传感器技术在可穿戴设备中的应用

    刘欢+邱力军+范启富

    摘 要：随着互联网的发展，PC终端已日趋饱和，手机移动端市场也已非常成熟，以Google Glass为代表的智能穿戴设备进入到大众的视野中，并在近两年来迅速升温。随着高性能低功耗处理芯片的推出，各类传感器及无线通信等技术的发展，可穿戴式智能设备已经从概念化走向商业化。但现在的移动互联网产业，已经实现了从单一到跨平台、跨设备的传递，然后对多设备响应的设计，所以可穿戴式智能设备的形式逐渐变得多样化，在医疗、工业、娱乐、教育、军事等领域表现出极其重要的研究价值及应用价值。文章介绍了可穿戴智能设备在国内市场概况、发展中存在的问题和建议，以及可穿戴智能设备中传感器的分类和它们的作用原理。

    关键词：穿戴式智能设备；传感器；智能；市场

    20世纪90年代，超大规模集成电路已经快速发展，计算机处理器走向高集成，晶体管的体积越来越小，计算机从桌面逐渐走入人们的背包，移动可穿戴电子产品发展迅猛。进入 21 世纪，信息急速膨胀，越来越多人对信息的交换速度和频率的需求增加，人们正无时无刻地使用移动个人电脑或手机随时接收、处理、发送各种讯息。这种对电子设备的依赖性让人与机器之间的关系变得越来越紧密，使得便携式可穿戴设备成为时代发展的必然。

    1 国内外研究现状

    目前，国内对于可穿戴智能设备的研究仅限于互联网，大多是一些技术博客，这些博文里大多是以基本的技术来阐述其在商业方面的价值及发展前景；有些互联网巨头，他们在国外科技公司的指导下，正慢慢地摸索可穿戴智能设备的未来该何去何从。

    传感器市场已经进入到一个“百家争鸣”的时期，随着市场大门的逐渐开放，中国经济的加速和投资环境的改善，各个国家的传感器厂商纷纷挤进中国市场，从而加剧了市场竞争。中国传感器市场将重新进行份额的分配。

    可穿戴设备的概念来源于国外，具有坚实的理论基础。国外对此技术研究已经进行了40多年，在航空航天、军事技术、车辆工程及检测技术等诸多领域上有广泛的应用。例如，在航空航天领域，研制出了一种新型高精度、强耐性的红外测温传感器，能够在极恶劣的环境中测量出运行中的飞行器各部分的温度；军事上，国外激光制导技术迅速发展，对导弹的精度和命中度大大提高；交通方面，国外城市也采用红外光电传感器对路段进行检测，突发故障进行排解指挥；同时，国外现有汽车通常装有光电传感器，如激光雷达、红外夜视装置、发动机燃料的特性测量、压力变化和光纤陀螺等。

    2 可穿戴智能设备中传感器介绍

    2.1 运动型传感器

    运动型传感器不易受检测对象物反射率的影响，可切实检测，只需要链接DC电源即可使用的传感器（振荡电路内置型），可以邻接使用。

    运动型传感器包括：陀螺仪、加速度计、压力传感器和磁力，可切实检测，只需要链接DC电源即可使用的传感器（振荡电路内置型），可以邻接使用。在手环等设备中应用广泛，主要功能包括在智能设备中完成导航、检测和人机交互等。

    2.2 生物型传感器

    生物传感器是由固定化生物材料与具有专一性功能的感受器结合而成，转换器具有传递性功能，主要功能有从北侧物质浓度到生物传感器，检测到可传递信号得到数字量信号，是发展生物技术的一种先进的检测与监控方法。生物传感器的发展包括以下几个历程：酶分解法，具有高度的专一性，但操作复杂、时间长；固定化酶，使酶法分析自动化，但不具备传递性，智能取样检测：电极，具有传递性，但并不具备专一性。

    生物型传感器特异性好，能从复杂的系统中准确测出某一物质的浓度；灵敏度高，可检测0.01～1.0 ppm浓度的物质，最小的极限为10 g/mL；稳定性相对较差，检测结构容易受到物理和化学环境的影响；不能进行加热杀菌处理，其中的生物物质有失活的可能，因此一般不能加热杀菌处理。

    2.3 环境传感器

    环境传感器包括土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、紫外线传感器、雨量传感器、光照传感器和蒸发传感器等，不仅可用于测量相关指标，还可通过硬件设备与上位机数据通信，实现对被测物的数据的采集与测试，从而对数据进行记录和存储，是实验和科研的首选仪器。

    2.4 另类的传感器

    另類的传感器主要指姿态传感器、电子皮肤、加速度传感器、智能隐形眼镜和PH胶囊等。压力加速度传感器在汽车方面应用广泛，在汽车安全囊、防抱死系统等安全性能方面均有应用；电子皮肤通俗地来说，通过静电贴在皮肤上后，能够通过测试者的皮肤实时监控其脉搏、心跳及体温等生理指标，对人体的这些数据做出健康反应。

    3 可穿戴智能设备的发展趋势

    在2017程度全球创新创业交易会上，被称为“可穿戴之父”的多伦多大学教授斯蒂夫·曼恩表示，在人工智能成熟前，“人工智能”将成为科技发展的一大趋势，而且能够增强人类的行为能力。同时，国际著名调查机构Visiongain 也曾指出，在未来5年，可穿戴的发展，将如10年前智能手机和平板电脑的发展一样迅猛，引领相关科技企业革新，进行新一轮的科技方面的爆炸式几何增长，同样对于这些企业的发展前景也非常可观。直到2012年谷歌发布了“谷歌眼镜”，可穿戴设备走入大众视野，到2016年，全球的可穿戴设备销量达到了1.14亿台，同比增长了3.6%。

    3.1 可穿戴智能设备趋势形成的必然性

    通过便携化和功能的创新，可穿戴设备已经慢慢地融入我们的日常生活，新型可穿戴设备仍将推动整个市场的强劲发展，人类过去的生产、生活方式和交通水平使得活动空间相对狭小，沟通方式单一。利用现代的信息技术手段，改变了人们传统的信息交流方式和生活方式，人们已经习惯科学带来的便利并享受科学带给生活的新鲜感。

    3.2 可穿戴智能设备发展中的问题和建议

    可穿戴设备要想进入快速发展的通道，需要解决以下几个问题。

    （1）产业链之间的衔接问题，例如电池微型化，该技术还未完全成熟，持续不断的信息交互，需要大容量体积微小的电池来供电；分销渠道现只限于并过分依赖电商。

    （2）行業发展受到了伦理问题的制约，设备对用户实施了24 h监控，个人隐私得不到保护，同时有些设备还对周围环境进行监控，对周围人和物的隐私造成了影响。

    （3）用户对智能穿戴设备的期望值在不断增加，需要有特色的明星产品，功能复合化、系统应用互动化以及用户的方便化，均需要有力技术来支撑。

    （4）数据安全性问题，可穿戴设备的价值将向数据资源基础上的应用服务来实现，如何保障个人数据不被用作不正当甚至非法用途需有待改进。

    4 结语

    可穿戴设备中的传感器可分为以下几类：运动传感器、生物传感器和环境传感器。可穿戴设备的迅猛发展离不开传感器的作用，不同的传感器为设备提供大量丰富的数据，将所需要的信息指标显示出来。在接下来的几年里，需要技术人员不断地进行传感器方面的创新，可穿戴设备前途广阔。

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