可穿戴设备的传感器技术

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、明皜传感、矽睿科技、深迪半导体、士兰微电子、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。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、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——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/m

2据称，重量只有普通纸张的1/27左右。而且，厚度也只有2μm。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