傳感器技術在可穿戴設備中的應用

劉歡+邱力軍+范啟富

摘 要：隨著互聯網的發展，PC終端已日趨飽和，手機移動端市場也已非常成熟，以Google Glass為代表的智能穿戴設備進入到大眾的視野中，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的發展，可穿戴式智能設備已經從概念化走向商業化。但現在的移動互聯網產業，已經實現了從單一到跨平臺、跨設備的傳遞，然后對多設備響應的設計，所以可穿戴式智能設備的形式逐漸變得多樣化，在醫療、工業、娛樂、教育、軍事等領域表現出極其重要的研究價值及應用價值。文章介紹了可穿戴智能設備在國內市場概況、發展中存在的問題和建議，以及可穿戴智能設備中傳感器的分類和它們的作用原理。

關鍵詞：穿戴式智能設備；傳感器；智能；市場

20世紀90年代，超大規模集成電路已經快速發展，計算機處理器走向高集成，晶體管的體積越來越小，計算機從桌面逐漸走入人們的背包，移動可穿戴電子產品發展迅猛。進入 21 世紀，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，人們正無時無刻地使用移動個人電腦或手機隨時接收、處理、發送各種訊息。這種對電子設備的依賴性讓人與機器之間的關系變得越來越緊密，使得便攜式可穿戴設備成為時代發展的必然。

1 國內外研究現狀

目前，國內對于可穿戴智能設備的研究僅限于互聯網，大多是一些技術博客，這些博文里大多是以基本的技術來闡述其在商業方面的價值及發展前景；有些互聯網巨頭，他們在國外科技公司的指導下，正慢慢地摸索可穿戴智能設備的未來該何去何從。

傳感器市場已經進入到一個“百家爭鳴”的時期，隨著市場大門的逐漸開放，中國經濟的加速和投資環境的改善，各個國家的傳感器廠商紛紛擠進中國市場，從而加劇了市場競爭。中國傳感器市場將重新進行份額的分配。

可穿戴設備的概念來源于國外，具有堅實的理論基礎。國外對此技術研究已經進行了40多年，在航空航天、軍事技術、車輛工程及檢測技術等諸多領域上有廣泛的應用。例如，在航空航天領域，研制出了一種新型高精度、強耐性的紅外測溫傳感器，能夠在極惡劣的環境中測量出運行中的飛行器各部分的溫度；軍事上，國外激光制導技術迅速發展，對導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行檢測，突發故障進行排解指揮；同時，國外現有汽車通常裝有光電傳感器，如激光雷達、紅外夜視裝置、發動機燃料的特性測量、壓力變化和光纖陀螺等。

2 可穿戴智能設備中傳感器介紹

2.1 運動型傳感器

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

運動型傳感器包括：陀螺儀、加速度計、壓力傳感器和磁力，可切實檢測，只需要鏈接DC電源即可使用的傳感器（振蕩電路內置型），可以鄰接使用。在手環等設備中應用廣泛，主要功能包括在智能設備中完成導航、檢測和人機交互等。

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合而成，轉換器具有傳遞性功能，主要功能有從北側物質濃度到生物傳感器，檢測到可傳遞信號得到數字量信號，是發展生物技術的一種先進的檢測與監控方法。生物傳感器的發展包括以下幾個歷程：酶分解法，具有高度的專一性，但操作復雜、時間長；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，能從復雜的系統中準確測出某一物質的濃度；靈敏度高，可檢測0.01～1.0 ppm濃度的物質，最小的極限為10 g/mL；穩定性相對較差，檢測結構容易受到物理和化學環境的影響；不能進行加熱殺菌處理，其中的生物物質有失活的可能，因此一般不能加熱殺菌處理。

2.3 環境傳感器

環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、光照傳感器和蒸發傳感器等，不僅可用于測量相關指標，還可通過硬件設備與上位機數據通信，實現對被測物的數據的采集與測試，從而對數據進行記錄和存儲，是實驗和科研的首選儀器。

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用廣泛，在汽車安全囊、防抱死系統等安全性能方面均有應用；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時監控其脈搏、心跳及體溫等生理指標，對人體的這些數據做出健康反應。

3 可穿戴智能設備的發展趨勢

在2017程度全球創新創業交易會上，被稱為“可穿戴之父”的多倫多大學教授斯蒂夫·曼恩表示，在人工智能成熟前，“人工智能”將成為科技發展的一大趨勢，而且能夠增強人類的行為能力。同時，國際著名調查機構Visiongain 也曾指出，在未來5年，可穿戴的發展，將如10年前智能手機和平板電腦的發展一樣迅猛，引領相關科技企業革新，進行新一輪的科技方面的爆炸式幾何增長，同樣對于這些企業的發展前景也非常可觀。直到2012年谷歌發布了“谷歌眼鏡”，可穿戴設備走入大眾視野，到2016年，全球的可穿戴設備銷量達到了1.14億臺，同比增長了3.6%。

3.1 可穿戴智能設備趨勢形成的必然性

通過便攜化和功能的創新，可穿戴設備已經慢慢地融入我們的日常生活，新型可穿戴設備仍將推動整個市場的強勁發展，人類過去的生產、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。利用現代的信息技術手段，改變了人們傳統的信息交流方式和生活方式，人們已經習慣科學帶來的便利并享受科學帶給生活的新鮮感。

3.2 可穿戴智能設備發展中的問題和建議

可穿戴設備要想進入快速發展的通道，需要解決以下幾個問題。

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

（2）行業發展受到了倫理問題的制約，設備對用戶實施了24 h監控，個人隱私得不到保護，同時有些設備還對周圍環境進行監控，對周圍人和物的隱私造成了影響。

（3）用戶對智能穿戴設備的期望值在不斷增加，需要有特色的明星產品，功能復合化、系統應用互動化以及用戶的方便化，均需要有力技術來支撐。

（4）數據安全性問題，可穿戴設備的價值將向數據資源基礎上的應用服務來實現，如何保障個人數據不被用作不正當甚至非法用途需有待改進。

4 結語

可穿戴設備中的傳感器可分為以下幾類：運動傳感器、生物傳感器和環境傳感器。可穿戴設備的迅猛發展離不開傳感器的作用，不同的傳感器為設備提供大量豐富的數據，將所需要的信息指標顯示出來。在接下來的幾年里，需要技術人員不斷地進行傳感器方面的創新，可穿戴設備前途廣闊。

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