可穿戴设备的传感器技术.docx

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1、可穿戴设备的传感器技术（共6页）-本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可-内页可以根据需求调整合适字体及大小-第二部分研究报告基于传感器技术在可穿戴设备中的应用研究（机械工程学院机械三班张志忠89）摘要：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。传感器简介传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量 的信息，并能将感受

2、到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的 信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。 传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。 它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了 触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功 能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声 敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。可穿戴等智能终端设备应用2013年是可穿戴设备元年，谷歌、三星、苹果、微软等科技界的佼佼者都 有计划或已推出可穿戴设备。互联网女皇玛丽米克尔也在互联网

3、报告 2013版中强调了可穿戴设备的增长潜力，认为这是下一个热门领域。目前上 市的可穿戴设备五花八门，从智能眼镜到智能手表，从智能服装到智能鞋子， 从高尔夫手套到拳击手套，但都和传感器技术有着千丝万缕的联系。回顾信息 技术发展历程，人类经历了计算时代、通讯时代，当前正步入“感知时代”，以 智能手机、可穿戴设备为代表的智能终端促使传感器需求呈现爆发式增长。随着传感器集成性，功能性和智能化的提升，可穿戴设备已经不仅仅局限 在人体的具体部位，而是在向全身布局，使其除了信息交互和通信，更具有了 医疗意义，甚至具备了外部环境，建筑等数据的收集，监控和传输服务。可穿戴设备的主要应用领域包括：以血糖、血压和

4、心率监测为代表的医疗 领域，以运动监测为代表的保健领域，以信息娱乐为代表的消费领域，以数据 采集和显示为代表的工业和军事领域。IMS研究指出，保健和医疗领域的可穿 戴设备占据今年60%市场份额，未来的份额可能会进一步提升。可穿戴设备中的传感器分类可穿戴设备中的传感器根据功能可以分为以下几类：一、运动传感器包括加速度传感器、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。国内传感器公司有美新半导体、明福传 感、矽睿科技、深迪半导体、士

5、兰微电子、敏芯微电子等。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二、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。国内的此类传感器公司有神念科技、敏芯微电子、芯敏微系 统、纳芯微电子等。借助可穿戴技术中应用的这些传感器，可以实现健康预 警、病情监控等，医生可以借此提高诊断水平，家人也可以与患者进行更好的 沟通。其中血压监测仪是通过传感

6、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 124316kPa）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

7、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。可穿戴式血氧饱和度监测仪则采 用数字/模拟信号转换控制LED双光源交替发光，以光频转换接收头为传感器， 将光强信号转换为频率信号，直接送入单片机采集。根据反射式原理计算得到结果，再以无线信号发送数据。有些血氧饱和度监测仪还针对动态环境下获取 的干扰进行消除计算处理，使得血氧饱和度数据更加精确。三、环境传感器包括温湿度传感器、气体传感器、pH传感器、紫外线传感 器、环境光传感器、颗粒物传感器或者说粉尘传感器

8、、气压传感器、麦克风 等，这传感器主要实现环境监测、天气预报、健康提醒等功能。国内传感器公 司有康森斯克电子、炜盛电子、艾谱科微电子、芯晨科技、敏芯微电子、芯奥 微传感当今世界，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，如污染，从而引发各种慢性疾病。利用此类的传感 器的穿戴产品可以实现环境监控，守护健康，让我们减少或减轻恶劣环境的影 响。可穿戴设备传感器原理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

9、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。皮肤之外的皮肤：在上述各种令人耳目一新的可穿戴式设备中，都有一个 关键装置一一传感器。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。传感器根据各自原理，可分为压阻式传感 器、压容式传感器、压电式传感器等。而传感器与纺织技术结合后发展成为电 子织物技术，其中用得较多的是压电式传感器和光纤。普通传感器如电阻或电 容传感器的性能受材料（或结构）力学滞后性和电滞后性影响，与电线或相关传感 器相比，光纤不仅不生热，而且

10、对电磁辐射不敏感，不受放电现象影响，所以 应用更为广泛。续航传感器由电池供电的可穿戴设备的目标是，利用一个小体积电池在不充电的情况 下长时间运行。要实现这一点，需要使用节能技术。嵌入可穿戴设备的MCU通 常可以支持多种低功率模式，也就是说，设备可以自动进入闲置状态。但从低 功率模式转换到活跃模式需要消耗一定的电能。这要求可穿戴设备降低模式转 换频率。然而，可穿戴设备中嵌入的传感器数量正在不断增加，因而微控制器 需要更加频繁地响应传感器，每次响应时均需要进行一次模式转换。东芝开发的这项技术将以固定时间间隔获取数据的多个传感器的独立 数据采集聚集在一起，从而降低了模式转换频率。这样可以减少模式转换

11、次 数，因而降低了模式转换功耗。另一方面，如果聚集作用导致数据采集出现关 键性失效，那么就会对应用程序的功能（比如活动监视器中的阶梯测量或行为分 析）产生重大的负面影响。东芝已经开发了一种通过优化数据采集时间来减少失 效率的聚集方法。东芝在未来数年内将继续研究这项技术，以期实现实际的应用，为可穿戴设备 提供一个超低功耗平台新型薄膜传感器能贴在肌肤上的可穿戴式传感器，由东京大学工学系研究科教授染谷隆夫 等人开发成功注1该传感器为薄膜状，单位面积的重量只有3g/m2据称，重量只有普通纸张的1/27左右。而且，厚度也只有2m。染谷等人于 10年前的2003年开发出了可在机器人的人工皮肤上使用的薄型传

12、感器薄膜， 但其厚度为2mm。通过将厚度减至1/1000，传感器变得柔软可弯曲，还能贴在 人体上使用。由于又轻又薄，可以减轻贴在皮肤上的不适感，因此染谷等人希 望能将其用作可持续计测人体信息的医疗及健康用传感器。其他新型传感器及接口技术皮电反应传感器是一种更高级的生物传感器，通常配备在一些可以监测汗 水水平的设备上。简单来说，人类的皮肤是一种导电体，当我们开始出汗， 皮电反应传感器便可以检测出汗水率，配合加速度计及先进的软件算法，有利 于更准确地监测用户的运动水平。环境光及紫外线传感器环境光传感器模拟人类眼镜对光线的敏感度，可以根 据周围光线的明暗来判断时间，并有效节省运动监测设备的电力消耗。

13、而紫外 线传感器则可监测到光线中的紫外线指数，实现防晒提醒操作。生物电阻抗传感器，Jawbone的新款UP3运动手环，配备了更先进的生物电 阻抗传感器，可通过生物肌体自身阻抗来实现血液流动监测，并转化为具体的 心率呼吸率及皮电反应指数，是一种更先进的综合生物传感器，准确性也相对 更高。传感器对接口电路也提出了新要求。传感器趋向更小尺寸及更低能耗，同 时需要采用定制的传感器接口专用集成电路(ASIC)。例如，传感器可能要求高压 偏置，同时产生极低电平的信号，传感器接口 ASIC能够集成高压及低压电路， 降低复杂度，优于采用分立器件方案。同时，传感器接口 ASIC方案可提供高度 的信号通道隔离及低

14、噪声，非常适合传感器应用需要。总结。显然，得益于传感器的进化，有利于实现更精准的身体数据监测， 让运动监测设备们变得更好用。在未来，这些传感器配合更先进的软件算法， 有可能帮助我们获得更准确的监测数据，甚至能够分享到医疗机构，帮助我们 预防疾病。可穿戴设备的本质就是传感器，来的新硬件将需要和软件结合，以 软硬结合的方式创造新型的数据监控服务比如与智能手机结合形成一整套个人 数据监测服务，与智能家居结合形成远程监控家居方案，与电动汽车结合形成 汽车遥控检测系统，与健康设备结合形成私人健康数据收集、监控、传输服 务。而在这些领域，才是智能传感器和可穿戴设备发挥想象力的地方。参考文献1 孙效华，冯泽西.可穿戴设备交互设计研究J.装饰,2014,02:28-33.2 封顺天.可穿戴设备发展现状及趋势J.信息通信技术,2014,03:52-57.3 丁一,郭伏，胡名彩,孙凤良.用户体验国内外研究综述J.工业工程与管理,2014,04:92-97+114.李小青.基于用户心理研究的用户体验设计J.情报科学,2010,05:763-767.5翁律纲.由交互行为引导的用户体验研究D.江南大学,2009.