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(dòng)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(lèi)感官的延伸，增強了人類(lèi)“第六感”功能。

隨著(zhù)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(huì )進(jìn)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(gè)關(guān)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(lái)說(shuō)，可穿戴設備中的傳感器的主要可分為以下幾個(gè)大類(lèi)。

一、運動(dòng)傳感器

運動(dòng)傳感器運動(dòng)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?。包括：加速度傳感器、陀螺儀、地磁傳感器或者說(shuō)電子羅盤(pán)傳感器、大氣壓傳感器(通過(guò)測量大氣壓力可以計算出海拔高度)等。

這些傳感器主要實(shí)現的功能有運動(dòng)探測、導航、娛樂(lè )、人機交互等，其中電子羅盤(pán)傳感器可以用于測量方向，實(shí)現或輔助導航。生命在于運動(dòng)，運動(dòng)是生命中不可或缺的重要組成部分。因此，通過(guò)運動(dòng)傳感器隨時(shí)隨地測量、記錄和分析人體的活動(dòng)情況具有重大價(jià)值，用戶(hù)可以知道跑步步數、游泳圈數、騎車(chē)距離、能量消耗和睡眠時(shí)間，甚至分析睡眠質(zhì)量等

運動(dòng)傳感器的功能及實(shí)現原理

通過(guò)運動(dòng)傳感器隨時(shí)隨地測量、記錄和分析人體的活動(dòng)情況，用戶(hù)可以知道跑步步數、游泳圈數、騎車(chē)距離、能量消耗和睡眠時(shí)間等，同時(shí)還能導航、娛樂(lè )、人機交互筀等。

以一種可穿戴式人體運動(dòng)捕捉系統功能為例，為了能夠實(shí)時(shí)捕捉人體運動(dòng),需設計了一套可穿戴式人體運動(dòng)捕捉系統。它通過(guò)分布在人身體上的慣性測量單元來(lái)獲取人體實(shí)時(shí)姿態(tài)信息,每個(gè)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獲得各傳感器數據并利用基于四元數的擴展Kalman濾波解算出對應部位姿態(tài)角,通過(guò)CAN總線(xiàn)和Bluetooth模塊將數據實(shí)時(shí)上傳至計算機,計算機通過(guò)VC++和OpenGL程序驅動(dòng)虛擬人體運動(dòng),實(shí)現實(shí)時(shí)人體運動(dòng)再現。

運動(dòng)傳感器需要實(shí)現的功能包括對３種不同類(lèi)型慣性器件傳感數據的采集、姿態(tài)角結算和有線(xiàn)通信。運動(dòng)傳感器主要包括５個(gè)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(xiàn)（Ｉ２Ｃ）、異步接收發(fā)送器（ＵＡＲＴ）、按鍵等模塊，它控制節點(diǎn)的一系列操作。節點(diǎn)由有線(xiàn)供電，ＭＣＵ控制３種傳感器的數據采集、姿態(tài)角解算和ＣＡＮ收發(fā)。

硬件系統框圖如下圖所示：

二、生物傳感器

生物傳感器對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉換為電信號進(jìn)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(zhì)）與適當的理化換能器（如氧電極、光敏管、場(chǎng)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。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(shí)現的功能包括健康和醫療監控、娛樂(lè )等。

生物傳感器實(shí)現的功能及實(shí)現原理

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

例如由血壓傳感器構成的可穿戴醫療設備，可以對用戶(hù)身體數據進(jìn)行追蹤和監測，分析提煉出醫學(xué)診斷模型，預測和塑造用戶(hù)的健康發(fā)展狀況，為用戶(hù)提供個(gè)體化心血管專(zhuān)項貼身醫療及健康管理方案，同時(shí)也幫助家人關(guān)懷親人的健康狀況。

血壓監測儀是通過(guò)傳感器來(lái)檢測人體動(dòng)脈血管壁震動(dòng)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(guò)充氣泵向袖帶充氣，以阻斷血管中脈動(dòng)的傳播，達到一定壓力(一般為124~316kPa)后開(kāi)始放氣，當氣壓到一定程度，血流就能通過(guò)血管，且有一定量振蕩波，逐漸放氣，振蕩波愈來(lái)愈大，再放氣，由于袖帶與手臂的接觸越來(lái)越松，因此，壓力傳感器所檢測到的壓力及波動(dòng)則越來(lái)越小，壓力傳感器就能實(shí)時(shí)檢測到袖帶內的壓力及波動(dòng)。而振蕩波通過(guò)氣管傳播到機器里的壓力傳感器，經(jīng)過(guò)相應的放大、濾波電路、模擬/數字信號轉換、中央處理器控制等處理環(huán)節，將通過(guò)袖帶傳遞到氣路中的脈動(dòng)信號和壓力信號轉換成數字信號，然后經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理，得出血壓的收縮壓、舒張壓、平均壓等數據。這種動(dòng)態(tài)血壓監測儀可通過(guò)藍牙、USB連接到移動(dòng)設備上，將數據上傳至醫護人員，平時(shí)被使用者穿在外面，提供24小時(shí)的血壓監控。

此外，通過(guò)腦電、心電等傳感器感知人類(lèi)情緒變化的可穿戴設備能夠實(shí)現娛樂(lè )互動(dòng)。如意念貓耳朵采用了NeuroSky(神念科技)先進(jìn)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(huì )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字信號，從而執行相應的指令，完成不同的動(dòng)作。比如當人處于專(zhuān)注狀態(tài)時(shí)，它就會(huì )高高立起，放松時(shí)，它則會(huì )聳拉下來(lái)。

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(fēng)速風(fēng)向傳感器等，不僅能夠精確的測量相關(guān)環(huán)境信息，還可以和上位機實(shí)現聯(lián)網(wǎng)，最大限度滿(mǎn)足用戶(hù)對被測物數據的測試、記錄和存儲，是科研、教學(xué)、實(shí)驗室和農業(yè)部門(mén)土肥站、農科所及相關(guān)農業(yè)環(huán)境監測部門(mén)首選的高質(zhì)量?jì)x器。

環(huán)境傳感器實(shí)現的功能及實(shí)現原理

當今世界，人們經(jīng)常會(huì )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(shí)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(zhì)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(guò)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(jīng)過(guò)一個(gè)高效過(guò)濾器后被過(guò)濾為干凈的空氣，作為保護鞘氣來(lái)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(jìn)入傳感器室。

微粒和分子在光的照射下會(huì )產(chǎn)生光的散射現象，與此同時(shí)，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(chǎng)時(shí)，會(huì )受到顆粒周?chē)⑸浜臀盏挠绊?，光強將被衰減。如此一來(lái)便可求得入射光通過(guò)待測濃度場(chǎng)的相對衰減率。而相對衰減率的大小基本上能線(xiàn)性反應待測場(chǎng)灰塵的相對濃度。光強的大小與經(jīng)光電轉換的電信號強弱成正比，通過(guò)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(jīng)歷，當你要從事一項非常重要的任務(wù)之前，你會(huì )覺(jué)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(guò)程，我們是可以通過(guò)皮電傳感器探測出來(lái)。

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

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(hù)的喜怒哀樂(lè )，只能感受到用戶(hù)心理狀態(tài)是否變化，而通過(guò)這種變化，我們可以得到一些結論。例如通過(guò)測謊儀的皮電傳感器感應被測者說(shuō)話(huà)時(shí)的心理變化，從而斷定是否說(shuō)謊。

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

如果通過(guò)皮電傳感器檢測我們幾天的人體皮電反應水平，通過(guò)皮電波形高低，我們就可以得知自己每天哪一個(gè)時(shí)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(dòng)以及心理反應三個(gè)因素影響，皮電傳感器因此會(huì )收到影響，準確性有待檢驗。

2、人們一天會(huì )擁有眾多情緒，每一天所產(chǎn)生情緒的時(shí)間、情緒類(lèi)別皆不同，就算我們準確測量出皮電反應情況，歸類(lèi)整理這些數據并給出科學(xué)的建議依然是廠(chǎng)商最頭痛的問(wèn)題。

心率傳感器

作為個(gè)人健康設備的超級武器，以率傳感器可以通過(guò)監測心率來(lái)追蹤運動(dòng)強度，不同的運動(dòng)訓練模式等，并可以針對這一數據推算睡眠周期等與之關(guān)聯(lián)的健康行動(dòng)數據。

睡眠時(shí)心率變化與睡眠狀態(tài)的關(guān)系圖

由于脈率隨著(zhù)睡眠周期的變化而改變，睡眠加深時(shí)脈率減小，所以我們可以由睡眠時(shí)間的心率變化來(lái)監測睡眠質(zhì)量。但由于目前移動(dòng)設備上的心率傳感器準確度偏低，所以可信度有待考量。據傳，為了保證心率測量的可信度，蘋(píng)果手表設計了四個(gè)心率傳感器用以準確測量心率。

目前醫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(guò)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(dòng)終端都用該種方式測量。后者在醫院中測量心電圖的時(shí)候我們經(jīng)常會(huì )看到，通過(guò)測量人體不同點(diǎn)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(shí)監測人體的兩個(gè)部位，而我們平時(shí)用手機和手表的時(shí)候都是單手接觸產(chǎn)品，所以無(wú)法做到持續監測。

對于心率傳感器，我們必須明白的事：

1、單純給出心率數值對你并沒(méi)有太大意義，如果能夠持續測量，并通過(guò)一段時(shí)間的心率數據給出睡眠質(zhì)量／休息時(shí)間等健康建議則會(huì )對用戶(hù)有很大幫助。

2、.目前絕大部分移動(dòng)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(wú)法應用于較小的穿戴設備上，但目前已經(jīng)有廠(chǎng)商在為此而努力了。相信未來(lái)會(huì )成為高端設備的標志配件。

氣壓計

氣壓計是一個(gè)被埋沒(méi)但非常實(shí)用的小東西。它雖然僅能夠測量氣壓數據，但通過(guò)該數據我們可以精確得知機器的海拔高度。如果監測一段時(shí)間內的氣壓變化，還能獲得機器高度變化數據，從而為進(jìn)一步的數據處理做準備。

有了氣壓計，得知高度，走在這樣的雙層路上就不用擔心無(wú)法導航了

運動(dòng)腕表配備氣壓計，可為運動(dòng)員提供海拔高度數據

那么氣壓計到底通過(guò)測量出來(lái)的高度數據，能給用戶(hù)帶來(lái)什么好處呢？戶(hù)外運動(dòng)員可以直觀(guān)的了解自己所在的高度；未來(lái)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(lái)導航發(fā)展的必然趨勢；現在穿戴設備只能偵測人們每天所走的步數，而擁有氣壓計還能偵測所走過(guò)的樓梯數，從而令消耗卡路里數據更準確。

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(huì )影響用戶(hù)得到信息的有效性。例如在飛機飛行的時(shí)候，為了乘客舒適都會(huì )為機艙加壓，此時(shí)飛機內部的氣壓值與外部不同，我們也就無(wú)法得到正確的高度信息了。

2、目前氣壓計已經(jīng)廣泛應用于移動(dòng)終端中，但由于缺乏應用軟件支持，它們經(jīng)常被用戶(hù)冷落。

3、氣壓計是非常實(shí)用的元件，我們登山時(shí)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, 為我們帶來(lái)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, 現在穿戴式智能設備成熟度還不夠, 不能難達到令人滿(mǎn)意的期望。不過(guò)，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(lèi)功能，都有賴(lài)各類(lèi)傳感器功能性融合和創(chuàng )新來(lái)實(shí)現，因此，要開(kāi)發(fā)出更精確，小型化，集成化的傳感器，才能滿(mǎn)足需求。

未來(lái)，隨著(zhù)現代“電子——傳感器”技術(shù)地不斷進(jìn)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(huì )進(jìn)入更加輝煌。

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