科所及相關農業(yè)環(huán)境監(jiān)測部門首選的高質量儀器。

環(huán)境傳感器實現(xiàn)的功能及實現(xiàn)原理

當今世界，人們經常會處于一些對健康有威脅的環(huán)境中，比如空氣/水污染、噪音/光污染、電磁輻射、極端氣候等。更可怕的是，很多時候我們處身于這樣的環(huán)境中卻渾然不知，如pm2.5污染，從而引發(fā)各種慢性疾病。用顆粒物傳感器構成的空氣質量檢測裝置——pm2.5便攜式檢測儀，可佩戴在人體上，既可單獨顯示，也可結合手機使用并分享給好友。

pm2.5便攜式檢測通過采氣泵粉塵儀將待測氣溶膠吸入檢測艙，待測氣溶膠在粉塵儀分流處分流成為兩部分，一部分經過一個高效過濾器后被過濾為干凈的空氣，作為保護鞘氣來保護傳感器室的元器件不受待測氣體污染。另一部分氣溶膠,作為待測樣品直接進入傳感器室。

微粒和分子在光的照射下會產生光的散射現(xiàn)象，與此同時，還吸收部分照射光的能量。當一束平行單色光入射到被測顆粒場時，會受到顆粒周圍散射和吸收的影響，光強將被衰減。如此一來便可求得入射光通過待測濃度場的相對衰減率。而相對衰減率的大小基本上能線性反應待測場灰塵的相對濃度。光強的大小與經光電轉換的電信號強弱成正比，通過測得電信號就可以求得相對衰減率。

可穿戴設備中那些鮮為人知的傳感器

皮電傳感器

相信每一位讀者都有這樣的經歷，當你要從事一項非常重要的任務之前，你會覺得緊張，焦慮以至于手腳冒汗。這種心理反應轉化成生理反應的過程，我們是可以通過皮電傳感器探測出來。

Sensoree的心情毛衣利用皮電反應感知人們的心情，并用不同顏色燈光表現(xiàn)

皮電傳感器是測謊儀的重要組成部分

測謊儀結合皮電傳感器，呼吸速率傳感器以及心率傳感器共同工作。

需要注意的是皮電傳感器并不能測試出用戶的喜怒哀樂，只能感受到用戶心理狀態(tài)是否變化，而通過這種變化，我們可以得到一些結論。例如通過測謊儀的皮電傳感器感應被測者說話時的心理變化，從而斷定是否說謊。

例如有研究表明，人們在一天的活動中，早晨剛醒以及晚上睡覺時候人體皮電反應水平較低，而上午和下午的某一個時段的皮電水平相對較高，而這一時段正是我們學習或者工作效率最高的時段。

如果通過皮電傳感器檢測我們幾天的人體皮電反應水平，通過皮電波形高低，我們就可以得知自己每天哪一個時段的工作效率最高了。

對于皮電傳感器，我們必須明白的事：

1、人體皮電反應受溫度，人體活動以及心理反應三個因素影響，皮電傳感器因此會收到影響，準確性有待檢驗。

2、人們一天會擁有眾多情緒，每一天所產生情緒的時間、情緒類別皆不同，就算我們準確測量出皮電反應情況，歸類整理這些數(shù)據(jù)并給出科學的建議依然是廠商最頭痛的問題。

心率傳感器

作為個人健康設備的超級武器，以率傳感器可以通過監(jiān)測心率來追蹤運動強度，不同的運動訓練模式等，并可以針對這一數(shù)據(jù)推算睡眠周期等與之關聯(lián)的健康行動數(shù)據(jù)。

睡眠時心率變化與睡眠狀態(tài)的關系圖

由于脈率隨著睡眠周期的變化而改變，睡眠加深時脈率減小，所以我們可以由睡眠時間的心率變化來監(jiān)測睡眠質量。但由于目前移動設備上的心率傳感器準確度偏低，所以可信度有待考量。據(jù)傳，為了保證心率測量的可信度，蘋果手表設計了四個心率傳感器用以準確測量心率。

目前醫(yī)院常用的為電極式心率傳感器，精度更高

目前心率傳感器有兩種，一種是通過光反射測量的光電心率傳感器以及利用人體不同部位電勢測量的電極式心率傳感器。前者盡管測量準確度欠佳，但優(yōu)勢在于體積小，所以目前所有的移動終端都用該種方式測量。后者在醫(yī)院中測量心電圖的時候我們經常會看到，通過測量人體不同點的電勢變化，從而測量出心率變化，該方法測量精準，但必須同時監(jiān)測人體的兩個部位，而我們平時用手機和手表的時候都是單手接觸產品，所以無法做到持續(xù)監(jiān)測。

對于心率傳感器，我們必須明白的事：

1、單純給出心率數(shù)值對你并沒有太大意義，如果能夠持續(xù)測量，并通過一段時間的心率數(shù)據(jù)給出睡眠質量／休息時間等健康建議則會對用戶有很大幫助。

2、.目前絕大部分移動終端用的都是光電心率傳感器，相比電極式心率傳感器誤差幾率較大。

3、電極式心率傳感器目前還無法應用于較小的穿戴設備上，但目前已經有廠商在為此而努力了。相信未來會成為高端設備的標志配件。

氣壓計

氣壓計是一個被埋沒但非常實用的小東西。它雖然僅能夠測量氣壓數(shù)據(jù)，但通過該數(shù)據(jù)我們可以精確得知機器的海拔高度。如果監(jiān)測一段時間內的氣壓變化，還能獲得機器高度變化數(shù)據(jù)，從而為進一步的數(shù)據(jù)處理做準備。

有了氣壓計，得知高度，走在這樣的雙層路上就不用擔心無法導航了

運動腕表配備氣壓計，可為運動員提供海拔高度數(shù)據(jù)

那么氣壓計到底通過測量出來的高度數(shù)據(jù)，能給用戶帶來什么好處呢？戶外運動員可以直觀的了解自己所在的高度；未來導航地圖不僅可以知道我們所在的平面位置， 甚至還能知道我們所在的樓層，而這絕對是未來導航發(fā)展的必然趨勢；現(xiàn)在穿戴設備只能偵測人們每天所走的步數(shù)，而擁有氣壓計還能偵測所走過的樓梯數(shù)，從而令消耗卡路里數(shù)據(jù)更準確。

對于氣壓計，我們必須明白的事：

1、既然是測量氣壓的元件，那么氣壓變化異常也勢必會影響用戶得到信息的有效性。例如在飛機飛行的時候，為了乘客舒適都會為機艙加壓，此時飛機內部的氣壓值與外部不同，我們也就無法得到正確的高度信息了。

2、目前氣壓計已經廣泛應用于移動終端中，但由于缺乏應用軟件支持，它們經常被用戶冷落。

3、氣壓計是非常實用的元件，我們登山時可以利用搭載它的設備讀取海拔高度信息。

總結

穿戴式智能設備的出現(xiàn), 為我們帶來了全新的生活方式, 但由于科技水平及成本水平等其他因素的限制, 現(xiàn)在穿戴式智能設備成熟度還不夠, 不能難達到令人滿意的期望。不過，作為很重要的傳感器一環(huán)，特別是可穿戴智能設備的各類功能，都有賴各類傳感器功能性融合和創(chuàng)新來實現(xiàn)，因此，要開發(fā)出更精確，小型化，集成化的傳感器，才能滿足需求。

未來，隨著現(xiàn)代“電子——傳感器”技術地不斷進步，可穿戴設備將一如既往向前發(fā)展。在此期間，各種新品傳感器層出不窮，傳感器的應用將會進入更加輝煌。

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