漫談智能穿戴設備中的感測器

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

隨著生物科技的發展，以及感測器小微型化與智能化方向的發展，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——感測器。它可以感受外界情況的變化，比如冷暖、快慢，並作出相應的反應，就像我們的皮膚一樣。

可穿戴設備中都有哪些感測器

一般來說，可穿戴設備中的感測器的主要可分為以下幾個大類。

一、運動感測器

運動感測器運動控制感測器是一種將非電量（如速度、壓力）的變化轉變為電量變化的原件。包括：加速度感測器、陀螺儀、地磁感測器或者說電子羅盤感測器、大氣壓感測器(通過測量大氣壓力可以計算出海拔高度)等。

這些感測器主要實現的功能有運動探測、導航、娛樂、人機交互等，其中電子羅盤感測器可以用於測量方向，實現或輔助導航。生命在於運動，運動是生命中不可或缺的重要組成部分。因此，通過運動感測器隨時隨地測量、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、游泳圈數、騎車距離、能量消耗和睡眠時間，甚至分析睡眠質量等

運動感測器的功能及實現原理

通過運動感測器隨時隨地測量、記錄和分析人體的活動情況，用戶可以知道跑步步數、游泳圈數、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。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獲得各感測器數據並利用基於四元數的擴展Kalman濾波解算出對應部位姿態角,通過CAN匯流排和Bluetooth模塊將數據實時上傳至計算機,計算機通過VC++和OpenGL程序驅動虛擬人體運動,實現實時人體運動再現。

運動感測器需要實現的功能包括對３種不同類型慣性器件感測數據的採集、姿態角結算和有線通信。運動感測器主要包括５個部分：ＭＣＵ、加速度感測器、陀螺儀感測器、磁力計和ＣＡＮ介面。ＭＣＵ包括同步串列通信匯流排（Ｉ２Ｃ）、非同步接收發送器（ＵＡＲＴ）、按鍵等模塊，它控制節點的一系列操作。節點由有線供電，ＭＣＵ控制３種感測器的數據採集、姿態角解算和ＣＡＮ收發。

硬體系統框圖如下圖所示：

二、生物感測器

生物感測器對生物物質敏感並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）與適當的理化換能器（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。生物感測器具有接受器與轉換器的功能。

生物感測器包括血糖感測器、血壓感測器、心電感測器、肌電感測器、體溫感測器、腦電波感測器等，這些感測器主要實現的功能包括健康和醫療監控、娛樂等。

生物感測器實現的功能及實現原理

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

例如由血壓感測器構成的可穿戴醫療設備，可以對用戶身體數據進行追蹤和監測，分析提煉出醫學診斷模型，預測和塑造用戶的健康發展狀況，為用戶提供個體化心血管專項貼身醫療及健康管理方案，同時也幫助家人關懷親人的健康狀況。

血壓監測儀是通過感測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)後開始放氣，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，由於袖帶與手臂的接觸越來越松，因此，壓力感測器所檢測到的壓力及波動則越來越小，壓力感測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感測器，經過相應的放大、濾波電路、模擬/數字信號轉換、中央處理器控制等處理環節，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字信號，然後經過進一步處理，得出血壓的收縮壓、舒張壓、平均壓等數據。這種動態血壓監測儀可通過藍牙、USB連接到移動設備上，將數據上傳至醫護人員，平時被使用者穿在外面，提供24小時的血壓監控。

此外，通過腦電、心電等感測器感知人類情緒變化的可穿戴設備能夠實現娛樂互動。如意念貓耳朵採用了NeuroSky(神念科技)先進的TGAM腦電晶元，該晶元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也是不同的。晶元會將代表人情緒狀態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，完成不同的動作。比如當人處於專註狀態時，它就會高高立起，放鬆時，它則會聳拉下來。

三、環境感測器

環境感測器包括：土壤溫度感測器、空氣溫濕度感測器、蒸發感測器、雨量感測器、光照感測器、風速風向感測器等，不僅能夠精確的測量相關環境信息，還可以和上位機實現聯網，最大限度滿足用戶對被測物數據的測試、記錄和存儲，是科研、教學、實驗室和農業部門土肥站、農科所及相關農業環境監測部門首選的高質量儀器。

環境感測器實現的功能及實現原理

當今世界，人們經常會處於一些對健康有威脅的環境中，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，很多時候我們處身於這樣的環境中卻渾然不知，如pm2.5污染，從而引發各種慢性疾病。用顆粒物感測器構成的空氣質量檢測裝置——pm2.5攜帶型檢測儀，可佩戴在人體上，既可單獨顯示，也可結合手機使用並分享給好友。

pm2.5攜帶型檢測通過採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後被過濾為乾淨的空氣，作為保護鞘氣來保護感測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感測器室。

微粒和分子在光的照射下會產生光的散射現象，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感測器

皮電感測器

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，焦慮以至於手腳冒汗。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感測器探測出來。

Sensoree的心情毛衣利用皮電反應感知人們的心情，並用不同顏色燈光表現

皮電感測器是測謊儀的重要組成部分

測謊儀結合皮電感測器，呼吸速率感測器以及心率感測器共同工作。

需要注意的是皮電感測器並不能測試出用戶的喜怒哀樂，只能感受到用戶心理狀態是否變化，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感測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。

如果通過皮電感測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。

對於皮電感測器，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，皮電感測器因此會收到影響，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，歸類整理這些數據並給出科學的建議依然是廠商最頭痛的問題。

心率感測器

作為個人健康設備的超級武器，以率感測器可以通過監測心率來追蹤運動強度，不同的運動訓練模式等，並可以針對這一數據推算睡眠周期等與之關聯的健康行動數據。

睡眠時心率變化與睡眠狀態的關係圖

由於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測睡眠質量。但由於目前移動設備上的心率感測器準確度偏低，所以可信度有待考量。據傳，為了保證心率測量的可信度，蘋果手錶設計了四個心率感測器用以準確測量心率。

目前醫院常用的為電極式心率感測器，精度更高

目前心率感測器有兩種，一種是通過光反射測量的光電心率感測器以及利用人體不同部位電勢測量的電極式心率感測器。前者儘管測量準確度欠佳，但優勢在於體積小，所以目前所有的移動終端都用該種方式測量。後者在醫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，但必須同時監測人體的兩個部位，而我們平時用手機和手錶的時候都是單手接觸產品，所以無法做到持續監測。

對於心率感測器，我們必須明白的事：

1、單純給出心率數值對你並沒有太大意義，如果能夠持續測量，並通過一段時間的心率數據給出睡眠質量／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感測器，相比電極式心率感測器誤差幾率較大。

3、電極式心率感測器目前還無法應用於較小的穿戴設備上，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誌配件。

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據，但通過該數據我們可以精確得知機器的海拔高度。如果監測一段時間內的氣壓變化，還能獲得機器高度變化數據，從而為進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法導航了

運動腕錶配備氣壓計，可為運動員提供海拔高度數據

那麼氣壓計到底通過測量出來的高度數據，能給用戶帶來什麼好處呢？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的樓梯數，從而令消耗卡路里數據更準確。

對於氣壓計，我們必須明白的事：

1、既然是測量氣壓的元件，那麼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於移動終端中，但由於缺乏應用軟體支持，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, 為我們帶來了全新的生活方式, 但由於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, 不能難達到令人滿意的期望。不過，作為很重要的感測器一環，特別是可穿戴智能設備的各類功能，都有賴各類感測器功能性融合和創新來實現，因此，要開發出更精確，小型化，集成化的感測器，才能滿足需求。

未來，隨著現代「電子——感測器」技術地不斷進步，可穿戴設備將一如既往向前發展。在此期間，各種新品感測器層出不窮，感測器的應用將會進入更加輝

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