传感器在智能穿戴设备中的应用

可穿戴设备是一种可以安装在人、动物和物品上，并能感知、传递和处理信息的计算设备，传感器是可穿戴设备的核心器件，可穿戴设备中的传感器是人类感官的延伸，增强了人类“第六感”功能。

随着生物科技的发展，以及传感器小微型化与智能化方向的发展，可穿戴设备也许将会进化成植入人体的智能设备。

在各种令人耳目一新的可穿戴式设备中，都有一个关键装置——传感器。它可以感受外界情况的变化，比如冷暖、快慢，并作出相应的反应，就像我们的皮肤一样。

可穿戴设备中都有哪些传感器

一般来说，可穿戴设备中的传感器的主要可分为以下几个大类。

一、运动传感器

运动传感器运动控制传感器是一种将非电量（如速度、压力）的变化转变为电量变化的原件。包括：加速度传感器、陀螺仪、地磁传感器或者说电子罗盘传感器、大气压传感器(通过测量大气压力可以计算出海拔高度)等。

这些传感器主要实现的功能有运动探测、导航、娱乐、人机交互等，其中电子罗盘传感器可以用于测量方向，实现或辅助导航。生命在于运动，运动是生命中不可或缺的重要组成部分。因此，通过运动传感器随时随地测量、记录和分析人体的活动情况具有重大价值，用户可以知道跑步步数、游泳圈数、骑车距离、能量消耗和睡眠时间，甚至分析睡眠质量等

运动传感器的功能及实现原理

通过运动传感器随时随地测量、记录和分析人体的活动情况，用户可以知道跑步步数、游泳圈数、骑车距离、能量消耗和睡眠时间等，同时还能导航、娱乐、人机交互筀等。

以一种可穿戴式人体运动捕捉系统功能为例，为了能够实时捕捉人体运动,需设计了一套可穿戴式人体运动捕捉系统。它通过分布在人身体上的惯性测量单元来获取人体实时姿态信息,每个惯性测量单元由微型MEMS 3轴陀螺仪、MEMS 3轴加速度计、MEMS 3轴磁力计和MCU组成,MCU获得各传感器数据并利用基于四元数的扩展Kalman滤波解算出对应部位姿态角,通过CAN总线和Bluetooth模块将数据实时上传至计算机,计算机通过VC++和OpenGL程序驱动虚拟人体运动,实现实时人体运动再现。

运动传感器需要实现的功能包括对３种不同类型惯性器件传感数据的采集、姿态角结算和有线通信。运动传感器主要包括５个部分：ＭＣＵ、加速度传感器、陀螺仪传感器、磁力计和ＣＡＮ接口。ＭＣＵ包括同步串行通信总线（Ｉ２Ｃ）、异步接收发送器（ＵＡＲＴ）、按键等模块，它控制节点的一系列操作。节点由有线供电，ＭＣＵ控制３种传感器的数据采集、姿态角解算和ＣＡＮ收发。

硬件系统框图如下图所示：

二、生物传感器

生物传感器对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。

生物传感器包括血糖传感器、血压传感器、心电传感器、肌电传感器、体温传感器、脑电波传感器等，这些传感器主要实现的功能包括健康和医疗监控、娱乐等。

生物传感器实现的功能及实现原理

健康预警、病情监控，借助可穿戴技术，医生可以提高诊断水平，家人也可以与患者进行更好的沟通。

例如由血压传感器构成的可穿戴医疗设备，可以对用户身体数据进行追踪和监测，分析提炼出医学诊断模型，预测和塑造用户的健康发展状况，为用户提供个体化心血管专项贴身医疗及健康管理方案，同时也帮助家人关怀亲人的健康状况。

血压监测仪是通过传感器来检测人体动脉血管壁震动引起的袖带压力微小变化，最常用的方法是振荡法，其基本原理是利用捆绑在手臂上的袖带，通过充气泵向袖带充气，以阻断血管中脉动的传播，达到一定压力(一般为124~316kPa)后开始放气，当气压到一定程度，血流就能通过血管，且有一定量振荡波，逐渐放气，振荡波愈来愈大，再放气，由于袖带与手臂的接触越来越松，因此，压力传感器所检测到的压力及波动则越来越小，压力传感器就能实时检测到袖带内的压力及波动。而振荡波通过气管传播到机器里的压力传感器，经过相应的放大、滤波电路、模拟/数字信号转换、中央处理器控制等处理环节，将通过袖带传递到气路中的脉动信号和压力信号转换成数字信号，然后经过进一步处理，得出血压的收缩压、舒张压、平均压等数据。这种动态血压监测仪可通过蓝牙、USB连接到移动设备上，将数据上传至医护人员，平时被使用者穿在外面，提供24小时的血压监控。

此外，通过脑电、心电等传感器感知人类情绪变化的可穿戴设备能够实现娱乐互动。如意念猫耳朵采用了NeuroSky(神念科技)先进的TGAM脑电芯片，该芯片可以读取人的脑电波。不同模式的脑电波代表人所处的情绪和状态也是不同的。芯片会将代表人情绪状态的脑电信号转化成猫耳朵可以识别的数字信号，从而执行相应的指令，完成不同的动作。比如当人处于专注状态时，它就会高高立起，放松时，它则会耸拉下来。

三、环境传感器

环境传感器包括：土壤温度传感器、空气温湿度传感器、蒸发传感器、雨量传感器、光照传感器、风速风向传感器等，不仅能够精确的测量相关环境信息，还可以和上位机实现联网，最大限度满足用户对被测物数据的测试、记录和存储，是科研、教学、实验室和农业部门土肥站、农科所及相关农业环境监测部门首选的高质量仪器。

环境传感器实现的功能及实现原理

当今世界，人们经常会处于一些对健康有威胁的环境中，比如空气/水污染、噪音/光污染、电磁辐射、极端气候等。更可怕的是，很多时候我们处身于这样的环境中却浑然不知，如pm2.5污染，从而引发各种慢性疾病。用颗粒物传感器构成的空气质量检测装置——pm2.5便携式检测仪，可佩戴在人体上，既可单独显示，也可结合手机使用并分享给好友。

pm2.5便携式检测通过采气泵粉尘仪将待测气溶胶吸入检测舱，待测气溶胶在粉尘仪分流处分流成为两部分，一部分经过一个高效过滤器后被过滤为干净的空气，作为保护鞘气来保护传感器室的元器件不受待测气体污染。另一部分气溶胶,作为待测样品直接进入传感器室。

微粒和分子在光的照射下会产生光的散射现象，与此同时，还吸收部分照射光的能量。当一束平行单色光入射到被测颗粒场时，会受到颗粒周围散射和吸收的影响，光强将被衰减。如此一来便可求得入射光通过待测浓度场的相对衰减率。而相对衰减率的大小基本上能线性反应待测场灰尘的相对浓度。光强的大小与经光电转换的电信号强弱成正比，通过测得电信号就可以求得相对衰减率。

可穿戴设备中那些鲜为人知的传感器

皮电传感器

相信每一位读者都有这样的经历，当你要从事一项非常重要的任务之前，你会觉得紧张，焦虑以至于手脚冒汗。这种心理反应转化成生理反应的过程，我们是可以通过皮电传感器探测出来。

Sensoree的心情毛衣利用皮电反应感知人们的心情，并用不同颜色灯光表现

皮电传感器是测谎仪的重要组成部分

测谎仪结合皮电传感器，呼吸速率传感器以及心率传感器共同工作。

需要注意的是皮电传感器并不能测试出用户的喜怒哀乐，只能感受到用户心理状态是否变化，而通过这种变化，我们可以得到一些结论。例如通过测谎仪的皮电传感器感应被测者说话时的心理变化，从而断定是否说谎。

例如有研究表明，人们在一天的活动中，早晨刚醒以及晚上睡觉时候人体皮电反应水平较低，而上午和下午的某一个时段的皮电水平相对较高，而这一时段正是我们学习或者工作效率最高的时段。

如果通过皮电传感器检测我们几天的人体皮电反应水平，通过皮电波形高低，我们就可以得知自己每天哪一个时段的工作效率最高了。

对于皮电传感器，我们必须明白的事：

1、人体皮电反应受温度，人体活动以及心理反应三个因素影响，皮电传感器因此会收到影响，准确性有待检验。

2、人们一天会拥有众多情绪，每一天所产生情绪的时间、情绪类别皆不同，就算我们准确测量出皮电反应情况，归类整理这些数据并给出科学的建议依然是厂商最头痛的问题。

心率传感器

作为个人健康设备的超级武器，以率传感器可以通过监测心率来追踪运动强度，不同的运动训练模式等，并可以针对这一数据推算睡眠周期等与之关联的健康行动数据。

睡眠时心率变化与睡眠状态的关系图

由于脉率随着睡眠周期的变化而改变，睡眠加深时脉率减小，所以我们可以由睡眠时间的心率变化来监测睡眠质量。但由于目前移动设备上的心率传感器准确度偏低，所以可信度有待考量。据传，为了保证心率测量的可信度，苹果手表设计了四个心率传感器用以准确测量心率。

目前医院常用的为电极式心率传感器，精度更高

目前心率传感器有两种，一种是通过光反射测量的光电心率传感器以及利用人体不同部位电势测量的电极式心率传感器。前者尽管测量准确度欠佳，但优势在于体积小，所以目前所有的移动终端都用该种方式测量。后者在医院中测量心电图的时候我们经常会看到，通过测量人体不同点的电势变化，从而测量出心率变化，该方法测量精准，但必须同时监测人体的两个部位，而我们平时用手机和手表的时候都是单手接触产品，所以无法做到持续监测。

对于心率传感器，我们必须明白的事：

1、单纯给出心率数值对你并没有太大意义，如果能够持续测量，并通过一段时间的心率数据给出睡眠质量／休息时间等健康建议则会对用户有很大帮助。

2、.目前绝大部分移动终端用的都是光电心率传感器，相比电极式心率传感器误差几率较大。

3、电极式心率传感器目前还无法应用于较小的穿戴设备上，但目前已经有厂商在为此而努力了。相信未来会成为高端设备的标志配件。

气压计

气压计是一个被埋没但非常实用的小东西。它虽然仅能够测量气压数据，但通过该数据我们可以精确得知机器的海拔高度。如果监测一段时间内的气压变化，还能获得机器高度变化数据，从而为进一步的数据处理做准备。

有了气压计，得知高度，走在这样的双层路上就不用担心无法导航了

运动腕表配备气压计，可为运动员提供海拔高度数据

那么气压计到底通过测量出来的高度数据，能给用户带来什么好处呢？户外运动员可以直观的了解自己所在的高度；未来导航地图不仅可以知道我们所在的平面位置， 甚至还能知道我们所在的楼层，而这绝对是未来导航发展的必然趋势；现在穿戴设备只能侦测人们每天所走的步数，而拥有气压计还能侦测所走过的楼梯数，从而令消耗卡路里数据更准确。

对于气压计，我们必须明白的事：

1、既然是测量气压的元件，那么气压变化异常也势必会影响用户得到信息的有效性。例如在飞机飞行的时候，为了乘客舒适都会为机舱加压，此时飞机内部的气压值与外部不同，我们也就无法得到正确的高度信息了。

2、目前气压计已经广泛应用于移动终端中，但由于缺乏应用软件支持，它们经常被用户冷落。

3、气压计是非常实用的元件，我们登山时可以利用搭载它的设备读取海拔高度信息。

总结

穿戴式智能设备的出现, 为我们带来了全新的生活方式, 但由于科技水平及成本水平等其他因素的限制, 现在穿戴式智能设备成熟度还不够, 不能难达到令人满意的期望。不过，作为很重要的传感器一环，特别是可穿戴智能设备的各类功能，都有赖各类传感器功能性融合和创新来实现，因此，要开发出更精确，小型化，集成化的传感器，才能满足需求。

未来，随着现代“电子——传感器”技术地不断进步，可穿戴设备将一如既往向前发展。在此期间，各种新品传感器层出不穷，传感器的应用将会进入更加辉煌。

审核编辑：刘清