2024年8月22日发(作者：苏盼雁)
传感器在智能穿戴中的应用
摘要
：传感器是现代应用最为广泛的电子设备之一，它在科学研究、物联网建设、移动智
能终端等领域皆有庞大产业市场，特别是智能手机、平板等产品的普及，极大地拉近了人与
传感器的距离。如今，作为现代电子产业的代表作，可穿戴智能设备已被视为未来消费类电
子产品发展主流趋势之一。而作为高端科技产品，可穿戴设备领域的兴起，将极大地促进现
代传感器市场再次增长。
引言
：在可穿戴设备领域用到的传感器主要集中在三大块，分别是：运动传感器，包括加
速度计、陀螺仪、磁力计、压力传感器等；生物传感器，包括血糖传感器、血压传感器、心
电传感器等；环境传感器，包括温湿度传感器、气体传感器、PH传感器等。这些传感器都
在诸如智能手表、腕带等产品中应用广泛。
一般而言，可穿戴设备主要包括处理器、存储器、电源、无线通信，以及传感器和执行
器。各类功能都依赖传感器功能性融合和创新来实现，可以说传感器是智能穿戴设备的要点。
1 运动传感器在可穿戴智能设备的应用
1.1 运动传感器简介
运动控制传感器是一种将非电量（如速度、压力）的变化转变为电量变化的原件，根据
转换的非电量不同可分为压力传感器、速度传感器、温度传感器等，是进行测量、控制仪器
及设备的零件、附件。
1.2运动传感器实现的功能
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，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等。同时还能导航、娱乐、人机交互。
1.3.1相关技术介绍—一种可穿戴式人体运动捕捉系统的设计与实现
为了能够实时捕捉人体运动,需设计了一套可穿戴式人体运动捕捉系统。它通过分布在
人身体上的惯性测量单元来获取人体实时姿态信息,每个惯性测量单元由微型MEMS 3轴陀
螺仪、MEMS 3轴加速度计、MEMS 3轴磁力计和MCU组成,MCU获得各传感器数据并利
用基于四元数的扩展Kalman滤波解算出对应部位姿态角,通过CAN总线和Bluetooth模块
将数据实时上传至计算机,计算机通过VC++和OpenGL程序驱动虚拟人体运动,实现实时人
体运动再现。
1.3.2其中运动传感器的部分
运动传感器需要实现的功能包括对３种不同类型惯性器件传感数据的采集、姿态角结算
和有线通信。运动传感器主要包括５个部分：ＭＣＵ、加速度传感器、陀螺仪传感器、磁力
计和ＣＡＮ接口。ＭＣＵ包括同步串行通信总线（Ｉ２Ｃ）、异步接收发送器（ＵＡＲＴ）、
按键等模块，它控制节点的一系列操作。节点由有线供电，ＭＣＵ控制３种传感器的数据采
集、姿态角解算和ＣＡＮ收发。
硬件系统框图如下图所示：
运动传感器用到的主要芯片包括ＳＴ的ＳＴＭ３２Ｆ１０３（ＭＣＵ）、Ｉｎｖｅｎｓ
ｅｎｓｅ的ＭＰＵ６０５０（３轴加速度计和３轴陀螺仪）、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ的ＨＭＣ
５８８３Ｌ（３轴磁力计）和ＴＩ的ＳＮ６５ＨＶＤ２３０（ＣＡＮ收发）。各芯片参数如
下表所示：
1.4典型设备
nike+ fuelband、jawbone up、fitbit flex、咕咚手环、pebble、geak watch、inwatch、
galaxy gear
2生物传感器在可穿戴智能设备的应用
2.1生物传感器简介
生物传感器(biosensor)对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是
由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等
生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信
号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。
2.2 生物传感器实现的功能
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。例如由血压传感器构成的可穿戴医疗设备，可以对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。 此外，通过脑电、
心电等传感器感知人类情绪变化的可穿戴设备能够实现娱乐互动。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。
2.3.1相关技术介绍—意念猫耳朵
它采用了NeuroSky(神念科技)先进的TGAM脑电芯片，该芯片可以读取人的脑电波。不
同模式的脑电波代表人所处的情绪和状态也是不同的。芯片会将代表人情绪状态的脑电信号
转化成猫耳朵可以识别的数字信号，从而执行相应的指令，完成不同的动作。比如当人处于
专注状态时，它就会高高立起，放松时，它则会耸拉下来。
2.3.2其中运动传感器的部分
能直接连接干电极，并由2个电极：EEG电极(脑电采集点)和REF电极(参考点)差分采
集脑电信号后送入模块，模块经运放、滤波、ADC处理转为数字信号，得到数字信号后，TGAT
内部分析出α、β、δ、γ、θ等8组独立脑波数据，并处理输出Neurosky获得专利的eSense
专注度和放松度指数数据，最后由UART接口输出。此模块采样率为512Hz，频率范围
3Hz-100Hz，输出512Hz的脑波原始波形数据、8组1Hz的独立的脑波数据及eSense指数数
据。
2.4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
3 环境传感器在可穿戴智能设备的应用
3.1 环境传感器简介
环境传感器包括：土壤温度传感器、空气温湿度传感器、蒸发传感器、雨量传感器、光
照传感器、风速风向传感器等，不仅能够精确的测量相关环境信息，还可以和上位机实现联
网，最大限度满足用户对被测物数据的测试、记录和存储，是科研、教学、实验室和农业部
门土肥站、农科所及相关农业环境监测部门首选的高质量仪器。
3.2 环境传感器实现的功能
环境监控，守护健康。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。用颗粒物传感器构成的空气质量检测装
置——pm2.5便携式检测仪，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。
3.3.1相关技术介绍—pm2.5便携式检测
通过采气泵粉尘仪将待测气溶胶吸入检测舱，待测气溶胶在粉尘仪分流处分流成为两部
分，一部分经过一个高效过滤器后被过滤为干净的空气，作为保护鞘气来保护传感器室的元
器件不受待测气体污染。另一部分气溶胶,作为待测样品直接进入传感器室。
3.3.2其中环境传感器的部分
DSM501A工作原理：微粒和分子在光的照射下会产生光的散射现象，与此同时，还吸收
部分照射光的能量。当一束平行单色光入射到被测颗粒场时，会受到颗粒周围散射和吸收的
影响，光强将被衰减。如此一来便可求得入射光通过待测浓度场的相对衰减率。而相对衰减
率的大小基本上能线性反应待测场灰尘的相对浓度。光强的大小与经光电转换的电信号强弱
成正比，通过测得电信号就可以求得相对衰减率。其电气参数如下图所示：
3.4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
4 结论
穿戴式智能设备的出现, 为我们带来了全新的生活方式, 但由于科技水平及成本水平
等其他因素的限制, 现在穿戴式智能设备成熟度还不够, 不能难达到令人满意的期望。不
过，作为很重要的传感器一环，特别是可穿戴智能设备的各类功能，都有赖各类传感器功能
性融合和创新来实现，因此，要开发出更精确，小型化，集成化的传感器，才能满足需求。
未来，随着现代“电子——传感器”技术地不断进步，可穿戴设备将一如既往向前发展。
在此期间，各种新品传感器层出不穷，现已有科技公司在研究立体影像通话技术，恐怕在不
久的将来，我们将迎来科幻作品中的场景，即操作手腕上类似手表的设备，就可以与朋友、
亲人进行面对面的立体影响通话，在那时也将是传感器应用更加辉煌的年代。
戴欣欣
2014.12.7
2024年8月22日发(作者：苏盼雁)
传感器在智能穿戴中的应用
摘要
：传感器是现代应用最为广泛的电子设备之一，它在科学研究、物联网建设、移动智
能终端等领域皆有庞大产业市场，特别是智能手机、平板等产品的普及，极大地拉近了人与
传感器的距离。如今，作为现代电子产业的代表作，可穿戴智能设备已被视为未来消费类电
子产品发展主流趋势之一。而作为高端科技产品，可穿戴设备领域的兴起，将极大地促进现
代传感器市场再次增长。
引言
：在可穿戴设备领域用到的传感器主要集中在三大块，分别是：运动传感器，包括加
速度计、陀螺仪、磁力计、压力传感器等；生物传感器，包括血糖传感器、血压传感器、心
电传感器等；环境传感器，包括温湿度传感器、气体传感器、PH传感器等。这些传感器都
在诸如智能手表、腕带等产品中应用广泛。
一般而言，可穿戴设备主要包括处理器、存储器、电源、无线通信，以及传感器和执行
器。各类功能都依赖传感器功能性融合和创新来实现，可以说传感器是智能穿戴设备的要点。
1 运动传感器在可穿戴智能设备的应用
1.1 运动传感器简介
运动控制传感器是一种将非电量（如速度、压力）的变化转变为电量变化的原件，根据
转换的非电量不同可分为压力传感器、速度传感器、温度传感器等，是进行测量、控制仪器
及设备的零件、附件。
1.2运动传感器实现的功能
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，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等。同时还能导航、娱乐、人机交互。
1.3.1相关技术介绍—一种可穿戴式人体运动捕捉系统的设计与实现
为了能够实时捕捉人体运动,需设计了一套可穿戴式人体运动捕捉系统。它通过分布在
人身体上的惯性测量单元来获取人体实时姿态信息,每个惯性测量单元由微型MEMS 3轴陀
螺仪、MEMS 3轴加速度计、MEMS 3轴磁力计和MCU组成,MCU获得各传感器数据并利
用基于四元数的扩展Kalman滤波解算出对应部位姿态角,通过CAN总线和Bluetooth模块
将数据实时上传至计算机,计算机通过VC++和OpenGL程序驱动虚拟人体运动,实现实时人
体运动再现。
1.3.2其中运动传感器的部分
运动传感器需要实现的功能包括对３种不同类型惯性器件传感数据的采集、姿态角结算
和有线通信。运动传感器主要包括５个部分：ＭＣＵ、加速度传感器、陀螺仪传感器、磁力
计和ＣＡＮ接口。ＭＣＵ包括同步串行通信总线（Ｉ２Ｃ）、异步接收发送器（ＵＡＲＴ）、
按键等模块，它控制节点的一系列操作。节点由有线供电，ＭＣＵ控制３种传感器的数据采
集、姿态角解算和ＣＡＮ收发。
硬件系统框图如下图所示：
运动传感器用到的主要芯片包括ＳＴ的ＳＴＭ３２Ｆ１０３（ＭＣＵ）、Ｉｎｖｅｎｓ
ｅｎｓｅ的ＭＰＵ６０５０（３轴加速度计和３轴陀螺仪）、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ的ＨＭＣ
５８８３Ｌ（３轴磁力计）和ＴＩ的ＳＮ６５ＨＶＤ２３０（ＣＡＮ收发）。各芯片参数如
下表所示：
1.4典型设备
nike+ fuelband、jawbone up、fitbit flex、咕咚手环、pebble、geak watch、inwatch、
galaxy gear
2生物传感器在可穿戴智能设备的应用
2.1生物传感器简介
生物传感器(biosensor)对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是
由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等
生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信
号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。
2.2 生物传感器实现的功能
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。例如由血压传感器构成的可穿戴医疗设备，可以对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。 此外，通过脑电、
心电等传感器感知人类情绪变化的可穿戴设备能够实现娱乐互动。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。
2.3.1相关技术介绍—意念猫耳朵
它采用了NeuroSky(神念科技)先进的TGAM脑电芯片，该芯片可以读取人的脑电波。不
同模式的脑电波代表人所处的情绪和状态也是不同的。芯片会将代表人情绪状态的脑电信号
转化成猫耳朵可以识别的数字信号，从而执行相应的指令，完成不同的动作。比如当人处于
专注状态时，它就会高高立起，放松时，它则会耸拉下来。
2.3.2其中运动传感器的部分
能直接连接干电极，并由2个电极：EEG电极(脑电采集点)和REF电极(参考点)差分采
集脑电信号后送入模块，模块经运放、滤波、ADC处理转为数字信号，得到数字信号后，TGAT
内部分析出α、β、δ、γ、θ等8组独立脑波数据，并处理输出Neurosky获得专利的eSense
专注度和放松度指数数据，最后由UART接口输出。此模块采样率为512Hz，频率范围
3Hz-100Hz，输出512Hz的脑波原始波形数据、8组1Hz的独立的脑波数据及eSense指数数
据。
2.4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
3 环境传感器在可穿戴智能设备的应用
3.1 环境传感器简介
环境传感器包括：土壤温度传感器、空气温湿度传感器、蒸发传感器、雨量传感器、光
照传感器、风速风向传感器等，不仅能够精确的测量相关环境信息，还可以和上位机实现联
网，最大限度满足用户对被测物数据的测试、记录和存储，是科研、教学、实验室和农业部
门土肥站、农科所及相关农业环境监测部门首选的高质量仪器。
3.2 环境传感器实现的功能
环境监控，守护健康。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。用颗粒物传感器构成的空气质量检测装
置——pm2.5便携式检测仪，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。
3.3.1相关技术介绍—pm2.5便携式检测
通过采气泵粉尘仪将待测气溶胶吸入检测舱，待测气溶胶在粉尘仪分流处分流成为两部
分，一部分经过一个高效过滤器后被过滤为干净的空气，作为保护鞘气来保护传感器室的元
器件不受待测气体污染。另一部分气溶胶,作为待测样品直接进入传感器室。
3.3.2其中环境传感器的部分
DSM501A工作原理：微粒和分子在光的照射下会产生光的散射现象，与此同时，还吸收
部分照射光的能量。当一束平行单色光入射到被测颗粒场时，会受到颗粒周围散射和吸收的
影响，光强将被衰减。如此一来便可求得入射光通过待测浓度场的相对衰减率。而相对衰减
率的大小基本上能线性反应待测场灰尘的相对浓度。光强的大小与经光电转换的电信号强弱
成正比，通过测得电信号就可以求得相对衰减率。其电气参数如下图所示：
3.4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
4 结论
穿戴式智能设备的出现, 为我们带来了全新的生活方式, 但由于科技水平及成本水平
等其他因素的限制, 现在穿戴式智能设备成熟度还不够, 不能难达到令人满意的期望。不
过，作为很重要的传感器一环，特别是可穿戴智能设备的各类功能，都有赖各类传感器功能
性融合和创新来实现，因此，要开发出更精确，小型化，集成化的传感器，才能满足需求。
未来，随着现代“电子——传感器”技术地不断进步，可穿戴设备将一如既往向前发展。
在此期间，各种新品传感器层出不穷，现已有科技公司在研究立体影像通话技术，恐怕在不
久的将来，我们将迎来科幻作品中的场景，即操作手腕上类似手表的设备，就可以与朋友、
亲人进行面对面的立体影响通话，在那时也将是传感器应用更加辉煌的年代。
戴欣欣
2014.12.7