Spis treści

1. Wstęp 2

2. Rodzaje czujników 2

a. Pomiar natlenienia krwi – Saturacja (Sp02) 2

1. Sposób pomiaru 2

2. Interfejs pomiaru w zegarkach Xiaomi 3

b. Czujnik tętna – Fotopletyzmografia 4

1. Zasada działania czujnika 4

2. Interfejs pomiaru w zegarkach Xiaomi 5

c. Akcelerometr  – czujnik przyśpieszenia i położenia 6

1. Zasada Działania i zastosowanie 6

d. Czujnik pojemnościowy – Temperatura 7

1. Zasada działania czujnika 7

2. Interfejs pomiaru w zegarkach Xiaomi 8

e. Pomiar bioimpedancji – skład ciała 9

1. Zasada działania 9

2. Interfejs pomiaru w zegarkach Xiaomi 10

f. Czujnik światła 11

1. Zasada działania i zastosowanie 11

3. Podsumowanie 12

 

 

Wstęp

 

Smartwatch’e i opaski sportowe stają się obiektem zainteresowań klientów odwiedzających nasze salony stacjonarne Xiaomi Store. Często jako pracownicy słyszymy pytania o możliwości takiego sprzętu. Z racji na moje zamiłowanie do techniki postanowiłem przedstawić działanie poszczególnych czujników odpowiedzialnych za nasze zdrowie i wygodę korzystania ze sprzętu.

Mam nadzieję, że artykuł ten rozwieje wątpliwości co do metod pomiaru, zaciekawi niektórych techniką, a dla ludzi niezdecydowanych pomoże w wyborze odpowiedniego dla siebie zegarka.

Zapraszam do lektury!

Rodzaje czujników

 

Pomiar natlenienia krwi – Saturacja (Sp02)

Sposób pomiaru

 

Pomiar wykonywany jest przy pomocy dwóch diod emitujących światło z zakresu czerwieni i podczerwieni. Ma to swoje uzasadnienie fizyczne. Przy pomiarze wykorzystywany jest fakt, że dwa wymienione wyżej typy fal emitowane z diod mają inne właściwości fizyczne – absorbcję. Jest to zdolność światła do przenikania przez obiekty. W tym przypadku jest to ludzkie ciało. 

Zależność tą można zobaczyć na poniższym rysunku:

 

Krew w większym stopniu nasycona tlenem lepiej pochłania podczerwień. Mniej natleniona zaś lepiej pochłania czerwień. Korzystając z tego faktu procesor smartwatcha za pomocą specjalnych algorytmów ocenia procentową zawartość tlenu we krwi. Pomiar ten przy użyciu szeroko dostępnych komercyjnie czujników waha się w granicach ±5% (lub ±3% w smartwatchach flagowych) od wartości rzeczywistej, przez co nie może być stosowany jako urządzenie medyczne jednak do śledzenia ogólnej kondycji naszego ciała jest to sposób jak najbardziej odpowiedni.

 

Interfejs pomiaru w zegarkach Xiaomi

 

Czujnik tego typu znajduje się w każdym ze smartwartch’y z oferty Xiaomi.

Jednym z takich modeli jest Xiaomi Band 8 Active, który niedawno zadebiutował na polskim rynku 

 

Czujnik tętna – Fotopletyzmografia

 

Zasada działania czujnika

 

Blok tego czujnika korzysta z faktu, że krew w naczyniach krwionośnych przepływa w charakterze pulsacyjnym. Oznacza to, że każde przyśpieszenie przepływu krwi jest ściśle związane z rytmem serca. Przy wykorzystaniu pomiarów odbicia światła mikroprocesor w zegarku jest w stanie określić częstotliwość z jaką te zmiany występują. Ten sposób pomiaru nazywa się pletyzmografia

Warunki pomiaru przedstawiono poniżej:

Dwa górne źródła światła to LED czerwony i LED podczerwony. Czarny punkt w dolnej części rysunku to fotokomórka. Pozwala ona na pomiar natężenia odbitego od naczyń krwionośnych światła. 

Różnice w odbiciu światła w zależności od pulsu człowieka przedstawia poniższy rysunek:

Mierząc czas pomiędzy szczytami prostokątów – czyli zmian odbicia – zegarek jest w stanie określić częstotliwość z jakim one następują, a to jest nic innego niż puls serca wyrażony w uderzeniach na minutę.

Dokładność takiego czujnika w zastosowaniach komercyjnych to przeważnie ±10% od wartości rzeczywistej.

 

Interfejs pomiaru w zegarkach Xiaomi

 

Czujnik PPG znajduje się w każdym z urządzeń Xiaomi typu werable.

Na przykład w opasce sportowej Xiaomi Smart Band 8, która niedawno miała premierę w Polsce.

Akcelerometr  – czujnik przyśpieszenia i położenia

 

Zasada działania i zastosowanie

 

Akcelerometr w smartwatchu jest urządzeniem służącym do pomiaru przyspieszenia liniowego. Pracuje na zasadzie wykorzystania zmian w siłach grawitacyjnych działających na czujnik w celu określenia ruchu urządzenia. Działa na podstawie efektu piezoelektrycznego lub MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) i jest często wykorzystywany do monitorowania aktywności fizycznej, pomiaru kroków, wykrywania ruchu gestów i określania nawyków np. podczas snu.

 

Oto, jak działa akcelerometr w smartwatchu:

1. Efekt piezoelektryczny lub MEMS: Akcelerometr w smartwatchu może działać na zasadzie efektu piezoelektrycznego lub MEMS. W przypadku MEMS, mikromaszynowa struktura mechaniczna jest osadzona na mikroprocesorze, co pozwala na pomiar przyspieszenia.

2. Oś pomiaru: Akcelerometr zazwyczaj ma trzy osie pomiarowe: X, Y i Z. Oś X odpowiada za ruch wzdłuż szerokości, oś Y za ruch wzdłuż długości, a oś Z za ruch w górę i w dół. Dzięki tym trzem osiom, akcelerometr jest w stanie pomiar przyspieszenia w dowolnym kierunku.

3. Pomiar przemieszczenia: Akcelerometr mierzy zmiany prędkości i przyspieszenia w każdej z osi pomiarowych. Wykorzystuje to do obliczenia przemieszczenia i orientacji urządzenia w przestrzeni. Na przykład, jeśli smartwatch jest w spoczynku na płaskiej powierzchni, akcelerometr będzie rejestrował jedynie siłę grawitacyjną działającą na osi Z.

4. Ruch i interakcje: Akcelerometr jest również używany do wykrywania ruchu gestów użytkownika, takich jak machanie ręką, potrząsanie smartwatchem, czy obracanie nadgarstkiem. To pozwala na kontrolę smartwatcha bez dotykania ekranu.

5. Aplikacje i monitorowanie aktywności: Dzięki akcelerometrowi smartwatch jest w stanie monitorować aktywność użytkownika, w tym liczenie kroków, monitorowanie treningów sportowych, wykrywanie spoczynku i aktywności oraz monitorowanie przebiegu snu.

 

Czujnik ten znajduje się w każdym ze smartwatch’y Xiaomi. Na przykład w modelu:

Xiaomi Redmi Watch 3.

 

Czujnik pojemnościowy – Temperatura

 

Zasada działania czujnika

 

Czujnik ten ma za zadanie mierzyć temperaturę wyrażając ją jako zmiana pojemności wbudowanego kondensatora. 

Kondensator taki zbudowany jest z dwóch okładek przewodzących prąd elektryczny oraz materiału – zwanego dielektrykiem – umieszczonego pomiędzy nimi.

Dielektryk wybierany jest w taki sposób aby zmieniał swoje właściwości elektryczne bądź rozmiar w zależności od temperatury.

Jednym z takich materiałów jest polidimetylosiloksan (PDMS), który traci swoje właściwości elektryczne przy wzroście temperatury. Pojemność kondensatora spada wtedy w tempie 156 fF/oC (femto Farady na stopień Celsjusza). Co pozwala na precyzyjny pomiar temperatury, ponieważ materiał ten zachowuje niemalże ścisłą liniowość. Oznacza to tyle, że taka sama zmiana pojemności następuje co stopień Celsjusza.

Oto ogólny sposób pomiaru pojemności:

Mostek pojemnościowy:

• W mostku pojemnościowym stosuje się cztery kondensatory: jeden kondensator o nieznanej pojemności i trzy znane kondensatory.

• Mostek ten jest zasilany znanym napięciem z źródła.

• Kiedy mostek zostaje zrównoważony (czyli różnica napięć na dwóch gałęziach mostka jest równa zeru), znana pojemność kondensatora jest używana do obliczenia nieznanej pojemności. Obliczenie wynika z prostej proporcji.

Mikroporcesor w zegarku po otrzymaniu wartości pomiaru jest w stanie określić korzystając z wczytanej wartości (156 fF/oC) jaka temperatura panuje przy skórze człowieka noszącego zegarek.

2. Interfejs pomiaru w zegarkach Xiaomi

 

Czujnik taki znajduje się w dwóch modelach zegarków Xiaomi: Watch 2 Pro oraz Watch S1 Pro

Pomiar bioimpedancji – skład ciała

 

Zasada działania

 

Pomiar bioimpedancji w smartwatchu jest technologią, która wykorzystuje zjawisko elektrycznej impedancji tkanek ludzkich do pomiaru różnych parametrów związanych z ciałem. Są to parametry takie jak procentowa zawartość tłuszczu, wody, masy kostnej, białka itp. 

Oto dokładniejsze wyjaśnienie działania pomiaru bioimpedancji w smartwatchu:

Bioimpedancja: Impedancja jest oporem elektrycznym tkanek ludzkich wobec przepływu prądu elektrycznego. Ta impedancja zależy od właściwości biologicznych, takich jak zawartość wody, tłuszczu i innych składników. Określenie bioimpedancji polega na pomiarze zmian impedancji w odpowiedzi na przepływ niewielkiego prądu elektrycznego przez ciało.

Elektrody: W zegarku Xiaomi Watch 2 Pro elektrody umieszczone są na przyciskach bocznych. Przyłożenie palców drugiej ręki do tych przycisków (w momencie pomiaru są to elektrody), powoduje zamknięcie obwodu pomiarowego.

Prąd elektryczny: Smartwatch generuje niewielki prąd elektryczny (rzędu 100nA) i wprowadza go do organizmu za pomocą elektrod. Zegarek staje się w tym momencie źródłem prądowym (wymusza przepływa zadanego prądu). Kiedy do elektrod przyłożone zostaną palce obwód zostaje zamknięty i to zamknięcie właśnie powoduje przepływ prądu, który wymusza napięcie elektryczne zależne od oporu tkanek. Dzięki czemu korzystając z prawa Ohma mikroprocesor zegarka jest w stanie obliczyć impedancję i jej zmiany.

Wyniki: Po zebraniu danych pomiarowych zegarek wyświetla je na przygotowanym interfejsie.

 

2. Interfejs pomiaru w zegarkach Xiaomi

 

Pomiar ten zapewnia tylko jeden z zegarków Xiaomi. Jest to nowy model Xiaomi Watch 2 Pro.

Czujnik światła

 

Zasada działania i zastosowanie

Czujnik światła jest de facto fotorezystorem. Oznacza to, że rezystancja tego elementu zmienia się w zależności od padającego na sensor światła. 

Przedstawia to poniższy rysunek:

 

Czujnik ten odpowiada stricte za energooszczędność smartwatch’a. Pozwala on dostosować jasność ekranu w zależności od światła otoczenia.

Drugim zastosowaniem tego czujnika jest wsparcie pomiaru snu. Dzięki pomiarowi natężenia światła zegarek jest w stanie określić czy znajdujemy się w ciemnym pomieszczeniu, a to może wskazywać na sen.

Jeśli chcemy zapewnić sobie wygodę korzystania ze smartwatcha niezależnie od światła otoczenia (a w jasnych pomieszczeniach ręczne zmienianie jasności może być uciążliwe), to polecam wybrać jeden z modeli posiadających to udogodnienie.

Na przykład jest to opaska sportowa Xiaomi Mi Smart Band 7 Pro

 

Podsumowanie

 

Czujniki stanowią integralną część smartwatcha, poprawiając jego funkcjonalność i użyteczność. Dzięki różnorodności czujników, smartwatche stają się coraz bardziej wszechstronnymi urządzeniami, które pomagają użytkownikom monitorować swoje zdrowie, prowadzić aktywny tryb życia oraz dostarczać spersonalizowane informacje.

Omówione czujniki są najczęstszym obiektem zainteresowań wśród klientów.

Jeśli zaciekawił Cię ten artykuł i chciałbyś stać się posiadaczem jednego z Naszych zegarków zapraszam na stronę mi-store.pl lub do salonów stacjonarnych.

To tyle ode mnie.

Kamil Pokrywa

p. ob. kierownika w Xiaomi Store Wrocław