原创智能穿戴与运动监测

 2016-4-13 09:22  2140 19 20 分类: 测试测量

最近看过《疯狂动物城》的朋友想必会对“闪电先生”留下了深刻印象。那种淡定得不知什么叫着急的生活态度，不是能学的来的，当您看着着急，心跳加快的时候，不知人家的心率会是多少。而且，“淡定”，也并不意味着人家就不可以玩儿急速飞车。

假如您也每天都从事着像“闪电先生”一样的办公室工作，每天一坐就是很长时间，不妨自己测测您此时的心率，看看长时间静止不动时的心跳次数是多少？在工间操时间，不知有多少人会按时放下手里的事情，站起来锻炼一下，活动一下身体。每周，您会参加一些像打球，跑步，登山之类的比较剧烈的体育活动吗？在这些剧烈活动当中，不知您的“实时心率”有多快？每个人的“最大心率”按业界的说法是按220减去您的实际年龄作为参考。

久坐不动，对健康不利；盲目的剧烈运动，对健康也同样可能会产生不利的影响。锻炼身体要讲究科学性，国外医学界根据不同的锻炼强度和效果，把心率分成几个不同的区间，比如在高强度锻炼时候的“峰值区间”，“有氧活动区间”，“燃烧脂肪区间”等。根据实时的心率可以很好地了解并控制运动量，但是如何能得知运动期间的实时的心率？这个可能很不好测，停下来，自己按着脉搏数数？好像很不方便。

专业的运动商品店“迪卡侬”有售心率计，使用的时候需要把带有传感器的带子绑在胸部，测量数据会通过无线传输并显示在手上的手表上，还可以设置心率报警门限，达到一定的心率值会发出报警提醒。这类产品据说采用的是电脉冲测量法，通过峰值检测得到心率，这是最准确的一种测量心率的方式。在国外已经被健身爱好者普遍使用。只是这种需要绑在胸部的测量方法可能会让使用者感觉不太舒服，不太方便。

“智能穿戴”是近些年来的热门产品，国内外很多公司都研发并推出了很多价位从两位数字到四位数字人民币不等的产品，品牌众多。总结一下，大概可以分成三类：第一类是功能比较简单的运动手环，能计步，看看时间，监测睡眠，可以给自己设定每天要走的步数，督促自己完成每天的任务；第二类是功能比较全面的运动手环，除了能计步，还能监测实时心率，监测睡眠等；第三类是智能手表，功能就更多了，不一一列举。

出于对“科学锻炼”的好奇，最近开始尝试使用带有实时心率监测功能的Fitbit Charge HR 智能手环。首先，想搞清楚它能监测心率的实现方法。看相关介绍，目前在穿戴设备上普遍采用了一种叫做“光电容积图”（PPG）的心率测量技术，它是利用血液对绿光的吸收性，通过测量反射光强的变化来反映血流量的变化，通过计算从而得到对应的心率数据。目前，大部分的腕带式心率测量设备都采用了该测量方式。

这款手环采用了光电心率传感器，在它的背面，可以看到能发出绿光的两个发光二极管，动一动，就会立即闪烁，中间是一个感光器件，LED发出的双光束照到皮肤上，当心脏收缩时，外周血容量最多，绿光吸收量也最大，检测到的反射光强度最小；而在心脏舒张时，反射光强度最大，再把这些光信号转化成电信号后，计算出心率数据。戴上它就可以一直都在追踪你的心率变化并显示出来。另外，它还内置了加速度计和气压计量，可以记录步数、心率、攀爬的高度和运动强度(散步或跑步)。

图1：带心率监测的Fitbit Charge HR智能手环

貌似功能不少，来段“登山运动”，实际感受一下在不同情况下的监测结果如何！早晨，从香山脚下的停车场开始徒步上山，身体需要预热，不要着急，控制好速度，路过麦当劳和许多驴友喜欢约见的集合地邮局门口，此时看看这段时间内心率的变化，如图2所示，最高没超过每分钟128次，介于79到128次之间，按软件指示，主要属于“脂肪燃烧”的范围，看来把心率控制好在这个区间，可以很好地减肥呦。

图2：预热阶段的心率监测结果

穿过一片零散的村落，抬头望去可以隐约看见山上沿着“好汉坡”的路线登山的队伍。这是条“野山路”，没有人工修筑的台阶路，登山过程中，感觉心跳逐步加快，自己下意识地时不时敲击一些手环，看看屏幕上显示的当前心率，提醒自己控制好速度，不要使心率太高。经过十几分钟的攀爬，跟手机同步一下数据，看看这段登山过程中心率的变化，统计结果如图3所示，看到心率明显呈上升趋势，最高没有超过155次，一年没登山，发动机稍显吃力，大部分时间属于“心肺锻炼”范围，有4分钟属于峰值锻炼区域。

图3：登山阶段的心率监测结果

到达山顶之后没有停歇，继续下山的行程。下山感觉要轻松多了，借助登山杖，貌似可以一路小跑。过了一段时间，同步一下监测的数据，看到如图4所示的心率变化，介于79到128次之间，属于“脂肪燃烧”的范围，适合减肥。

图4：下山阶段的心率监测结果

今天的运动量应该不小，同步一下，看看数据统计，如图5所示。

图5：一天的运动量统计

第二天收到一条通知，提示“电量不足，请尽快充电”。这款手环号称“普通情况下电池最多可使用5天”，我是经常开着蓝牙进行数据同步，大概能工作3天。既然该充电了，我也顺便微测一下它的充电情况。内置的电池容量不会大，测测充电电流有多大。接到一台数字万用表，开始充电测试，此时测到的充电电流是59.6mA，真不大，如图6所示。

图6：手环充电电流测试

改用数据采集和图形显示的方式测测充电过程，在“较高采样率”情况下采到的充电电流的波形有比较大的波动，如图7所示。

图7：手环充电电流的波形

把采样率降低，进行长时间的捕获，看到如图8所示的充电电流的波形：经过了大概20分钟的平坦的恒流充电之后，充电电流开始逐步下降，到了大概34分钟的时候充电电流从大概60mA降到了22.4mA。

图8：充电电流的变化波形

一共充电了大概43分钟之后，看到充电电流不断地逐步降低，此时变成了13.2mA，如图9所示，基本上可以认为充满了。

图9：充电电流逐步降低

也许有人怀疑佩戴智能手环会不会对人体有电磁辐射？手环内部的电路不应该会产生多大的电磁辐射，如果有，主要会来自蓝牙的通讯，但，发射功率不该大。定性地实测一下，如图10所示，打开手机的蓝牙，与手环进行数据同步，粉色轨迹为通讯前的背景频谱，黄色轨迹为蓝牙通讯期间捕获到的信号频谱，通过标尺测出功率为-42.78dBm。