想想可穿戴技術(shù)，以及智能眼鏡，健身手表，遠(yuǎn)程保健監(jiān)視器或變色服裝等設(shè)備增強(qiáng)的未來圖像可能會(huì)浮現(xiàn)在腦海中。雖然這些創(chuàng)新旨在促使消費(fèi)者對日常生活中可穿戴設(shè)備的益處產(chǎn)生興趣，但在可穿戴技術(shù)在勞動(dòng)世界中的應(yīng)用正在取得穩(wěn)步進(jìn)展。無需新奇價(jià)值，無需提供更多身臨其境的體驗(yàn)，歐洲領(lǐng)先的大學(xué)和歐盟資助的各種項(xiàng)目一直在研究可穿戴設(shè)備提高工人效率和安全的潛力，特別是緊急服務(wù)中的響應(yīng)者。

考慮到消防團(tuán)隊(duì)的例子，將個(gè)別團(tuán)隊(duì)成員的位置和生命體征傳達(dá)給任務(wù)協(xié)調(diào)員的信息的價(jià)值，以及對環(huán)境條件的任何變化提供警告的信息的價(jià)值，可以是容易理解。通過實(shí)時(shí)位置信息，任務(wù)控制可以保持整體情況，以便更有效地協(xié)調(diào)團(tuán)隊(duì)。

協(xié)調(diào)和安全

就位置信息而言，建筑物內(nèi)部可能無法實(shí)現(xiàn)可靠的GPS定位。行人航位推算（PDR）算法使用最新的微型精密慣性模塊變得越來越精確，這些模塊集成了多個(gè)MEMS傳感器，以生成加速度計(jì)，磁力計(jì)和陀螺儀讀數(shù)的組合。諸如STMicroelectronics LPS331AP之類的氣壓傳感器也可用于通過提供高度感應(yīng)來提高精度，從而能夠檢測到地板水平。

ecompass模塊，如STMicroelectronics LSM303DTR或Freescale FXOS8700CQ，結(jié)合了3軸數(shù)字線性加速度傳感器和3軸數(shù)字磁傳感器，能夠通過檢測外部磁場的方向和大小，并使用加速度計(jì)測量進(jìn)行傾斜補(bǔ)償，提供精確的羅盤方向。支持設(shè)備供應(yīng)商提供的ecompass軟件有助于設(shè)計(jì)MEMS ecompass模塊，包括提供幫助以實(shí)現(xiàn)傾斜補(bǔ)償和磁校準(zhǔn)等功能。飛思卡爾的Xtrinsic傳感器融合軟件提供與處理器無關(guān)的源代碼，并包含模擬傳感器驅(qū)動(dòng)程序，使開發(fā)人員能夠立即在其選定的處理器平臺(tái)上運(yùn)行該軟件。當(dāng)物理傳感器連接時(shí)，模擬驅(qū)動(dòng)器只需用真實(shí)傳感器驅(qū)動(dòng)器替換。

在消費(fèi)者移動(dòng)應(yīng)用中，PDR算法需要使用來自ecompass的上下文數(shù)據(jù)以及其他傳感器（如MEMS陀螺儀）來防止不可預(yù)測的變化。設(shè)備方向?qū)е掠?jì)算位置不準(zhǔn)確。在專業(yè)的可穿戴應(yīng)用中，在正常使用期間，設(shè)備方向?qū)⒆兓鄬^小。相反，可以使用上下文數(shù)據(jù)來檢測例外情況，例如佩戴者是否已經(jīng)摔倒或被困并且需要救援。 ST的iNEMO系列慣性模塊集成了多個(gè)傳感器，采用緊湊的4 mm x 4 mm x 1 mm LGA-24封裝，可提供高達(dá)9個(gè)自由度（9DOF）的3軸加速度計(jì)，3軸磁力計(jì)和3軸陀螺儀。點(diǎn)擊將MEMS傳感器集成更進(jìn)一步，iNEMO M1板載系統(tǒng)將9DOF慣性傳感陣列與STM32F103微控制器組合在一個(gè)13 mm x 13 mm x 2 mm表面貼裝模塊中，并由iNEMO Fusion Suite提供支持軟件。 Discovery M1板通過該模塊實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)，并集成了LPS331AP壓力傳感器，從而創(chuàng)建了完整的10DOF系統(tǒng)。

對可穿戴解決方案的需求

對于專業(yè)的第一響應(yīng)者，可穿戴解決方案是理想的，并且可能嵌入衣服，如防護(hù)夾克或靴子。這提供了免提便利，并且可以減輕主動(dòng)管理設(shè)備的責(zé)任。語音識(shí)別等集成技術(shù)還可以通過實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵系統(tǒng)功能的語音控制來幫助實(shí)現(xiàn)免提操作。

已經(jīng)啟動(dòng)了許多項(xiàng)目來研究和開發(fā)用于應(yīng)急服務(wù)和其他工業(yè)應(yīng)用的可穿戴技術(shù)。一些例子包括SINETRA（Smart INTEgraTion for Rescue TeAms），它有歐盟資金，由各種商業(yè)組織作為參與者，以及包括弗勞恩霍夫研究所和芬蘭坦佩雷大學(xué)等大學(xué)在內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)。 Wearit @ work是一個(gè)類似的項(xiàng)目，由歐洲委員會(huì)成立，旨在開發(fā)可穿戴計(jì)算，以改善應(yīng)急響應(yīng)，飛機(jī)維護(hù)，汽車生產(chǎn)和醫(yī)療保健等多種應(yīng)用中的服務(wù)和安全。

監(jiān)測生命體征

監(jiān)測心率或呼吸等生命體征可以指示團(tuán)隊(duì)成員是否變得過度緊張并且應(yīng)該被指示退出。傳統(tǒng)上，通過在一個(gè)或多個(gè)位置將電極附著到身體上來測量心率，或者在運(yùn)動(dòng)心率監(jiān)測器（HRM）的情況下，通過附接包含壓電傳感器的胸帶來測量心率。消防員或其他響應(yīng)者使用這兩種方法都不令人滿意，在使命期間不方便，不舒服，并且可能容易移位。

已經(jīng)開發(fā)出光學(xué)脈沖波傳感器，其僅需要皮膚接觸，因此可以集成到腕帶中或耳機(jī)，提供更容易佩戴的監(jiān)測心率的方法。如圖1所示，傳感器包括光發(fā)射器，例如LED和檢測器。這可以是諸如Fairchild QTLP610CPDTR光電晶體管的光電傳感器，并且通過檢測流過諸如動(dòng)脈的血管的血液體積的變化來提供監(jiān)測佩戴者心率的手段。隨著血液體積隨著每次心跳而達(dá)到峰值，來自發(fā)射器的更多光被吸收，導(dǎo)致光電晶體管響應(yīng)的相應(yīng)下降。除了心率監(jiān)測外，還可以將體溫傳感器輕松集成到腕帶或耳機(jī)中。這可以提供額外的數(shù)據(jù)，以幫助協(xié)調(diào)員確定團(tuán)隊(duì)成員是否遇到困難，或出于安全原因應(yīng)退出運(yùn)營。

圖1：光脈沖波傳感器只需要皮膚接觸即可監(jiān)測心率。

在手術(shù)過程中監(jiān)控建筑物內(nèi)的環(huán)境可以進(jìn)一步提高團(tuán)隊(duì)的安全性，并且可以提供有價(jià)值的信息來指導(dǎo)操作。如果遇到危險(xiǎn)化學(xué)品或可能發(fā)生爆炸，可能需要更換戰(zhàn)術(shù)或特殊設(shè)備。環(huán)境溫度傳感器以及一氧化碳或易燃?xì)怏w等氣體傳感器也可以集成到可穿戴傳感器組件中。

尺寸和功率限制

低功耗運(yùn)行是可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵要求廣泛的應(yīng)用。在消費(fèi)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)可接受的電池充電間隔的需求是一個(gè)關(guān)鍵因素，需要關(guān)注低功耗設(shè)計(jì)，從元件選擇到基于軟件的電源管理。在諸如緊急第一響應(yīng)者可穿戴設(shè)備之類的應(yīng)用中，主要需要低功率設(shè)計(jì)以最小化電池和相關(guān)功率部件的尺寸和重量。重型和笨重的電池很難放置，并且對于佩戴者來說可能是麻煩和累人的，最終阻礙任務(wù)的完成并危及任務(wù)。

尋求將傳感器集成為低功率輕量級可穿戴系統(tǒng)的一部分的設(shè)計(jì)者可以看起來便攜式醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楦鞣N挑戰(zhàn)提供有用的解決方案。德州儀器（TI）擁有用于脈搏血氧儀的AFE4400單芯片模擬前端模塊，該模塊集成了連接光脈沖血氧儀傳感器和SPI端口所需的所有電路，可連接外部微控制器或主機(jī)處理器。 AFE4400具有低噪聲接收器通道，具有跨阻抗放大器和Σ-ΔADC，可捕獲來自光電二極管的信號，還集成了電流控制DAC和驅(qū)動(dòng)器，以控制LED強(qiáng)度。在前面描述的脈沖波傳感器中，脈搏血氧儀不僅能夠通過監(jiān)測光電晶體管檢測到的光來測量脈搏率，還能測量血氧水平。通過比較兩種不同波長的光的衰減來測量血氧飽和度（％SaO2或％SpO2），利用氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白提供顯著不同吸收的事實(shí)。

圖2：TI的AFE4400集成了控制脈沖血氧計(jì)傳感器所需的所有電路，作為可穿戴心率監(jiān)測應(yīng)用的一部分。作為系統(tǒng)開發(fā)的輔助，AFE4400SPO2EVM評估模塊可提供板載AFE4400 IC和MSP430微控制器。它有一個(gè)用于脈沖血氧儀傳感器電纜的DB9連接器，并包含帶有GUI的演示軟件，用于訪問所有AFE4400寄存器。使用此評估模塊可以幫助加快低功耗可穿戴心率監(jiān)測應(yīng)用的開發(fā)。

結(jié)論

用于檢測位置，運(yùn)動(dòng)，環(huán)境條件和生命體征（如心率和體溫）的各種傳感器現(xiàn)在提供低功耗，小尺寸和易用性，使它們適用于可穿戴設(shè)備。大量的消費(fèi)者應(yīng)用正在涌現(xiàn)。然而，可穿戴技術(shù)在專業(yè)應(yīng)用中尤其是應(yīng)急服務(wù)方面具有重要的益處，包括提高第一響應(yīng)者的安全性以及實(shí)時(shí)收集額外數(shù)據(jù)以幫助協(xié)調(diào)團(tuán)隊(duì)并確保每個(gè)任務(wù)成功結(jié)束的機(jī)會(huì)。