智能穿戴設(shè)備中的傳感器

可穿戴設(shè)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(jì)算設(shè)備，傳感器是可穿戴設(shè)備的核心器件，可穿戴設(shè)備中的傳感器是人類感官的延伸，增強(qiáng)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(shè)備也許將會(huì)進(jìn)化成植入人體的智能設(shè)備。

在各種令人耳目一新的可穿戴式設(shè)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(yīng)的反應(yīng)，就像我們的皮膚一樣。

可穿戴設(shè)備中都有哪些傳感器

一般來(lái)說(shuō)，可穿戴設(shè)備中的傳感器的主要可分為以下幾個(gè)大類。

一、運(yùn)動(dòng)傳感器

運(yùn)動(dòng)傳感器運(yùn)動(dòng)控制傳感器是一種將非電量（如速度、壓力）的變化轉(zhuǎn)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)電子羅盤傳感器、大氣壓傳感器(通過(guò)測(cè)量大氣壓力可以計(jì)算出海拔高度)等。

這些傳感器主要實(shí)現(xiàn)的功能有運(yùn)動(dòng)探測(cè)、導(dǎo)航、娛樂(lè)、人機(jī)交互等，其中電子羅盤傳感器可以用于測(cè)量方向，實(shí)現(xiàn)或輔助導(dǎo)航。生命在于運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)是生命中不可或缺的重要組成部分。因此，通過(guò)運(yùn)動(dòng)傳感器隨時(shí)隨地測(cè)量、記錄和分析人體的活動(dòng)情況具有重大價(jià)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(shí)間，甚至分析睡眠質(zhì)量等

運(yùn)動(dòng)傳感器的功能及實(shí)現(xiàn)原理

通過(guò)運(yùn)動(dòng)傳感器隨時(shí)隨地測(cè)量、記錄和分析人體的活動(dòng)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(shí)間等，同時(shí)還能導(dǎo)航、娛樂(lè)、人機(jī)交互筀等。

以一種可穿戴式人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)功能為例，為了能夠?qū)崟r(shí)捕捉人體運(yùn)動(dòng),需設(shè)計(jì)了一套可穿戴式人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)。它通過(guò)分布在人身體上的慣性測(cè)量單元來(lái)獲取人體實(shí)時(shí)姿態(tài)信息,每個(gè)慣性測(cè)量單元由微型MEMS 3軸陀螺儀、MEMS 3軸加速度計(jì)、MEMS 3軸磁力計(jì)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(kuò)展Kalman濾波解算出對(duì)應(yīng)部位姿態(tài)角,通過(guò)CAN總線和Bluetooth模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)通過(guò)VC++和OpenGL程序驅(qū)動(dòng)虛擬人體運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)人體運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)。

運(yùn)動(dòng)傳感器需要實(shí)現(xiàn)的功能包括對(duì)３種不同類型慣性器件傳感數(shù)據(jù)的采集、姿態(tài)角結(jié)算和有線通信。運(yùn)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(jì)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(diǎn)的一系列操作。節(jié)點(diǎn)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(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器。是由固定化的生物敏感材料作識(shí)別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）與適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器（如氧電極、光敏管、場(chǎng)效應(yīng)管、壓電晶體等等）及信號(hào)放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)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(xiàn)的功能包括健康和醫(yī)療監(jiān)控、娛樂(lè)等。

生物傳感器實(shí)現(xiàn)的功能及實(shí)現(xiàn)原理

健康預(yù)警、病情監(jiān)控，借助可穿戴技術(shù)，醫(yī)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(gòu)成的可穿戴醫(yī)療設(shè)備，可以對(duì)用戶身體數(shù)據(jù)進(jìn)行追蹤和監(jiān)測(cè)，分析提煉出醫(yī)學(xué)診斷模型，預(yù)測(cè)和塑造用戶的健康發(fā)展?fàn)顩r，為用戶提供個(gè)體化心血管專項(xiàng)貼身醫(yī)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(jiān)測(cè)儀是通過(guò)傳感器來(lái)檢測(cè)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(dá)到一定壓力(一般為124~316kPa)后開(kāi)始放氣，當(dāng)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(cè)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(cè)到袖帶內(nèi)的壓力及波動(dòng)。而振蕩波通過(guò)氣管傳播到機(jī)器里的壓力傳感器，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的放大、濾波電路、模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換、中央處理器控制等處理環(huán)節(jié)，將通過(guò)袖帶傳遞到氣路中的脈動(dòng)信號(hào)和壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，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(shù)據(jù)。這種動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)儀可通過(guò)藍(lán)牙、USB連接到移動(dòng)設(shè)備上，將數(shù)據(jù)上傳至醫(yī)護(hù)人員，平時(shí)被使用者穿在外面，提供24小時(shí)的血壓監(jiān)控。

此外，通過(guò)腦電、心電等傳感器感知人類情緒變化的可穿戴設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)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(hào)轉(zhuǎn)化成貓耳朵可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，從而執(zhí)行相應(yīng)的指令，完成不同的動(dòng)作。比如當(dāng)人處于專注狀態(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(cè)量相關(guān)環(huán)境信息，還可以和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，最大限度滿足用戶對(duì)被測(cè)物數(shù)據(jù)的測(cè)試、記錄和存儲(chǔ)，是科研、教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室和農(nóng)業(yè)部門土肥站、農(nóng)科所及相關(guān)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)部門首選的高質(zhì)量?jī)x器。

環(huán)境傳感器實(shí)現(xiàn)的功能及實(shí)現(xiàn)原理

當(dāng)今世界，人們經(jīng)常會(huì)處于一些對(duì)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(gòu)成的空氣質(zhì)量檢測(cè)裝置——pm2.5便攜式檢測(cè)儀，可佩戴在人體上，既可單獨(dú)顯示，也可結(jié)合手機(jī)使用并分享給好友。

pm2.5便攜式檢測(cè)通過(guò)采氣泵粉塵儀將待測(cè)氣溶膠吸入檢測(cè)艙，待測(cè)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(hù)鞘氣來(lái)保護(hù)傳感器室的元器件不受待測(cè)氣體污染。另一部分氣溶膠,作為待測(cè)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(xiàn)象，與此同時(shí)，還吸收部分照射光的能量。當(dāng)一束平行單色光入射到被測(cè)顆粒場(chǎng)時(shí)，會(huì)受到顆粒周圍散射和吸收的影響，光強(qiáng)將被衰減。如此一來(lái)便可求得入射光通過(guò)待測(cè)濃度場(chǎng)的相對(duì)衰減率。而相對(duì)衰減率的大小基本上能線性反應(yīng)待測(cè)場(chǎng)灰塵的相對(duì)濃度。光強(qiáng)的大小與經(jīng)光電轉(zhuǎn)換的電信號(hào)強(qiáng)弱成正比，通過(guò)測(cè)得電信號(hào)就可以求得相對(duì)衰減率。

可穿戴設(shè)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(dāng)你要從事一項(xiàng)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(yīng)轉(zhuǎn)化成生理反應(yīng)的過(guò)程，我們是可以通過(guò)皮電傳感器探測(cè)出來(lái)。

Sensoree的心情毛衣利用皮電反應(yīng)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(cè)謊儀的重要組成部分

測(cè)謊儀結(jié)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(cè)試出用戶的喜怒哀樂(lè)，只能感受到用戶心理狀態(tài)是否變化，而通過(guò)這種變化，我們可以得到一些結(jié)論。例如通過(guò)測(cè)謊儀的皮電傳感器感應(yīng)被測(cè)者說(shuō)話時(shí)的心理變化，從而斷定是否說(shuō)謊。

例如有研究表明，人們?cè)谝惶斓幕顒?dòng)中，早晨剛醒以及晚上睡覺(jué)時(shí)候人體皮電反應(yīng)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(duì)較高，而這一時(shí)段正是我們學(xué)習(xí)或者工作效率最高的時(shí)段。

如果通過(guò)皮電傳感器檢測(cè)我們幾天的人體皮電反應(yīng)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(duì)于皮電傳感器，我們必須明白的事：

1、人體皮電反應(yīng)受溫度，人體活動(dòng)以及心理反應(yīng)三個(gè)因素影響，皮電傳感器因此會(huì)收到影響，準(zhǔn)確性有待檢驗(yàn)。

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、情緒類別皆不同，就算我們準(zhǔn)確測(cè)量出皮電反應(yīng)情況，歸類整理這些數(shù)據(jù)并給出科學(xué)的建議依然是廠商最頭痛的問(wèn)題。

心率傳感器

作為個(gè)人健康設(shè)備的超級(jí)武器，以率傳感器可以通過(guò)監(jiān)測(cè)心率來(lái)追蹤運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，不同的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練模式等，并可以針對(duì)這一數(shù)據(jù)推算睡眠周期等與之關(guān)聯(lián)的健康行動(dòng)數(shù)據(jù)。

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(jiān)測(cè)睡眠質(zhì)量。但由于目前移動(dòng)設(shè)備上的心率傳感器準(zhǔn)確度偏低，所以可信度有待考量。據(jù)傳，為了保證心率測(cè)量的可信度，蘋果手表設(shè)計(jì)了四個(gè)心率傳感器用以準(zhǔn)確測(cè)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(guò)光反射測(cè)量的光電心率傳感器以及利用人體不同部位電勢(shì)測(cè)量的電極式心率傳感器。前者盡管測(cè)量準(zhǔn)確度欠佳，但優(yōu)勢(shì)在于體積小，所以目前所有的移動(dòng)終端都用該種方式測(cè)量。后者在醫(yī)院中測(cè)量心電圖的時(shí)候我們經(jīng)常會(huì)看到，通過(guò)測(cè)量人體不同點(diǎn)的電勢(shì)變化，從而測(cè)量出心率變化，該方法測(cè)量精準(zhǔn)，但必須同時(shí)監(jiān)測(cè)人體的兩個(gè)部位，而我們平時(shí)用手機(jī)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(xù)監(jiān)測(cè)。

對(duì)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(duì)你并沒(méi)有太大意義，如果能夠持續(xù)測(cè)量，并通過(guò)一段時(shí)間的心率數(shù)據(jù)給出睡眠質(zhì)量／休息時(shí)間等健康建議則會(huì)對(duì)用戶有很大幫助。

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(yīng)用于較小的穿戴設(shè)備上，但目前已經(jīng)有廠商在為此而努力了。相信未來(lái)會(huì)成為高端設(shè)備的標(biāo)志配件。

氣壓計(jì)

氣壓計(jì)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(cè)量氣壓數(shù)據(jù)，但通過(guò)該數(shù)據(jù)我們可以精確得知機(jī)器的海拔高度。如果監(jiān)測(cè)一段時(shí)間內(nèi)的氣壓變化，還能獲得機(jī)器高度變化數(shù)據(jù)，從而為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理做準(zhǔn)備。

有了氣壓計(jì)，得知高度，走在這樣的雙層路上就不用擔(dān)心無(wú)法導(dǎo)航了

運(yùn)動(dòng)腕表配備氣壓計(jì)，可為運(yùn)動(dòng)員提供海拔高度數(shù)據(jù)

那么氣壓計(jì)到底通過(guò)測(cè)量出來(lái)的高度數(shù)據(jù)，能給用戶帶來(lái)什么好處呢？戶外運(yùn)動(dòng)員可以直觀的了解自己所在的高度；未來(lái)導(dǎo)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(duì)是未來(lái)導(dǎo)航發(fā)展的必然趨勢(shì)；現(xiàn)在穿戴設(shè)備只能偵測(cè)人們每天所走的步數(shù)，而擁有氣壓計(jì)還能偵測(cè)所走過(guò)的樓梯數(shù)，從而令消耗卡路里數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

對(duì)于氣壓計(jì)，我們必須明白的事：

1、既然是測(cè)量氣壓的元件，那么氣壓變化異常也勢(shì)必會(huì)影響用戶得到信息的有效性。例如在飛機(jī)飛行的時(shí)候，為了乘客舒適都會(huì)為機(jī)艙加壓，此時(shí)飛機(jī)內(nèi)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(jì)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于移動(dòng)終端中，但由于缺乏應(yīng)用軟件支持，它們經(jīng)常被用戶冷落。

3、氣壓計(jì)是非常實(shí)用的元件，我們登山時(shí)可以利用搭載它的設(shè)備讀取海拔高度信息。

總結(jié)

穿戴式智能設(shè)備的出現(xiàn), 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(xiàn)在穿戴式智能設(shè)備成熟度還不夠, 不能難達(dá)到令人滿意的期望。不過(guò)，作為很重要的傳感器一環(huán)，特別是可穿戴智能設(shè)備的各類功能，都有賴各類傳感器功能性融合和創(chuàng)新來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，要開(kāi)發(fā)出更精確，小型化，集成化的傳感器，才能滿足需求。

未來(lái)，隨著現(xiàn)代“電子——傳感器”技術(shù)地不斷進(jìn)步，可穿戴設(shè)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(yīng)用將會(huì)進(jìn)入更加輝煌。

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