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运动手表的功能是怎么管用的

(2022-06-04 11:19:03) 下一个

运动手表的各项功能是怎么实现的呢?下面是简单的介绍,包括:GPS定位,计步器,测心率,血氧饱和度,心电图,量血压,呼吸频率,游泳,睡眠质量,登高。

GPS定位

GPS靠卫星定位。31颗卫星,在20200公里高的6个轨道上转,每天绕地球两圈。轨道均匀分布,在地球上任何时间地点,都能同时看见至少4颗GPS卫星。太阳能板永远向着太阳,天线向着地球。

每颗卫星以广播的方式不停发送短信,内容是自己当前位置,并标明发送时间。运动手表的GPS模块负责接收卫星的短信和定位计算。GPS模块就照片里那样。

如果GPS模块的时钟和卫星上的同步,发送和接收短信的时间差就是短信飞过来的时间。有了这个时间,又知电磁波每秒30万公里,就可以算出手表和发短信时卫星的距离。知道了3颗卫星的(X,Y,Z)坐标,又知道它们和手表的距离,就可以算出手机的(X,Y,Z)坐标(3个方程求3个未知数)。

可是,卫星有高精度原子钟,而手表没有,时钟会有偏差,导致直接算出的距离不准。所以定位要用到第4颗卫星,这样可以列出四个方程,未知数是手表的(X,Y,Z)坐标加上时间偏差。用这4个方程就可以算出这4个未知数,算出的(X,Y)坐标用经纬度表示。手表的每个坐标,都是收到卫星短信后计算的结果。

卫星在天上无依无靠,它的位置要靠地面站确定。GPS系统有16个分布全球的地面站。每颗卫星至少被3个地面站同时跟踪,用雷达测出卫星位置再传给卫星,让它知道自己在哪。

计步器是怎么工作的
计步器记录走的步数,是利用加速度传感器(Accelerometer)来做的。加速度传感器小小的(2X2mm),用处很多,手机,手表上都有。

只要动,就会有加速度。像动静,快慢,方向的转换,碰撞,冲击,旋转都会产生加速度。传感器很灵敏,能察觉微小的动作,比如晃一下或敲一下屏幕显示时间。

现在用的是这种三轴传感器,可分别测量(X,Y,Z)3个方向的加速度。即使在静止时,也有重力加速度,所以3个方向的加速度不会都是零。根据3个方向加速度数值的比例,可以知道传感器在静止时的方向,也是手表或手机的方向。知道了方向就可以利用,比如手机就可以做横看竖看转换。

走路时的加速度画出来是这样的。

把总加速度的毛刺过滤掉,可以得到光滑的波形。这里每个波就代表一步。接下来的计步就很直接了,数数有几个波,就是走了几步。

手表的计步器还要考虑胳膊的动作,不能手晃晃就算走路。要能分辩走跑和单纯动胳膊动作的区别。

计步器能告诉你走了多远,但是经常不准,因为步长是估计的(步数x步长=距离)。有的计步器用GPS校准步长:GPS距离/步数=实际步长,这样会比较准。

测心率是怎么回事
测心率用PPG传感器。PPG由发绿光的LED和光电二极管(photodiode)组成。LED照射皮肤,光电二极管把反射的光转换为电信号。

血是红的,反射红光而吸收绿光,当脉搏传到手腕时,血管血量增加,对绿光的吸收增加,使反射光减少。两次脉搏之间,血管血量减少,对绿光的吸收减少,使反射光增加。这重复的一减一增转换成电信号就是一波又一波,代表心跳。

PPG传感器的数据画出来是这样的。每个尖峰就是一次心跳。

从两个尖峰(心跳)之间的时间可算出心率。比如两个心跳之间如果是一秒,心率就是每分钟60下,半秒,就是120下。

运动手表测心率的问题就是运动。比如走路跑步的时候,胳膊把血甩到手腕,和由心跳引起的血量变化混在一起,不易分辨。图中(a)是静止时PPG数据,(b)是运动时数据。

一般用加速度解决这个问题。运动产生加速度,知道了加速度频率以后,可以在PPG数据里把相关频率过滤掉,这样会好得多。现在运动时测的心率还是不如静态时准。

血氧饱和度

运动手表使用反射式血氧仪测血氧。血红蛋白携带氧气,反射红光。反射光的强度取决于它的含氧量,含氧越多,血越鲜红,红光反射得越多;含氧越少,血越暗红,红光反射得越少。LED向手腕发出的红光/红外光,反射到手表上的光电二极管转换成电信号,用反射光的强度确定血氧水平。

心电图

以Apple Watch为例。手表的旋钮是一个电极,第二个电极是围绕手表其他传感器的环(图中灰色),与手腕接触。当用另一只手的手指触摸旋钮时,手指-->心脏-->手腕-->手表-->手指,形成闭合回路。手表记录心电脉冲,形成心电图。

量血压

有的运动手表有量血压功能。量血压是利用脉搏传递时间(PTT,Pulse Transit Time)和血压的相关性。脉搏从心脏传到手腕的时间,叫脉搏传递时间(PTT),这个时间和血压相关。血压高会让血流加快,脉搏传递时间缩短。血压低,传递时间延长。

脉搏从心脏开始的时间用ECG(心电图)传感器测出。脉搏到手腕时间用PPG测出(PPG就是测心率的那个)。

表达PTT和血压相关性数学模型的具体参数,要通过用正规血压计的校准来确定。PTT还是个早期的技术,不一定准。

呼吸频率
呼吸频率也是一项重要的健康指标。通过心率的变化可以算出每分钟呼吸的次数。人们很早就知道,吸气的时候心跳会加快,呼气的时候心跳会减慢。下图显示心率和呼吸的关系,蓝色波峰是吸气,波谷是呼气,红色是PPG测的心跳。利用这个关系,可以通过PPG测出的心跳数据算出呼吸频率。

游泳数据
游泳的划水次数,泳池来回游的次数,每趟的时间等,都可以从手表加速度数据推导出来,加上陀螺仪(Gyro)和罗盘仪(compass)可以得到更准确的结果。3轴陀螺仪用来测量围绕(X,Y,Z)三个轴旋转的角速度,3轴罗盘仪是测方向的罗盘。通常三种传感器做在一起,称为9轴运动传感器(3x3x1mm)。

罗盘能测出胳膊的指向。在泳池来回游,一来一去,胳膊的指向不一样,从而可以知道来去的转换时间。仰泳,自由泳,蛙泳胳膊的指向都不一样,可用来判断游泳的姿势。

睡眠质量
一次睡眠有4-6个睡眠周期,每个周期平均90分钟。每个周期有3个阶段:浅睡,深睡,和REM睡。手表利用加速度数据察觉身体的动作,和心率的变化一起推导出睡眠的阶段,并用来评估睡眠质量。

登高计算
越高气压越低。两点间的高度差可以用气压差算出来。气压计现在已经可以做得很小。

不管是爬山还是爬楼梯,Elevation Gain都可以通过手表上的气压计数据算出来。

 

 

 

 

 

 

 

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评论
古树羽音 回复 悄悄话 原来如此呀,谢谢!
cwang28 回复 悄悄话 谢谢分享科普知识
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