Акселерометр в фитнес-браслете — это сенсор, который отслеживает движение и положение пользователя. Он помогает определить такие параметры, как количество шагов, расстояние, пройденное за день, и даже качество сна, анализируя изменения в движении тела.
Работа акселерометра основана на измерении ускорения в различных направлениях, что позволяет устройству фиксировать активность пользователя в режиме реального времени. Это делает фитнес-браслет полезным инструментом для контроля физической активности и достижения поставленных спортивных целей.
Датчики в смарт-часах и фитнес-трекерах: как они работают?
Различные функции умных часов должны быть реализованы разными датчиками. В этой статье вы можете узнать о 7 возможных датчиках, используемых в умных часах, и о том, как они работают.
Умные носимые устройства, в том числе фитнес-трекеры, умные очки и умные часы, в последние годы привлекают большое внимание. Будучи одной из самых быстро развивающихся носимых технологий, умные часы предлагают множество преимуществ, таких как отслеживание активности, мониторинг сна, мониторинг здоровья, уведомления, входящие звонки, оповещения о чрезвычайных ситуациях и многое другое. Тем не менее, большинство функций умных часов в значительной степени зависят от датчиков и чипов.
Компоненты умных часов
Состоящие из различных мелких деталей, смарт-часы можно разделить на две части – корпус часов и ремешок – по внешнему виду. Ремешки для часов могут быть изготовлены из самых разных материалов. Корпус часов состоит из датчиков, чипов, батареек, сенсорных экранов, дисплеев и других компонентов. В отличие от традиционных электронных часов, большинство функций в смарт-часах обеспечиваются различными электронными компонентами, интегрированными внутри этого умного гаджета.
Несмотря на то, что умные часы имеют небольшие размеры, они могут интегрировать множество функциональных модулей в один. Эти модули в основном включают в себя радиочастотные платы, платы Bluetooth, платы Wi-Fi, платы управления питанием и различные датчики или чипы.
Датчик смарт-часов, описанный в этой статье, также является одним из важнейших компонентов смарт-часов. С помощью различных датчиков смарт-часов умные часы могут осуществлять мониторинг здоровья и отслеживание физических упражнений. Кроме того, он может обеспечивать такие функции измерения, как частота сердечных сокращений, кислород в крови, записи об активности и качество сна. В этой статье в основном перечислены 7 наиболее часто используемых типов датчиков в умных часах, представленных в настоящее время на рынке, а именно:
- Акселерометр
- Монитор сердечного ритма
- Датчик SpO2
- Датчики температуры кожи
- Датчик ЭКГ
- Гироскоп
- Навигатор
Прочитав эту статью, вы получите общее представление о некоторых датчиках умных часов и о том, как они работают.
Акселерометр
Акселерометры обычно используются для измерения ускорения — скорости изменения скорости объекта; Грубо говоря, они могут определить, движется ли пользователь. В результате это самый распространенный датчик, встречающийся во всех типах умных часов. Например, все серии умных часов Starmax оснащены акселерометрами для отслеживания движений пользователей, такими как S5, S90 (детские часы) и GTS6.
Наиболее типичной особенностью акселерометра в умных часах является отслеживание движения. Возьмем в качестве примера Starmax GTS6, акселерометр внутри Starmax GTS6 может измерять уровень активности пользователя во время бега или бега трусцой. На основе этих измерений он может подсчитывать шаги и, таким образом, вычислять расстояние, калории и другие данные.
Поскольку акселерометр можно использовать для определения ориентации устройства относительно гравитации Земли, можно правильно ориентировать дисплей смарт-часов, определив направление вверх. Большинство умных часов от Starmax используют этот принцип, поднимая запястье пользователя, чтобы вывести дисплей умных часов из спящего режима.
Монитор сердечного ритма
Пульсометр (HRM), или датчик частоты сердечных сокращений, предназначен для обнаружения и измерения частоты сердечных сокращений и пульса. В настоящее время большинство умных часов имеют этот тип датчика, предназначенный для определения частоты сердечных сокращений. GTS4, разработанный компанией Starmax , также оснащен датчиком частоты сердечных сокращений, который использует фотоплетизмографию (PPG) для определения кровотока для измерения частоты сердечных сокращений и пульса пользователя.
Сердце является жизненно важным органом, отвечающим за транспортировку крови в организме человека. Здоровое сердце будет доставлять нужное количество крови ко всем частям тела с соответствующей скоростью. Таким образом, изменения в объеме кровотока тесно связаны с частотой сердечных сокращений. Датчики частоты сердечных сокращений на большинстве умных часов используют этот принцип для измерения частоты сердечных сокращений и пульса пользователя, определяя кровоток на запястье.
PPG (фотоплетизмография) является наиболее широко используемой технологией для определения сердечного ритма. Это неинвазивный метод обнаружения, который использует фотоэлектрические средства для обнаружения изменений объема крови. Датчики частоты сердечных сокращений PPG можно найти во всех сериях умных часов Starmax.
С точки зрения спектроскопии, красный и зеленый являются взаимодополняющими цветами, поэтому теоретически красная кровь будет поглощать зеленый свет. Таким образом, датчик сердечного ритма PPG является одним из эффективных датчиков, которые могут обнаруживать частоту сердечных сокращений и пульс, отслеживая изменение силы отраженного зеленого света.
Датчик PPG в смарт-часах обычно состоит из светодиодного источника света и оптического детектора. Светодиодный источник света сначала направляет зеленый свет на запястье пользователя, а затем оптический датчик обнаруживает полученный отраженный свет и подсчитывает его количество. Кожа на запястье отражает больше зеленого света, когда в кровеносных сосудах больше красных кровяных телец. Поэтому, отслеживая изменения концентрации эритроцитов в кровеносных сосудах, умные часы могут реализовать функцию определения сердечного ритма.
Изменения частоты сердечных сокращений тесно связаны с физическим здоровьем, а слишком быстрый или слишком медленный сердечный ритм может быть связан с заболеванием. Нормальная частота сердечных сокращений взрослого человека в спокойном, бодрствующем состоянии должна составлять 60-100 ударов в минуту. Наблюдая за изменениями частоты сердечных сокращений с помощью умных часов, мы можем вовремя обнаружить потенциальные изменения в организме.
Датчик SpO2
Датчики SpO2, также известные как датчики насыщения крови кислородом, измеряют уровень насыщения кислородом, определяя количество гемоглобина, переносящего кислород, в крови. Мониторинг уровня SpO2 с помощью смарт-часов в наши дни очень удобен с помощью датчиков SpO2.
Датчики SpO2 используют две разные длины волны света — обычно красный и инфракрасный — для излучения на кожу для измерения уровня насыщения крови кислородом. Насыщенный кислородом гемоглобин может поглощать больше инфракрасного света и меньше красного. Напротив, деоксигенированный гемоглобин поглощает большее количество красного света, чем инфракрасный.
Таким образом, вычислив соотношение этих двух видов света, проходящих через кровь, можно отобразить результат насыщения крови кислородом в процентах, известный как SpO2. Испытуемые с показателями SpO2 95% или выше считались здоровыми.
Датчики SpO2 в умных часах обычно контролируют уровень кислорода в крови, или насыщение кислородом, измеряя, насколько эффективно кислород доставляется к запястью. С помощью умных часов, оснащенных датчиком SpO2, владелец может легко отслеживать уровень кислорода в крови, чтобы обнаружить потенциальные отклонения в своем здоровье.
Информация, отраженная в уровне насыщения крови кислородом, имеет решающее значение для изменений в физическом состоянии. Поэтому его можно использовать для выявления респираторных заболеваний, включая хроническую обструктивную болезнь легких и апноэ во сне. Например, уровень насыщения кислородом может значительно снизиться, когда пользователь находится в глубоком сне или из-за нездоровых привычек образа жизни, таких как курение или употребление алкоголя.
Датчики температуры кожи
Датчики температуры кожи измеряют тепловую энергию, излучаемую поверхностью кожи человека. Этот датчик может определять температуру тела пользователя и, в свою очередь, помогает следить за состоянием его здоровья. Различные факторы, такие как окружающая среда, физическая активность, проблемы со здоровьем и т.д., могут вызвать изменения температуры тела.
Умные часы с датчиками температуры кожи могут отслеживать малейшие изменения температуры кожи с течением времени, следя за температурой тела пользователей. Это может помочь обнаружить потенциальные заболевания на ранней стадии, поскольку аномальная температура тела может быть ранним признаком физического заболевания.
Популярный смарт-браслет Starmax — S5 Fitness Tracker также оснащен датчиком температуры кожи для удобного определения температуры тела. А в умных часах, таких как Apple Watch Series 8, датчики температуры кожи могут даже поддерживать отслеживание менструального цикла у женщин и прогнозировать фертильность.
Датчик ЭКГ
Электрокардиограмма (ЭКГ или ЭКГ) является эффективным медицинским исследованием, используемым для измерения электрической активности сердца. Этот медицинский тест требует датчика ЭКГ для захвата и записи крошечных электрических сигналов, производимых сердцебиением. График, показывающий электрическую активность сердца, называемый трассой ЭКГ или ЭКГ, помогает оценить сердечную деятельность пользователя.
Умные часы с возможностью электрокардиограммы могут помочь обнаружить нарушения сердечного ритма, такие как фибрилляция предсердий и другие нарушения, точно измеряя электрический сигнал сокращения сердечной мышцы и рассчитывая время между каждым ударом сердца. Оснащенные медицинской ЭКГ и оксиметром, который измеряет SpO2, Withings ScanWatch являются отличным примером современных умных часов с расширенными возможностями мониторинга здоровья.
Когда датчик ЭКГ работает в тандеме с другими датчиками, такими как датчик частоты сердечных сокращений, он может обнаруживать и отслеживать изменения сердечного ритма, которые могут указывать на потенциальную проблему со здоровьем. Умные часы, оснащенные этими датчиками, могут непрерывно следить за сердцем пользователей и предупреждать их в случае возникновения каких-либо нарушений.
Гироскоп
Гироскопы и акселерометры — это датчики, используемые для измерения движения объекта, но они работают по-разному. Гироскопы используются в основном для наблюдения за углом наклона объекта, чтобы зафиксировать его угловую скорость и изменения направления. Некоторые производители умных часов даже комбинируют акселерометры и гироскопы для триангуляции, чтобы получить более точную ориентацию объектов.
Навигатор
Система глобального позиционирования (GPS), еще одна популярная функция в умных часах высокого класса, использует спутниковые сигналы для определения точного местоположения устройства и отслеживания его перемещения с течением времени. В результате он обеспечивает более точный подсчет шагов. Кроме того, он может получить более подробную картину вашего ежедневного уровня активности (например, наметить правильные маршруты для бега и езды на велосипеде). Однако умные часы GPS имеют относительно высокие требования к приему сигнала, поэтому цена относительно высокая. Определение местоположения в режиме реального времени также означает меньшее время автономной работы умных часов с GPS.
Как работает шагомер в фитнес браслете?
Если вы фанат фитнеса, несомненно, у вас есть устройство для отслеживания фитнеса. Он должен быть носимым и портативным, что доказывает, что фитнес-трекер становится незаменимым гаджетом для здорового и энергичного человека. Начиная с измерения количества шагов и заканчивая отслеживанием частоты сердечных сокращений, режима сна и т. д., все, что находится на вашем трекинговом браслете и незаметно сидит на вашем запястье, приносит ренессанс в мир технологий. Но возникает вопрос: как эти носимые фитнес-трекеры выполняют эти функции? Статья призвана разгадать загадку того, как фитнес-браслеты измеряют шаги.
Фитнес браслеты и их механизмы
Это технический гаджет, который используется для отслеживания различных параметров тела человека, который носит его в течение дня. Как и раньше, для подсчета шагов были изобретены взвешенный механический переключатель и простой счетчик, но эти устройства устарели с появлением датчиков MEMS (микроэлектромеханическая система). Кроме того, подходящее программное обеспечение с этими датчиками позволяет более эффективно и точно подсчитывать шаги. Благодаря таким преимуществам блока питания, как низкая стоимость, минимальное пространство и т. д., он также интегрируется во все фитнес-трекеры, умные часы и смартфоны. Носимые фитнес-трекеры используют механизм, в котором датчики измеряют несколько параметров, таких как ускорение, частота, расстояние и интенсивность, а затем эти измеренные данные проходят через сложный алгоритм для получения наиболее точных показаний.
Как идет подсчет шагов
Для подсчета шагов в фитнес-трекерах есть устройство, называемое акселерометром. У него есть датчики и процессоры. С помощью датчика (MEMS) акселерометр может обнаруживать изменения ускорения и ориентации. Он может обнаруживать ускорение по трем осям (ось X, ось Y и ось Z).
Любое движение по этим трем осям различается в зависимости от того, идете вы или бежите, но именно по этим параметрам оно регистрируется в устройстве. Чтобы лучше понять его работу, помните о третьем законе движения Ньютона: когда ваши ноги прикладывают некоторую силу к земле, земля в ответ также передает равное количество силы через ваши ноги вашему телу.
Это сила, которая хранится в акселерометре. Здесь мы можем видеть работу процессора, поскольку сам акселерометр не осознает шаг, но именно процессор распознает передачу информации о повторяющихся паттернах по частоте и амплитуде. Как только шаблон установлен и идентифицирован, устройство начинает считать его шагом.
Помимо акселерометров, в фитнес браслетах также используются гирометры и магнитометры для измерения вращательного движения, силы и направления магнитного поля соответственно. Фитнес-трекеры с поддержкой глобальной системы позиционирования также могут определять шаги, измеряя пройденное расстояние. Данные, предоставляемые этими датчиками, помогают добиться большей точности подсчета шагов.
Алгоритмическое знание счетчика шагов
- на первом этапе данные линейного ускорения собираются акселерометром,
- а на втором этапе определяется длина шага, которая отличается от шага к шагу.
Таким образом, алгоритм зависит от скорости и расстояния шагов человека.
Постоянное обновление логики алгоритма подразумевало максимальные и минимальные значения ускорения для определенного количества шагов по всем 3 осям. Поэтому среднее значение ускорения называют динамическим пороговым уровнем.
Точность шага определяется с помощью порогового уровня. Например, если мы возьмем за образец 50 шагов, обновленный уровень ускорения для каждых 50 шагов называется порогом динамина. Наряду с этим для дальнейшей фильтрации используется больше датчиков. Когда регистрируется линейное движение, динамический порог определяет, эффективен шаг или нет.
Теперь в действие вступает счетчик шагов и измеряет шаг по всем трем осям (ось X, ось Y и ось Z). Анализ зависит от того, изменение длины шага по конкретной оси; если отклонение слишком мало, ускорение не учитывается в счетчике шагов.
Как и в вышеупомянутом алгоритме, счетчик шагов работает эффективно, но в случае с шагомером шагом считается любая активность, кроме бега и ходьбы. Вот почему шагомер не всегда точен, но для уменьшения ошибки при получении достоверного подсчета шагов лучшими решениями являются временное окно и регулирование счета. Это отбросило неправильные вибрации и помогло получить плавный и ритмичный рисунок.
