可穿戴设备中的传感器设计

baby · 发表于 2015-5-7 15:32

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　　可穿戴传感器分类

　　1、MEMS运动传感器

　　从2008年开始，MEMS传感器陆续嵌入到手机、车载、穿戴、智慧家庭等各种电子设备，技术进步的同时当前面临的问题是MEMS缺应用，即MEMS能够做什么。本帖对MEMS器件的基本原理以及MEMS器件在各种各样的产品当中的应用做个简单的整理。

　　加速传感器及应用

　　加速传感器的工作原理用弹簧比喻很容易理解，震动情况弹簧有缩有伸距离会有转变，两端相当于电容的两级，距离转变电容输出就是不一样。当然我们在看加速传感器的时候，它的参数第一个就是RAGE，相当于量程是多少，手机上基本是2g，现在MEMS的器件当中最大可以扩到8g，用在类似游戏手柄上，打网球的时候即使甩动轻一点也可以检测到，但如果2g的时候根本没有办法识别打的近还是远。另外一个参数就是分辨率，手机当中更多应用到的12bit，再简单的可能是6bit，比如横竖屏的切换。

　　加速传感器的主要应用有哪些？

　　第一个是简单的横竖屏；

　　第二个是翻转应用，最初翻转应用是跟甩歌甩屏一起，但体验不好很多手机里面就没有这个功能了；

　　第三个是计步器应用，2010年的时候日本很多手机也已经采用，技术很成熟，比如说走500步，测下来就是499或者501；

　　第四个是双击功能，设一个中间格的时间点，对两次中断的数据作对比，所以对双击是非常精确的，比如说手环或者手表操作空间有限，可以用双击启动某一应用；

　　第五个是手势识别，检测左右倾斜及倾斜角度，例如在家庭室内装潢的时候，以前就是拿一个墨线在墙生弹，现在有激光水平仪，但无法确摆放的器件水平面是平的，如果用量程是4g分辨率是 12bit加速传感器精确度就非常高。

　　第六个应用是防盗，当装有传感器的设备被拿起时，警报就会响；

　　第七个是FREEFALLDETECTION，例如现在用的笔记本如果摔下去，可能外表坏掉，但是硬盘不会坏，因为里面有加速传感器，瞬间会检测到，它会让磁头离开磁盘。

　　第八个是检测震动，当洗衣机摆的不正的时候，振动的时候声音很大，传感器可以检测出震动频率，避免整个东西跟外部东西产生共振；最后游戏应用最典型的就是手柄，对的体感有更大的提高。

　　磁力计原理及应用

　　磁力计检测的是地球磁场，地球磁场在所有磁场当中是比较微弱的一环，任何带铁工艺的东西，包括手机当中的一些屏蔽罩，一些连接键包括一些卡槽都会产生磁场，这些磁场有可能是比地球磁场要大很多的。关于磁力器的应用最多的是地图方向指示，GPS只能判断所在经纬度，有磁力器就可以知道东西南北。它还有在家庭中的应用，比如在门上加一个磁力器，它可以检测门开关的过程当中角度，从而判断门有没有锁。当然磁力器也可以定位，因为每个点的地球分布是不一样的。

　　还有应用就是室内定位导航，根据设定的位置目标，通过磁力器判断你到底在哪个方向走，走路可以判断你在室内走来算距离，但是现在还没得到规模使用，第一因为精确算法是到什么程度，第二是室内地图谁来提供。

　　气压计原理及应用
　　气压计内部集成了一些高度算法可以做高度计算。最典型的应用是在三维GPS导航里面。现在很多城市都有高架，那你在高架上还是高架下，气压计精度在 30cm很容易解决这个问题（高架桥高度大于7m）。气压计还可以做天气预报。其实基本上天气预报基本上是通过累计变化来预测的，可以知道更长时间未来的天气变化情况。
2、生物传感器
　　
　　生物传感器：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
　　功能：健康和医疗监控、娱乐
　　国内传感器公司：神念科技、敏芯微电子、芯敏微系统、纳芯微电子等
　　典型设备：CardioNet MCOT™、康康血压、中卫莱康-腕式心电监测仪、iHolter（心安宝）、秘密意念猫耳朵
　　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。以康康血压为代表的可穿戴医疗设备，与专业医疗机构合作，长期对数以千万的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。
　　
　　康康血压——有温度的智能血压计
　　此外，以秘密意念猫耳朵为代表的可穿戴设备，通过脑电、心电等传感器感知人类情绪变化从而实现娱乐互动。例如，在电视相亲活动中，当女嘉宾看到中意的对象，大脑处于高度感兴趣的状态时，猫耳朵就会高高竖起并来回转动，表达爱慕之情。
　　　秘密意念猫耳朵——读懂女孩的心思

　　3、环境传感器
　　　　环境传感器：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、气压传感器、麦克风等
　　功能：环境监测、天气预报、健康提醒
　　国内传感器公司：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、芯奥微传感等
　　典型设备：PM2.5便携式检测仪、AirWaves口罩、便携式个人综合环境监测终端
　　环境监控，守护健康。马斯洛理论将人的需求分为五种，像阶梯一样从低到高，按层次逐级递升，分别为：生理上的需要、安全上的需要、感情上的需要、尊重的需要和自我实现的需要。现在生理上的需要一般都可以满足，接下来就是安全上的需要，也就是保证身心健康不受威胁的需要。事实上，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。借此市场机遇，初创公司羽承科技利用颗粒物传感器推出了目前市场上最小、最轻便的空气质量检测装置——PM2.5便携式检测仪。该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便携式检测仪
　　健康 = 基因 + 生活习惯 + 环境
　　可穿戴设备在中国健康医疗领域的需求基础：（1）中国不断加剧的老龄化趋势，独居老人增多，人力成本上升是可穿戴医疗设备增长的基础。（2）慢性病年轻化，患病时间长，需求大。（3）中国医疗资源严重不足，医生与患者比例失调，通过可穿戴设备进行个性化健康管理，减少就医次数。

　　人类的健康主要有三个影响因素：基因、生活习惯和环境，即公式：“健康 = 基因 + 生活习惯 + 环境”。通常基因是“命中注定”，无法改变的，即常量；而健康、生活习惯是可以改变的，环境也是可以“逃避”的，均为变量。针对可“变”的健康、生活习惯和环境，可穿戴设备可分别通过生物传感器、运动传感器和环境传感器来监测和提醒用户，以改善人体健康和提高生活质量，并且大量的用户临床数据存在巨大的商业价值和社会价值。
　　然而，现在市场上的可穿戴设备往往仅采用一类传感器实现一种变量监测功能，难以实现全面、有效的健康反馈体系。所以，多种传感器的融合创新应用深受市场期待。例如：生物传感器“监测”到人体血压、血脂过高时，警告用户应改变不良生活习惯，加强体育锻炼；然后，运动传感器负责“监督”人体每天的锻炼情况，环境传感器负责“监控”人体周围环境状况（如有无吸烟和环境污染）；最终，通过三类传感器的有效配合很好地控制了心血管疾病。合理的慢性疾病管理，能够避免看急诊和住院治疗，减少就医次数，节约费用和人力成本。在全球范围内针对移动医疗服务效果的临床研究显示，出院后的远程监护可将病人的医疗费用降低、看医生的间隔时间延长、住院时间降低等。
　　
　　通过可穿戴设备实现个性化医疗
　　全球范围内针对移动医疗服务效果的临床研究
　　研究疾病研究地区研究主题研究结果：成本降低
　　糖尿病美国出院后的远程监护每个病人的全部医疗费用可能降低 42%
　　高血压美国通过无线远程设备将主要生命体征信息传送到电子病历中看医生的间隔时间延长了 71%
　　心力衰竭欧盟远程监护接受心脏起搏器植入手术的病人降低住院时间35%；降低出院后看医生次数10%
　　现在，如果在大街上看到有人戴着Google Glass或Pebble智能手表，人们都会多看一眼，以为这是新鲜玩意儿。但是在科研领域，研究者们早已开始准备开发下一代可穿戴设备，其中令我们感到惊讶的有“电子皮肤、智能隐形眼镜、pH胶囊”。