傳感器技術(shù)在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用

劉歡+邱力軍+范啟富

摘 要：隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，PC終端已日趨飽和，手機(jī)移動端市場也已非常成熟，以Google Glass為代表的智能穿戴設(shè)備進(jìn)入到大眾的視野中，并在近兩年來迅速升溫。隨著高性能低功耗處理芯片的推出，各類傳感器及無線通信等技術(shù)的發(fā)展，可穿戴式智能設(shè)備已經(jīng)從概念化走向商業(yè)化。但現(xiàn)在的移動互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從單一到跨平臺、跨設(shè)備的傳遞，然后對多設(shè)備響應(yīng)的設(shè)計(jì)，所以可穿戴式智能設(shè)備的形式逐漸變得多樣化，在醫(yī)療、工業(yè)、娛樂、教育、軍事等領(lǐng)域表現(xiàn)出極其重要的研究價(jià)值及應(yīng)用價(jià)值。文章介紹了可穿戴智能設(shè)備在國內(nèi)市場概況、發(fā)展中存在的問題和建議，以及可穿戴智能設(shè)備中傳感器的分類和它們的作用原理。

關(guān)鍵詞：穿戴式智能設(shè)備；傳感器；智能；市場

20世紀(jì)90年代，超大規(guī)模集成電路已經(jīng)快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)處理器走向高集成，晶體管的體積越來越小，計(jì)算機(jī)從桌面逐漸走入人們的背包，移動可穿戴電子產(chǎn)品發(fā)展迅猛。進(jìn)入 21 世紀(jì)，信息急速膨脹，越來越多人對信息的交換速度和頻率的需求增加，人們正無時(shí)無刻地使用移動個(gè)人電腦或手機(jī)隨時(shí)接收、處理、發(fā)送各種訊息。這種對電子設(shè)備的依賴性讓人與機(jī)器之間的關(guān)系變得越來越緊密，使得便攜式可穿戴設(shè)備成為時(shí)代發(fā)展的必然。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)對于可穿戴智能設(shè)備的研究僅限于互聯(lián)網(wǎng)，大多是一些技術(shù)博客，這些博文里大多是以基本的技術(shù)來闡述其在商業(yè)方面的價(jià)值及發(fā)展前景；有些互聯(lián)網(wǎng)巨頭，他們在國外科技公司的指導(dǎo)下，正慢慢地摸索可穿戴智能設(shè)備的未來該何去何從。

傳感器市場已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)“百家爭鳴”的時(shí)期，隨著市場大門的逐漸開放，中國經(jīng)濟(jì)的加速和投資環(huán)境的改善，各個(gè)國家的傳感器廠商紛紛擠進(jìn)中國市場，從而加劇了市場競爭。中國傳感器市場將重新進(jìn)行份額的分配。

可穿戴設(shè)備的概念來源于國外，具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。國外對此技術(shù)研究已經(jīng)進(jìn)行了40多年，在航空航天、軍事技術(shù)、車輛工程及檢測技術(shù)等諸多領(lǐng)域上有廣泛的應(yīng)用。例如，在航空航天領(lǐng)域，研制出了一種新型高精度、強(qiáng)耐性的紅外測溫傳感器，能夠在極惡劣的環(huán)境中測量出運(yùn)行中的飛行器各部分的溫度；軍事上，國外激光制導(dǎo)技術(shù)迅速發(fā)展，對導(dǎo)彈的精度和命中度大大提高；交通方面，國外城市也采用紅外光電傳感器對路段進(jìn)行檢測，突發(fā)故障進(jìn)行排解指揮；同時(shí)，國外現(xiàn)有汽車通常裝有光電傳感器，如激光雷達(dá)、紅外夜視裝置、發(fā)動機(jī)燃料的特性測量、壓力變化和光纖陀螺等。

2 可穿戴智能設(shè)備中傳感器介紹

2.1 運(yùn)動型傳感器

運(yùn)動型傳感器不易受檢測對象物反射率的影響，可切實(shí)檢測，只需要鏈接DC電源即可使用的傳感器（振蕩電路內(nèi)置型），可以鄰接使用。

運(yùn)動型傳感器包括：陀螺儀、加速度計(jì)、壓力傳感器和磁力，可切實(shí)檢測，只需要鏈接DC電源即可使用的傳感器（振蕩電路內(nèi)置型），可以鄰接使用。在手環(huán)等設(shè)備中應(yīng)用廣泛，主要功能包括在智能設(shè)備中完成導(dǎo)航、檢測和人機(jī)交互等。

2.2 生物型傳感器

生物傳感器是由固定化生物材料與具有專一性功能的感受器結(jié)合而成，轉(zhuǎn)換器具有傳遞性功能，主要功能有從北側(cè)物質(zhì)濃度到生物傳感器，檢測到可傳遞信號得到數(shù)字量信號，是發(fā)展生物技術(shù)的一種先進(jìn)的檢測與監(jiān)控方法。生物傳感器的發(fā)展包括以下幾個(gè)歷程：酶分解法，具有高度的專一性，但操作復(fù)雜、時(shí)間長；固定化酶，使酶法分析自動化，但不具備傳遞性，智能取樣檢測：電極，具有傳遞性，但并不具備專一性。

生物型傳感器特異性好，能從復(fù)雜的系統(tǒng)中準(zhǔn)確測出某一物質(zhì)的濃度；靈敏度高，可檢測0.01～1.0 ppm濃度的物質(zhì)，最小的極限為10 g/mL；穩(wěn)定性相對較差，檢測結(jié)構(gòu)容易受到物理和化學(xué)環(huán)境的影響；不能進(jìn)行加熱殺菌處理，其中的生物物質(zhì)有失活的可能，因此一般不能加熱殺菌處理。

2.3 環(huán)境傳感器

環(huán)境傳感器包括土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、紫外線傳感器、雨量傳感器、光照傳感器和蒸發(fā)傳感器等，不僅可用于測量相關(guān)指標(biāo)，還可通過硬件設(shè)備與上位機(jī)數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)對被測物的數(shù)據(jù)的采集與測試，從而對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和存儲，是實(shí)驗(yàn)和科研的首選儀器。

2.4 另類的傳感器

另類的傳感器主要指姿態(tài)傳感器、電子皮膚、加速度傳感器、智能隱形眼鏡和PH膠囊等。壓力加速度傳感器在汽車方面應(yīng)用廣泛，在汽車安全囊、防抱死系統(tǒng)等安全性能方面均有應(yīng)用；電子皮膚通俗地來說，通過靜電貼在皮膚上后，能夠通過測試者的皮膚實(shí)時(shí)監(jiān)控其脈搏、心跳及體溫等生理指標(biāo)，對人體的這些數(shù)據(jù)做出健康反應(yīng)。

3 可穿戴智能設(shè)備的發(fā)展趨勢

在2017程度全球創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)交易會上，被稱為“可穿戴之父”的多倫多大學(xué)教授斯蒂夫·曼恩表示，在人工智能成熟前，“人工智能”將成為科技發(fā)展的一大趨勢，而且能夠增強(qiáng)人類的行為能力。同時(shí)，國際著名調(diào)查機(jī)構(gòu)Visiongain 也曾指出，在未來5年，可穿戴的發(fā)展，將如10年前智能手機(jī)和平板電腦的發(fā)展一樣迅猛，引領(lǐng)相關(guān)科技企業(yè)革新，進(jìn)行新一輪的科技方面的爆炸式幾何增長，同樣對于這些企業(yè)的發(fā)展前景也非?？捎^。直到2012年谷歌發(fā)布了“谷歌眼鏡”，可穿戴設(shè)備走入大眾視野，到2016年，全球的可穿戴設(shè)備銷量達(dá)到了1.14億臺，同比增長了3.6%。

3.1 可穿戴智能設(shè)備趨勢形成的必然性

通過便攜化和功能的創(chuàng)新，可穿戴設(shè)備已經(jīng)慢慢地融入我們的日常生活，新型可穿戴設(shè)備仍將推動整個(gè)市場的強(qiáng)勁發(fā)展，人類過去的生產(chǎn)、生活方式和交通水平使得活動空間相對狹小，溝通方式單一。利用現(xiàn)代的信息技術(shù)手段，改變了人們傳統(tǒng)的信息交流方式和生活方式，人們已經(jīng)習(xí)慣科學(xué)帶來的便利并享受科學(xué)帶給生活的新鮮感。

3.2 可穿戴智能設(shè)備發(fā)展中的問題和建議

可穿戴設(shè)備要想進(jìn)入快速發(fā)展的通道，需要解決以下幾個(gè)問題。

（1）產(chǎn)業(yè)鏈之間的銜接問題，例如電池微型化，該技術(shù)還未完全成熟，持續(xù)不斷的信息交互，需要大容量體積微小的電池來供電；分銷渠道現(xiàn)只限于并過分依賴電商。

（2）行業(yè)發(fā)展受到了倫理問題的制約，設(shè)備對用戶實(shí)施了24 h監(jiān)控，個(gè)人隱私得不到保護(hù)，同時(shí)有些設(shè)備還對周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，對周圍人和物的隱私造成了影響。

（3）用戶對智能穿戴設(shè)備的期望值在不斷增加，需要有特色的明星產(chǎn)品，功能復(fù)合化、系統(tǒng)應(yīng)用互動化以及用戶的方便化，均需要有力技術(shù)來支撐。

（4）數(shù)據(jù)安全性問題，可穿戴設(shè)備的價(jià)值將向數(shù)據(jù)資源基礎(chǔ)上的應(yīng)用服務(wù)來實(shí)現(xiàn)，如何保障個(gè)人數(shù)據(jù)不被用作不正當(dāng)甚至非法用途需有待改進(jìn)。

4 結(jié)語

可穿戴設(shè)備中的傳感器可分為以下幾類：運(yùn)動傳感器、生物傳感器和環(huán)境傳感器?？纱┐髟O(shè)備的迅猛發(fā)展離不開傳感器的作用，不同的傳感器為設(shè)備提供大量豐富的數(shù)據(jù)，將所需要的信息指標(biāo)顯示出來。在接下來的幾年里，需要技術(shù)人員不斷地進(jìn)行傳感器方面的創(chuàng)新，可穿戴設(shè)備前途廣闊。

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