《物联网概论》课件 第09章 智能穿戴

第9章

智能穿戴9.1智能穿戴概述9.2智能穿戴技术9.3智能穿戴应用9.4智能可穿戴设备发展趋势9.5本章小结2第9章

智能穿戴学习目标了解：智能穿戴设备的定义、类型、工作原理、特点以及发展历史，熟悉各类设备在物联网环境下的应用情况。掌握：智能穿戴设备的关键技术、组成部件和应用场景。理解：智能穿戴设备在物联网中的集成方式、实现方法和安全威胁。以及各类传感器在各种穿戴设备中的应用原理。分析：通过设备的应用设计，分析智能穿戴技术与其他前沿技术如人工智能、大数据的融合技术，以及如何针对特定技术的融合进行优化开发。智能穿戴3引言智能穿戴——未来的生活伙伴。智能可穿戴设备是一种可以穿在身上或贴近身体并能发送和传递信息的便携式电子计算设备利用传感器、射频识别、全球定位系统等信息传感设备，接入移动互联网，在软件支持下感知、记录、分析实现收集到的各种实用数。将有用的信息反馈给用户，方便人与物随时随地的信息交流，是当今物联网技术的主要产物。智能穿戴4按使用场合可以分为生活健康、信息咨询、体感控制等。按产品功能可以分为健康、健身追踪、通讯、娱乐、虚拟现实等。发展演化：微型化、无线传输、不影响用户活动等。引言智能穿戴5图9.1不同领域的常见不同智能设备引言智能穿戴6智能腰带智能手表智能眼镜智能耳机……1智能穿戴设备的概念2智能穿戴设备特点3智能穿戴设备分类9.1智能穿戴概述7智能穿戴9.1.1智能穿戴设备的概念8智能穿戴设备（SmartWearableDevices）：又称可穿戴设备，是指内嵌在服装中，或以饰品、随身佩戴物品形态存在的电子通信类设备，可直接穿戴在身上，具有智能感知、计算和交互功能。发展历史：可追溯至20世纪80年代，并逐渐发展。手动怀表自动机械表智能手表9.1.1智能穿戴设备的概念9智能穿戴图9.2可穿戴式智能设备典型框架传感器处理器移动终端处理数据2G/3G/4G/5G/WiFi远程服务器和数据中心9.1.2智能穿戴设备特点穿戴性：获取外部环境和自身状态信息以便进行自我行为监视和控制，包括各种传感装置。智能性：基于预设的任务目标和第一步获得的感知数据，通过智能算法和模型完成智能机器人的认识、推理、判断与决策并转化为机器人的行为和动作。交互性：执行系统将认知（决策）系统生成的指令转化为机器人实际的运动行为和操作动作，包括机械结构、执行器和执行控制器等。连接性：是机器人与环境、与人，以及群体机器人之间进行信息交互、协调的重要组成部分。便携性：多机器人利用物联网通过高效通信协同工作。主要特点10智能穿戴9.1.3智能穿戴设备分类11智能穿戴需要注意的是，以上分类方式并不是完全独立和互斥的。现实中的智能穿戴设备往往兼具多种特点和功能，可以跨越多个分类范畴。随着技术的不断发展和应用场景的拓展，智能穿戴设备的形态和功能也在不断演进，未来可能还会出现新的分类方式和产品类别。有针对性地开展技术研发、产品设计和市场推广，满足不同领域用户的需求。同时，跨类别的融合创新也是智能穿戴设备发展的重要方向之一。9.1.3智能穿戴设备分类12智能穿戴头部穿戴设备：如智能眼镜、智能头盔、脑电波耳机等手腕穿戴设备：如智能手表、智能手环等服饰类穿戴设备：如智能服装、智能鞋袜等其他部位穿戴设备：如智能饰品、智能贴片等按穿戴部位分类9.1.3智能穿戴设备分类13智能穿戴按功能特点分类健康监测类：如心率监测手环、血压监测手表、睡眠追踪器等运动追踪类：如智能运动手表、智能跑鞋、智能瑜伽服等信息交互类：如智能通知手表、智能语音助手眼镜等娱乐多媒体类：如智能音频眼镜、智能VR头盔等工业应用类：如智能工业头盔、智能工作手套等9.1.3智能穿戴设备分类14智能穿戴按目标用户分类普通消费者穿戴设备：面向大众用户，注重时尚设计和便捷体验专业运动员穿戴设备：面向专业运动员，注重专业数据分析和竞技提升医疗康复穿戴设备：面向医疗和康复领域，注重生理数据监测和远程诊断工业领域穿戴设备：面向特定行业应用，注重环境感知和人机协同9.1.3智能穿戴设备分类15智能穿戴按技术特点分类传感技术主导型：注重多传感器数据融合与分析，如智能运动手环人工智能主导型：注重机器学习和智能算法，如智能语音交互手表虚拟/增强现实主导型：注重沉浸式体验和信息叠加，如AR智能眼镜柔性电子主导型：注重穿戴舒适性和贴身感，如智能纺织服装9.1.3智能穿戴设备分类16智能穿戴按照通信方式分类直接和互联网结合，如通过蓝牙或者wifi等；通过中转介质（如路由器、中继器等）和互联网结合；与智能设备结合。1传感器技术2电池技术9.2智能穿戴技术173无线通信技术4大数据及边缘云计算技术9.2.1传感器技术—运动感知类传感器18智能穿戴运动感知类传感器(Motion-awaresensors)是一种用于检测和测量物体运动状态的设备，它们能够监测物体的加速度、角速度、位移等参数，从而实现对物体运动状态的监测和跟踪。应用场景：智能穿戴设备、虚拟现实、体感游戏、运动医学、无人机、智能交通等领域。运动感知类传感器的类型：包括加速度传感器、陀螺仪、红外线传感器等。加速度传感器通过测量物体的加速度来判断物体的运动状态，陀螺仪传感器通过测量物体的角速度和转动方向来判断物体的旋转状态，红外线传感器通过检测目标自身与背景的红外差异，可以获得不同的红外图像。加速度传感器9.2.1传感器技术—运动感知类传感器19智能穿戴工作原理：通过测量物体的加速度来判断物体的运动状态，常用于手机的屏幕旋转、运动跟踪等应用中。。陀螺仪传感器：工作原理：通过测量物体的角速度和转动方向来判断物体的旋转状态，常用于飞行器、无人车等需要实时感知方向的应用中。红外传感器：工作原理：通过检测目标自身与背景的红外差异，可以获得不同的红外图像。加速度传感器：三轴加速传感器红外线传感器陀螺仪传感器9.2.1传感器技术—环境感知类传感器20智能穿戴环境感知类传感器(Environment-awaresensors)是一种能够感知和监测环境条件的设备，它们能够测量和检测大气、水域和土壤等各种环境参数。这些传感器通常由传感器元件、数据处理单元和通信模块组成。应用场景：智能穿戴设备、大气环境检测、水域环境检测、城市智能化环境感知类传感器的常见类型：环境感知类传感器包括多种类型，如温度传感器、湿度传感器、气压传感器、紫外线指数传感器、噪声传感器和环境光传感器等温度传感器9.2.1传感器技术—生理参数检测类传感器21智能穿戴生理参数检测类传感器(Physiologicalparameterdetectionclasssensor)是一种能够测量人体生理信号的设备，它通过将这些信号转换为可测量的电信号，再经过放大、滤波等处理，最终得到准确的生理参数值。这些参数包括心电、呼吸、血压、体温、血氧饱和度等，用于反映人体健康状况和疾病程度。应用场景：心电图监测、血压监测、呼吸频率监测、体温监测生理参数检测类传感器的常见类型：生理参数检测类传感器包括多种类型，如血液参数传感器、化学传感器、光学生物传感器、电化学生物传感器、声学生物传感器和生物活性传感器等声学生物传感器9.2.1传感器技术—生理参数检测类传感器22智能穿戴图9.11生理参数监控传感9.2.1传感器技术—特点23智能穿戴

这些特点极大的促成了生物信息的获取、易于随身携带、生物信号监测、智能可穿戴式设备设计等功能的实现。精确度高体积小功耗低综合性信息的采集低信噪比响应速度快高灵敏度和高选择性多功能性9.2.2电池技术24智能穿戴电池技术的需求：可穿戴式智能设备通常要求电池具有高能量密度、小型化、轻量化、长循环寿命和快速充电能力。目前较适合的电池：锂离子电池是可穿戴式智能设备中最常用的电池类型，具有高能量密度、低自放电率和快速充电能力，且使用寿命较长，能够承受数百甚至上千次的充放电循环。新兴电池技术：新兴的电池技术，如固态电池、硅负极材料电池和锂硫电池，正在被研究和开发，以期提供更高的能量密度、更长的循环寿命和更好的安全性。9.2.3无线通信技术25智能穿戴可穿戴式智能设备依赖于无线通信技术实现与其他设备的连接和数据交换，通常采用蓝牙技术、Wi-Fi技术、NB-loT技术(窄带物联网)、4G/5G技术等通信技术。无线通信技术在可穿戴式智能设备领域的难题和发展方向：难题：无线通信技术的能耗问题是重要的限制因素，特别是在电池容量有限的可穿戴设备中。其次，无线通信技术的安全性和隐私保护也是一个亟待解决的问题，因为可穿戴设备收集的数据往往涉及用户的个人隐私。此外，无线通信技术的覆盖范围和稳定性也是需要考虑的因素，尤其是在复杂的建筑物内部或户外丛林地带中等。发展趋势：包括多模通信技术、数据安全与隐私保护等方面。多模通信技术将允许可穿戴设备同时支持蓝牙、Wi-Fi、蜂窝网络等多种通信方式，以适应不同应用场景的需求。将更加注重数据安全与隐私保护，采用加密技术和权限管理等手段，保护用户的个人信息和数据安全9.2.3无线通信技术26智能穿戴表1几种无线传输方式性能对比9.2.4大数据及边缘云计算技术27智能穿戴应用：主要体现在数据收集、处理和分析方面。通过处理和分析可穿戴设备持续收集用户的健康状况、位置、活动记录等数据，可以为个人健康管理和疾病预防提供丰富的信息。发展方向：云边协同(将云计算的强大计算能力和边缘计算的实时数据处理能力相结合，以提高整体效率和性能)、数据融合技术(通过多个传感器的数据融合，提高识别准确率)、边缘计算模型(不断完善模型，以解决实时性、贷款、能耗、数据安全等问题)大数据及边缘云技术主要难题：主要包括数据安全与隐私保护(存在数据泄露的风险)、计算能力限制(可穿戴设备计算能力有限，难以处理大量复杂数据)、能源限制(可穿戴设备能源有限，长时间计算数据会增加消耗)、网络连接问题(部分偏远地区网络信号无法覆盖)1智能手表2智能眼镜9.3智能穿戴应用283智能头盔4智能装备

9.3.1智能手表—简介29智能穿戴

智能手表是一种集成了智能功能的可佩戴设备，它融合了传统手表的时间显示功能，并具有诸如健康监测、通知提醒、运动追踪、音乐播放、导航等多种智能功能。

养无忧手表

9.3.1智能手表—工作原理简介30智能穿戴

智能手表的工作原理涉及多种技术和组件的配合。主要由主控芯片、显示器、各类传感器、存储器、电池、电源管理系统和无线射频系统组成。智能手表的一般工作原理（见图9.12），当用户戴上智能手表后，它会通过多种传感器感知用户的动作（如手腕的摆动）、监测生理数据（如心率）和接收用户的指令。

智能手表将传感器获取的数据通过蓝牙、WIFI、NFC等短距离传输技术传输给处理器，配合霍尔、GMR、TMR等技术及算法进行处理，并根据用户的需求和设置，通过液晶、AMOLED或电子墨水屏等技术，显示相关的信息、执行应用程序、发送通知等。9.3.1智能手表—工作功能31智能穿戴

随着科技的不断发展，智能手表的功能也得到了不断扩展。现在的智能手表可以支持应用程序的安装扩展，用户可以通过手表运行各种应用程序，如天气预报、地图导航、支付等。此外，一些智能手表还具有脉搏氧饱和度监测、GPS定位、水下运动跟踪等高级功能。智能手表的外观设计也非常多样化，以满足不同用户的审美和使用需求。

总的来说，智能手表通过将智能功能与传统手表相结合，为用户提供了更便捷、智能的佩戴体验，并成为现代生活中的重要配件之一。常见的智能手表功能：（1）运动计步专用：加速度传感器（2）心率检测：光学心率传感器、生物电阻抗传感器（3）睡眠监测：三种不同方案（6）血压、血糖检测：对应传感器模块复杂多样，也有可能只靠算法（4）血氧饱和度检测：光学传感器（5）体温检测：温度传感器9.3.1智能手表—分类32智能穿戴目前，除三星电子、佳明、华米及小天才外，大多数智能手表品牌商将产品设计生产委外给ODM或EMS厂商完成。根据中金企信数据，2021年ODM和EMS厂商总出货量占全球智能手表出货量约76%，预计至2025年，随着更多智能手机厂商向手表市场拓展，ODM/EMS模式渗透率逐步提高至80%。随着智能手表应用人群的增加，根据使用人群，智能手表主要分为儿童智能手表、成年智能手表和老年人智能手表。儿童智能手表主要生产厂商为华为、小天才、小米、360等，主要功能围绕定位、通话、双摄、防水，代表性产品如下图所示。儿童智能手表成年/老年人智能手表成人智能手表主要供应商包括华为、华米、小米、OPPO、荣耀等产品，其中华为成人智能手表数量达到17款，华米有13款，小米有6款，产品数量较多。1984年，Seiko推出了一款名为“MessageWatch”的智能手表，可被认为是智能手表的起点。2023年，华为WatchGT4，为运动监测提供了丰富的参考标准。同年10月，谷歌发布的PixelWatch2内置了三个全新的传感器。华为4x谷歌PixelWatch2小米腕部心电血压记录仪

9.3.2智能眼镜—简介33智能穿戴

智能眼镜，也称智能镜，是一种集成了显示屏、传感器和计算能力的眼镜产品，它可以提供增强现实（augmentedreality）体验，将虚拟信息叠加到现实世界中，让用户可以在眼镜上看到虚拟的信息和图像。

智能眼镜实际上是微型投影仪+摄像头+传感器+存储传输+操控设备的综合体。ConnectedRideGoogleglass9.3.2智能眼镜—应用场景34智能穿戴智能眼镜的应用场景广泛，包括以下几个方面：（1）娱乐和游戏可提供增强现实游戏、虚拟旅游、电影观看等娱乐体验，将用户带入虚拟的世界中。（2）教育和培训可应用于教育和培训领域，如虚拟实验室、语言学习、技能培训等，提供更加交互和沉浸式的学习方式。（3）商业和工业可应用于商业和工业领域，如远程协作、维修保养、数据显示等，提高工作效率和准确性。（4）医疗和健康可应用于医疗和健康管理，如手术辅助、病历查阅、健身跟踪等，提供更好的医疗服务和健康监测。9.3.2智能眼镜—功能35智能穿戴智能眼镜是一种具有计算能力和传感器的眼镜产品，通过增强现实技术将虚拟信息叠加到现实世界中，为用户提供更丰富的视觉体验和功能。智能眼镜的功能图如下图所示。9.3.2智能眼镜—发展历史36智能穿戴1999年，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的研究人员发明了一种名为eGlasses的智能眼镜，开启了智能眼镜的应用进程。2013年，谷歌推出了一款名为GoogleGlass的智能眼镜。2023年7月9日，宝马推出了一款智能眼镜，名为ConnectedRide，可以将导航、速度、挡位等重要数据投影在骑手的视野中。2023年9月，华为推出了华为智能眼镜2，代替骨传导技术，引入全新同向双振膜单元，实现纤巧镜腿设计等。2023年10月，Meta发布了结合AI的雷朋xMeta智能眼镜。2024年3月底，小米新款智能眼镜——MIJIA智能音频眼镜推出。目前市场流行的智能眼镜如下图所示。小米MIJIA华为2雷朋XmetaINMOAir9.3.3智能头盔—对比37智能穿戴传统骑行头盔通常是指非智能化的安全头盔，注重基本的头部保护，主要功能是减轻冲击力提供头部保护。智能骑行头盔相对于传统骑行头盔来说，则是将科技融入头盔设计中，在安全性能的基础上提供了更多的功能和便利，例如内置了蓝牙连接、LED转向灯、自动报警、音乐播放器、AR屏幕GPS导航等智能功能，为骑行者提供更多的便利和安全性智能化体验。EyeRideLIVALL9.3.3智能头盔—发展38智能穿戴Kickstarter平台上第一个做智能骑行头盔的项目（2015年）——Lumos。2020年发起的项目——EyeRide，把AR屏幕做进了智能头盔里。LIVALL是一款内置JBL蓝牙音箱的智能骑行头盔。2024年3月，工业AR+AI技术提供商谷东科技正式发布了2024行业首款工业级5G双目一体式AR智能头盔——H4000。采用可换防爆电池，获得本各级防爆权威认证，如右图所示。Lumos9.3.3智能头盔—应用场景39智能穿戴智能头盔的应用场景多样，主要包括以下几个方面（1）智能交通（2）虚拟现实（VR）和增强现实（AR）（3）安全监测和警示（4）运动和健康管理9.3.4智能装备—领域40智能穿戴从智能手表到智能眼镜等，智能可穿戴设备逐渐成为生活的一部分，脑机接口甚至成为身体的一部分，在健康监测、远程医疗和人机交互等领域发挥着越来越重要的作用。智能装备的原理就是通过传感器感知环境的信息，经过数据采集、处理和分析，采用人工智能算法实现决策和智能化功能，并通过通信和互联实现与外部设备的互动和协作。这样，智能装备就能够适应不同的应用场景，随着硬件的发展与应用领域的扩展，智能装备主要在服装、工业、农业、医疗等领域有着比较成熟的产品产出，为社会生活带来巨大的改变。智能服饰智能机器人智能农业产品9.3.4智能装备—智能服装41智能穿戴智能服装，通常也称为高科技服装，电子纺织品，智能纺织品，一些智能服装使用具有交织电路的高级纺织品，而其他一些则实现柔性传感器和附加硬件以使其具有智能功能。许多智能服装可以使用蓝牙或WiFi连接到辅助设备上的应用程序或程序，提供更加便利舒适的智能化和高效的服务和功能。具有功能性的穿戴服饰，为人们带来舒适的同时，也为生活健康保驾护航，如下图所示。智能服饰9.3.4智能装备—智能工业42智能穿戴智能工业，也称智能制造，是通过技术创新和自动化系统来提升生产效率和产品质量的领域。其核心包括自动化生产线和机器人技术、物联网技术、大数据技术以及云平台和虚拟现实以及增强现实技术。虚拟现实和增强现实技术的应用能够提高产品设计、工艺仿真和培训的效率，从而推动生产过程的可视化和沟通效率。智能工业的发展旨在实现制造业的数字化、网络化和智能化转型，以提升产业竞争力和可持续发展能力。智能工业9.3.4智能装备—智能农业43智能穿戴智能农业，作为农业领域的一大创新，借助智能农业装备先进技术提升了农业生产的效率和质量。这些装备不仅提供了实时监测和数据分析的功能，还能实现自动化操作，从而优化了农业生产流程。此外，智能农业还涵盖了数据驱动的农业管理，通过大数据和人工智能技术分析农业数据，为农民提供决策支持，帮助其优化种植计划、农业资源配置等，提高了农作物产量和质量，如图9.23所示。智能农业的发展为实现精准农业提供了重要技术支撑，有助于推动农业生产方式的转型升级，实现可持续发展。智能农业9.3.4智能装备—特点44智能穿戴智能装备具有以下特点（1）智能感知（2）数据处理和决策：（3）自主性和协作性：（4）通信和连接性：总的来说，智能装备通过集成人工智能和智能化技术，实现对环境的感知和理解，具备自主性和协作性，并可以在各个领域中应用，提供更便捷、高效和智能化的服务和功能。45智能穿戴9.4智能可穿戴装备的发展趋势微型传感器、系统集成、物联网、人工智能、5G技术发展应用技术的发展智能穿戴设备特点：小型化轻量化多样化46智能穿戴9.4智能可穿戴装备的发展趋势智能可穿戴设备智能手表智能眼镜智能背心智能鞋还有智能戒指、智能手套、智能臂章、智能项链和电子文身等。现代可穿戴设备可以进行与医疗器械相当的高质量测量，消费级和医疗级可穿戴设备之间的界限越来越模糊。47智能穿戴9.4智能可穿戴装备的发展趋势穿戴设备市场全球可穿戴设备市场将以11.3%的复合年增长率增长，2025年将达到628.2亿美元。主要公司Fitbit®、Garmin®和HuaweiTechnologies®等公司MeticulousResearch市场预测48智能穿戴9.4智能可穿戴装备的发展趋势传统评估个体活动水平是主观的，依赖于患者回忆及表达，存在主观偏差，而活动传感器可以量化个体活动数据，客观准确地评估身体活动和能量消耗。第一代可穿戴设备主要侧重于通过跟踪个人的身体活动、心率、血压来进行生物物理监测，如手表、