Акселерометр в фитнес браслете для чего
Акселерометр в гаджетах
Датчик под названием акселерометр (он же G-сенсор) создан для того, чтобы определять наклон устройства относительно положения земли. Так, каждый владелец смартфона или фитнес-браслета, часто не подозревая об этом, использует акселерометр.
Практически все современные смартфоны и планшеты оснащаются акселерометром. Он необходим для того, чтобы замерять уровень смещения относительно уровня покоя, в любое время замерять активность человека, распознавать и демонстрировать положение в пространстве. Встроенный акселерометр дает возможность оперативного управления телефоном за счет моментального реагирования на изменения его положения. За счет этого устройства при смене положения смартфона поворачивается его экран для максимального удобства. Кстати, именно акселерометр защищает от удаления всех записей в случае непредвиденной ситуации. Таким образом акселерометр является незаменимым элементом любого смартфона.
Если в смартфонах такой датчик устанавливается для определения положения экрана, то в фитнес-браслетах он применяется с единственной целью: подсчет числа сделанных шагов, а также определение пройденной человеком дистанции. Большинство моделей фитнес-браслетов также могут определять сердечный ритм и различать состояние бодрствования и сна.
В часах акселерометр устанавливается с той же целью, что и в фитнес браслетах Устройство подсчитывает количество шагов, показатели физической активности, создает отчеты в соответствующих приложениях, подсчитывает, какое количество калорий человек потратил в процессе физической тренировки. Фитнес-часы – это отличное устройство для тех, кто занимается спортом и следит за своим здоровьем.
Как это работает?
G-сенсор представляет собой крошечный чип. Он ставится на плате устройства. В двух словах: данный чип представляет собой особую инертную массу, которая крепится к достаточно гибкой и подвижной составляющей части, закрепляемой на на подвижном элементе. Чтобы подавлять любые случайные мини колебания инертная масса должна быть присоединена к демпферу.
Принцип акселерометра заключается в том, что он производит замер уровня смещения относительно уровня состояния покоя. Далее происходит преобразование получаемой информации в электросигнал. Последний, в свою очередь, переходит к программному обеспечению, электронике. Так выглядит упрощенный пример работы датчика. Чтобы акселерометр давал точные результаты для его изготовления требуются максимально точные пропорции и расчеты. Датчик не создается вручную. Для его изготовления используются химические реакции и полностью автоматизированное производство.
В чем преимущества фитнес-браслета со встроенным акселерометром?
Любой акселерометр-браслет намного удобнее, чем смартфон, используемый в тех же целях. Можно выделить следующие преимущества таких устройств:
Отличия акселерометра от гироскопа
Сегодня многие не знают, чем отличается гироскоп от акселерометра. Многие путают даже названия этих устройств. Между тем, главное отличие заключается в принципе работы акселерометра и гироскопа. Если акселерометр замеряет уровень наклона по отношению к земле путем расчета собственного успокоения, то гироскоп производит замер угла наклона относительно земли. Эти острова могут работать по отдельности, но в большинстве смартфонов он устанавливаются совместно, дополняя работу друг друга.
Акселерометр: что это, как работает и зачем нужен в фитнес-браслете, часах и смартфоне
Практически в каждом описании характеристик современного смартфона, фитнес-браслета или умных часов можно встретить упоминание датчика под названием «акселерометр». Еще его могут называть «датчик ускорения» или G-сенсор. Что это такое, как работает и зачем нужен в телефоне, часах или браслете, читайте далее.
Акселерометр: что это и зачем нужен?
Простым языком, акселерометр – это прибор, измеряющий ускорение (величину изменения скорости). Название прибора происходит от латинского «accelero», что дословно переводится, как «ускоряю» и греческого «metreō», что в переводе означает «измеряю».
Измерение величины динамического ускорения позволяет определить, насколько быстро и в каком направлении движется устройство с акселерометром. По конструктивному исполнению акселерометры подразделяются на однокомпонентные, двухкомпонентные, трёхкомпонентные (одноосевые, двух осевые и трехосевые). Например, 3-осевой датчик ускорения может определять величину и направление ускорения как векторную величину во всех трех осях.
Часто этот датчик путают с гироскопом, но это совершенно разные датчики, хотя часто они взаимодополняют друг друга для достижения более точных результатов, а иногда даже могут выполнять одни и те же функции. Отличаются же эти датчики принципом работы и эффективностью при выполнении конкретной задачи.
В основном в устройствах акселерометр используется для определения ориентации, ударов, вибрации и ускорения координат. Например, в смартфонах именно акселерометр отвечает за переворот картинки при изменении положения корпуса, а фитнес-браслетах он активирует экран при вращении запястья.
Где применяется акселерометр?
Датчик ускорения применяется в самых различных сферах:
Как работает акселерометр?
Большинство устройств оснащается емкостными, пьезорезистивными и пьезоэлектрическими приборами. Часто акселерометр представляет собой микроэлектромеханическую систему (MEMS), содержащую несколько компонентов, каждый размером от 1 до 100 микрометров. Размер же прибора обычно не превышает габариты спичечной головки.
Механический акселерометр
Объяснить принцип работы акселерометра проще на механическом приборе. Он состоит из пружины, прикрепленной к корпусу, подвижной массы и демпфера. Масса или, проще сказать, грузик, крепится к пружине. С обратной стороны грузик поддерживает демпфер, гасящий вибрации грузика. Во время ускорения корпуса пружина деформируется (растягивается или сжимается) по противоположным осям под воздействием грузика, стремящегося сохранить свое первоначальное положение, то есть отстать или опередить корпус. На величине деформации и основываются вычисления прибора.
Для получения информации о положении предмета в трехмерном пространстве используется три таких прибора, объединенных в один комплекс.
Конечно же, никто не будет «запихивать» в компактный фитнес-браслет или смартфон такую громоздкую конструкцию. Поэтому она заменяется миниатюрным чипом. Хотя чип и более сложный, чем прибор с шариком и пружиной, он имеет те же основные элементы.
У такого чипа имеется корпус, который крепится к часам или смартфону, «гребенчатая» секция с отведенными по сторонам пластинами и ряд фиксированных пластин, снимающих показания. Эта секция может перемещаться вперед и назад, изменяя значение напряженности поля вокруг контактов. Полученные данные передаются на обработку электроникой и программным обеспечением, после чего происходит вычисление физического расположения устройства.
Внутренняя работа акселерометра 
Но самое интересное, как изготавливаются такие акселерометры. При толщине примерно 500 микрон ни один инструмент не сможет его создать. Вместо этого инженеры используют некоторые уникальные химические свойства кремния и силикона с другими веществами. Весь процесс изготовления полностью автоматизирован и выполняется на конвейерных линиях без участия человека.
Также понять как работает акселерометр поможет короткое видео ниже:
Чем отличается акселерометр от гироскопа?
Хотя в некоторых случаях гироскоп и акселерометр и могут выполнять одни и те же функции, это два абсолютно разных датчика, которые часто используются в паре для достижения максимального эффекта. Часто такой дуэт называют 6-осевым датчиком.
Акселерометр не умеет точно измерять угол поворота устройства в пространстве, а может лишь примерно его оценить. На практике это может выражаться в ложных срабатываниях и задумчивости в повороте экрана. И тут на помощь приходит гироскоп. Не вдаваясь в подробности о принципе работы данного прибора, скажем, что он может определять не только угол поворота устройства, но и скорость поворота, что, например, во время игры на смартфоне позволяет реализовать более быстрое и точное управление.
Поэтому в большинстве устройств эти два прибора устанавливаются совместно для достижения наибольшей эффективности.
Акселерометр в фитнес-браслете и смарт-часах
В фитнес-браслетах и умных часах акселерометр отвечает за несколько функций. Обнаруживая поднятие или вращение руки, он отдает сигнал для включения экрана. Также именно акселерометр отвечает за подсчет шагов и мониторинг сна. На акселерометре «завязана» и работа функции «Умный будильник», который будит владельца гаджета в фазе быстрого сна.
Акселерометр в телефоне
Первый акселерометр появился в телефоне Nokia 5500. Там он использовался для подсчета пройденных шагов. Такое решение многим понравилось и с тех пор компания Apple стала оснащать таким датчиком все модели своих iPhone. А начиная с iPhone, если не ошибаюсь, четвертого поколения, в дополнение к акселерометру компания стала оснащать свои смартфоны гироскопом. После этого наличие этой пары датчиков стало стандартом для большинства производителей мобильных устройств.
Акселерометр в телефоне отвечает не только за поворот экрана при наклоне корпуса. Он так же как и в случае с фитнес-браслетом позволяет вести учет пройденного расстояния. Еще акселерометру нашли применение в системных жестах. Например, отключение звука телефона встряхиванием или переворотом смартфона вниз экраном.
Как откалибровать акселерометр?
В некоторых случаях может потребоваться настройка или калибровка акселерометра. Например, если телефон не реагирует на поворот корпуса или не точно считаются шаги. Для смартфонов под управлением операционной системы ANDROID для этих целей есть несколько сторонних приложений, например GPS Status & Toolbox. Для iPhone таких приложений нет, поэтому в случае сбоев придется ограничиться перезагрузкой устройства. Обычно это помогает.
Некоторые производители фитнес-браслетов и смарт-часов также позволяют откалибровать акселерометр. Точнее, не откалибровать, а «обучить» с помощью «Меток поведения», то есть помогая датчику более точно понимать, какое именно действие владелец гаджета выполняет в тот или иной момент. Такая возможность есть у владельцев популярной линейки Xiaomi Mi Band и ряда других моделей.
Сергей Васильев
Интересуюсь всем, что касается умных часов, фитнес-браслетов и другой носимой электроники. С удовольствием поделюсь последними событиями в мире гаджетов, постараюсь помочь подобрать оптимальную модель и разобраться с основными настройками.
Как работают фитнес-браслеты и спортивные часы
Содержание
Содержание
За последние годы резко выросла популярность фитнес-браслетов и умных часов. В период пандемии носимые девайсы стали особенно актуальны. Проводя большую часть времени дома, люди хотят следить за своим здоровьем. Давайте разберемся, как работают основные функции этих устройств. Выясним, стоит ли переплачивать за «новомодные» опции, которые удорожают девайс.
Бесконтактная оплата
Полезная функция, ставшая особенно востребованной во время эпидемии коронавируса. NFC (Near Field Communication) позволяет оплачивать покупки бесконтактно, приложив часы к терминалу.
Для этого в них установлен специальный NFC-чип. Доставать телефон из кармана нет необходимости — главное, чтобы с ним была связь. Каждый производитель продвигает свою платежную систему. Самые популярные: Samsung Pay, Apple Pay и Google Pay. Выбирайте в зависимости от того, что поддерживает ваш смартфон.
NFC является подвидом технологии радиочастотной идентификации RFID (Radio Frequency Identification). Оба метода осуществляют бесконтактный обмен данными при помощи радиочастотного электромагнитного излучения. NFC использует определенную частоту RFID (13,56 МГц) и действует на значительно меньшем расстоянии. Обычно оно не превышает десятка сантиметров.
Когда покупатель приближает мобильное устройство к платежному терминалу, технология NFC начинает работать. Используя частоту 13,56 МГц, терминал и смартфон передают друг другу зашифрованную информацию для завершения платежа. Все это занимает считанные секунды. Скорость — одно из главных преимуществ платежей NFC. Технология пересылает до 424 Кбит в секунду. На передачу информации уходит меньше времени, чем на транзакции с магнитной полосой, чипами в картах или операции с наличными.
Второе преимущество — безопасность платежей. NFC намного безопаснее, чем карта с магнитной полосой. В отличие от статичных данных, размещенных прямо на банковской карте, данные, участвующие в транзакции NFC, зашифрованы и постоянно меняются.
Например, Samsung Pay, Apple Pay и Google Pay используют технологию токенизации для защиты банковских реквизитов. Вот как это работает: ваши реквизиты заменяют серией случайно сгенерированных чисел (токен). Токен выглядит как обычный номер карты, заменяя его во время транзакций. Алгоритм для получения номера основного счета отсутствует. В результате нет смысла красть токен, т. к. создать на его основе платежный инструмент не получится.
Проигрывание музыки
В некоторых моделях есть встроенная память, которая позволяет загружать музыку прямо на часы. На тренировку не нужно брать телефон — достаточно подключить беспроводные Bluetooth-наушники напрямую к умному устройству. В основном, этой фишкой могут похвастать часы с операционной системой Android Wear.
Шагомер и GPS
Вычисление пройденного расстояния и подсчет количества шагов осуществляется при помощи комбинации двух датчиков. Первый называется акселерометром. Он определяет ускорение объекта. Второй датчик — гироскоп. Он отслеживает положение в пространстве.
Таким образом, датчики определяют, находится ли рука с браслетом в покое, или же движется с ускорением, при котором меняется ее ориентация в пространстве. Информация передается в процессор, который обрабатывает ее при помощи специального алгоритма. По итогу вы видите на экране количество пройденных шагов.
Чтобы посчитать расстояние, учитываются вес и рост владельца. Их предложат указать при первой настройке приложения-компаньона для смартфона. По этим данным вычисляется примерная длина шага.
Алгоритм не идеален, поэтому в моделях среднего и высшего ценового сегмента дополнительно устанавливают датчик GPS. Подключаясь к спутникам, он определяет местоположение в каждый момент времени. Благодаря этим данным, происходит более точный расчет расстояния. Это помогает как при обычном расчете шагов, так и при построении маршрута тренировки.
Также GPS будет полезен тем, кто хочет знать, где находится ребенок. На смартфон одного из родителей устанавливается специальное приложение. С помощью него можно в реальном времени наблюдать местоположение сына или дочери, если они носят детские часы, снабженные датчиком GPS. Более того, некоторые «умные» часы уведомят родителей, если ребенок покинул «безопасную» зону: школу, дом и т. д.
Кнопка SOS и микрофон
Чаще всего кнопкой SOS по умолчанию снабжены детские часы. В случае опасности ребенок может нажать ее, чтобы отправить уведомление в приложение или на заранее указанные номера телефона.
Остальные модели чаще всего оснащены аналогичной функцией, но предлагают отправить экстренное сообщение по нажатию определенной комбинации кнопок. Наиболее современные версии способны отправить предупреждение автоматически, если, например, владелец часов упал и не двигается больше минуты.
Следует отметить, что многие детские часы позволяют родителям включать функцию прослушивания, чтобы узнать, что происходит рядом с ребенком.
Для этих целей в устройство встроен небольшой микрофон: обычно его размеры не превышают пары миллиметров. Функцией можно пользоваться в любое время, но особенно она полезна именно в экстренных ситуациях.
Датчик снятия
Такого рода датчиками часто оснащают детские часы. Благодаря этому родители могут узнать, если ребенок вдруг решит снять гаджет или кто-то сделает это за него. Требуется включить уведомления в настройках.
Оптический датчик находится на стороне, соприкасающейся с рукой. Он спрятан под прозрачным стеклом. Датчик сможет распознать, что часы были сняты, если перед этим их носили на руке хотя бы несколько минут подряд. Для этого он излучает свет, а затем ловит отраженный оптический сигнал, определяя наличие руки в непосредственной близости к датчику.
Функция поиска смартфона
«Умные» часы могут отслеживать, не потерян ли смартфон, причем делают это двумя способами. Так, если владелец часов удалится на некоторое расстояние от смартфона, часы подадут сигнал, предупреждающий о возможной потере. Кроме того, если смартфон все же был потерян, можно вызвать его с помощью часов. Телефон подаст звуковой сигнал, даже если перед этим он был переключен в режим вибрации.
Функция работает, если соблюдены несколько условий. Во-первых, оба гаджета должны быть включены. Во-вторых, часы должны быть подсоединены к смартфону через Bluetooth. И, наконец, телефон и часы должны находиться на небольшом расстоянии друг от друга.
Пульсометр
Наверняка вы замечали, что при измерении пульса два светодиода на задней крышке часов излучают зеленый свет.
Недостатком метода является повышение погрешности вместе с учащением пульса. Это происходит, если частота сердечных сокращений превысит 100 уд/мин. В любом случае, фитнес-браслет или часы — это не медицинский прибор, поэтому производители зачастую даже не указывают процент неточности измерений.
Счетчик калорий
За подсчет калорий ответственна математическая модель. У каждого производителя она своя.
Обычно такие модели используют показатели активности, о которых речь шла выше, накладывая их на данные о владельце. Некоторые девайсы также умеют распознавать вид активности (ходьба, шаг, плавание, велосипед). Такие модели более точны: ведь при разной нагрузке количество затрачиваемых калорий отличается.
Распознавание фаз сна и умный будильник
Сон человека состоит из двух фаз. Медленная длится примерно три четверти всего отдыха, остальное время занимает быстрая. Эти фазы чередуются: быстрый сон наступает примерно каждые час-полтора и длится около десяти минут.
Во время глубокой фазы человек не двигается, его пульс замедлен и стабилен. А при быстром цикле учащается сердцебиение, глазные яблоки начитают быстро двигаться. Используя акселерометр и пульсометр, часы и браслеты способны мониторить эти изменения.
Наиболее подходящей для пробуждения считается быстрая фаза. Поэтому в некоторых моделях доступна опция «умный будильник». Для нее указывается не конкретное время срабатывания, а временной промежуток. Например, с 6:30 до 7:00 утра. Браслет выжидает наступления быстрой фазы в этот период. Как только это случается, срабатывает будильник. Человек, проснувшийся таким образом, не будет испытывать слабость и разбитость.
Датчик кислорода
Эта фича актуальна в период пандемии. Принцип измерений не отличается от медицинского прибора пульсоксиметра. Инфракрасный светодиод производит излучение, которое идет через ткани, отражается и возвращается назад, попадая на детектор.
По количеству света, поглощенного кровью, определяется так называемая сатурация. Это степень насыщения кислородом. В норме, она должна быть не менее 94%.
В часах и фитнес-браслетах кардиограмма измеряется методом Марея. Имеются два датчика. С первым мы уже знакомы — он определяет уровень давления крови (фотоплетизмография). Второй фиксирует объем крови и интенсивность ее передвижения. Таким образом, можно определить уровень расширения сосудов, что и является признаком повышения давления.
Используя эти данные, микропроцессор производит вычисления и строит ЭКГ. Сильно доверять часам не стоит. Сам метод Марея подразумевает определенную неточность, а расположение датчиков вносит дополнительную погрешность. Информацию нужно использовать лишь как повод для обращения к специалисту — кардиологу.
Напоминание о разминке
Практически во всех фитнес-браслетах есть функция, которая распознает, что пользователь долго сидит на одном месте. Ее можно настроить, выбрав определенный временной интервал. Например, если вы трудитесь в офисе, можно установить его в рамках рабочего времени.
Настройки разминки в приложении Zepp для часов Amazfit
Если в течение часа датчики не показывают активности, а уровень пульса стабилен, устройство понимает, что владельцу необходимы физические упражнения. Браслет вибрирует, напоминая, что нужно встать со стула и разогнать кровь по организму.
Барометр и термометр
Обычные фитнес-браслеты и смарт-часы берут информацию о погоде из интернета. Но существуют также продвинутые спортивные варианты. Благодаря встроенным датчикам, они умеют измерять температуру и атмосферное давление. Это может быть полезно в походах, на рыбалке и при других видах активности.
Барометр в часах представляет собой небольшую металлическую емкость с вакуумом внутри, вибрация которой позволяет измерить колебания давления. Эти колебания переводятся в электронный сигнал, который обрабатывает процессор, а конечные результаты выводятся на экран часов. За измерения температуры отвечает компактный термометр.
Выводы
Популярность фитнес-браслетов и умных часов в последние годы сильно выросла — производители стали уделять больше внимания маркетингу. Порой они добавляют новые функции просто для того, чтобы получить преимущество над конкурентами.
Например, новомодная фича снятия ЭКГ работает неточно, позволяя выявить лишь сильные патологии сердца. При этом компания делает упор именно на нее в рекламе Apple Watch и других девайсов.
Датчик кислорода актуален лишь во время пандемии. Производители пытаются максимально «хайпануть», по максимуму укомплектовав им новые устройства. Когда эта ситуация разрешится, обычному человеку он вряд ли понадобится — до 2020 года вы скорее всего не слышали о существовании такого прибора, как пульсоксиметр.
Есть и узконаправленные опции: измерение атмосферного давления и температуры, проигрывание музыки с часов, функции слежения за ребенком. За них стоит переплачивать, только если вы точно знаете, зачем они вам нужны.
Наметилась приятная тенденция — даже недорогие модели стали оснащать GPS. Он повышает точность измерений и будет максимально полезен в любом устройстве.
Бесконтактная оплата появляется даже в бюджетных фитнес-браслетах, что говорит о ее популярности. Более половины россиян пользуются NFC, за наличие этого чипа явно стоит доплатить.