Как работают сенсоры в умных часах и фитнес-браслетах

За последние годы фитнес-трекеры и умные часы постепенно стали важнейшей частью активного образа жизни многих из нас. Каждый из этих миниатюрных гаджетов несет на себе сразу несколько сенсоров — в среднем около 16. У некоторых меньше, у некоторых больше — все зависит от ценовой категории. В этой статье мы подробно расскажем о том, зачем они нужны и как работают, а самым важным уделим максимум внимания.

Датчик освещенности

Такой датчик есть практически во всех браслетах и часах. Его главная задача — автоматически настраивать яркость дисплея в зависимости от уровня освещения вокруг. Естественно, в первую очередь это помогает с читаемостью информацию под прямыми лучами солнца, а во вторую — с экономией заряда аккумулятора.

Фотодиод

Этот компонент, который иногда можно найти в датчиках света, тоже помогает измерять уровень освещенности. Когда лучи света попадают на фотодиод, они «выбивают» электроны и вызывают появление тока. Чем больше света, тем больше сила этого тока, и эту силу сравнительно легко измерить, чтобы оценить уровень освещенности вокруг. Звучит знакомо, не правда ли? Именно этот принцип используется для генерации энергии солнечными панелями — по сути, они представляют собой огромные фотодиоды.

Фоторезистор

Еще один тип сенсора освещенности. Это резистор, который автоматически изменяет свое сопротивление в зависимости от количества света, который на него попадает. Фоторезисторы дешевле полноценных фотодиодов, но не позволяют проводить такие же точные вычисления. Обычно их используют в простых девайсах для сравнительных оценок вроде «свет выключен» и «свет включен».

3-осевой акселерометр

Еще один датчик, который можно найти внутри практически любого носимого на запястье гаджета. Он может следить за движением вперед и назад, измерять ориентацию тела пользователя, его позицию и скорость изменения всех этих параметров.

Барометрический высотомер

Достаточно простой сенсор, который измеряет изменения высоты над уровнем моря путем измерения изменений давления. К примеру, он может помочь узнать то, сколько калорий вы сожгли, пока поднимались по лестнице или спускались с горы на велосипеде.

Встречаются высотомеры далеко не во всех часах и браслетах — обычно именно их убирают ради снижения цены. Кроме того, они не так важны в тех моделях, которые не позиционируются как особенно «спортивные». Часто их можно увидеть в часах Garmin, а не так давно добавили его и в Apple Watch.

Оптический сенсор сердцебиения

Датчик сердцебиения сейчас есть практически в любом носимом устройстве. Его главная задача очевидна — расчет частоты сердцебиения пользователя. Для этого чаще всего используется свет, который девайс направляет на запястье. Когда сердце сокращается, скорость течения крови ускоряется, и свет отражается обратно на сенсор не так сильно — именно так и регистрируется один такт.

Информация о ритме биения сердца, которая получается таким образом, затем может быть экстраполирована и проанализирована специальными алгоритмами. Apple Watch и многие другие девайсы могут даже предупреждать о возможных проблемах со здоровьем.

Стоит отметить, что точность этих измерений от модели к модели может существенно разниться. Скажем, Xiaomi Mi Band за пару десятков долларов не сможет конкурировать с Apple Watch Series 6, но общее представление о примерном ритме все равно предоставит.

Монитор SpO2 (насыщение крови кислородом)

Еще один оптический датчик, который получает информацию о цвете крови, на основе чего устройство делает выводы об уровне ее насыщения кислородом. Чем меньше в крови кислорода, тем она темнее: в артериях она ярко алая, а в венах — почти темно-бордовая.

Как и многие другие сенсоры, этот встраивают на заднюю панель часов. Он использует кластеры красных, зеленых и инфракрасных светодиодов и несколько фотодиодов, которые измеряют отраженный свет. В разных девайсах их количество может отличаться.

Стоит отметить, что, как и в случае с ритмом сердцебиения, доверять своим часам, когда они сообщают уровень SpO2, стоит далеко не всегда. Лучший способ измерения этого показателя — отдельное устройство под названием пульсоксиметр. Независимые тесты показывали заметные неточности в работе SpO2-сенсоров даже топовых умных часов Apple и Fitbit.

Датчик биоимпенданса

Очень простой сенсор, который измеряет сопротивление кожи пользователя, подавая на нее ток очень низкой силы. Информация о сопротивлении поверхности тела помогает алгоритмам с измерением качества сна, ритма сердцебиения, частоте дыхания, уровне воды в организме и многих других параметров.

Датчик приближения

Еще один простой сенсор, который можно увидеть очень часто. Он с помощью света определяет то, насколько далеко находится рука пользователя — если устройство надели на запястье, оно, к примеру, не так быстро будет переходить в состояние сна. В основном используется именно для экономии заряда батареи.

ЭКГ-сенсор

Сенсоры для проведения процедуры ЭКГ со специальными электродами появились в умных часах относительно недавно. Их основная задача — измерение крохотных электрических импульсов, которые посылаются сердцем пользователя с каждым его сокращением.

Информация об этих электрических импульсах позволяет квалифицированному специалисту или сложному алгоритму понять то, насколько хорошо работает сердце человека в целом, а также выявить многие абнормальности в его «поведении».

Обычно получение полноценного ЭКГ-отчета предполагает расположение электродов на коже недалеко от сердца, которые и измеряют упомянутые выше импульсы. Затем считанные данные посылаются на устройство-ресивер для анализа.

Естественно, умные часы находятся от сердца довольно далеко, поэтому им приходится работать несколько по-другому.

К примеру, Apple Watch для проведения процедуры ЭКГ требует от пользователя подержать палец на колесике гаджета. Процесс занимает 30 секунд, а по его окончанию на экране появляется информация о том, какой у вас тип сердцебиения — нормальный синусовый или нарушенный.

У Fitbit Sense процесс несколько иной — на те же 30 секунд пальцы нужно расположить на углах рамки экрана часов. В случае с часами Samsung пальцем нужно касаться сенсорной кнопки. В любом случае, «на ходу» эту процедуру не провести.

Наконец, самое большое отличие процедуры ЭКГ, проведенной в клинике, и процедуры ЭКГ, проведенной умными часами, заключается в объеме и точности данных. Современные часы никогда не смогут получить настолько же полноценную картину того, как именно ведет себя ваше сердце, но, опять-таки, нужно это далеко не всегда — определить ситуацию, в которой «что-то не так», можно и таким способом. Именно поэтому все производители часов с ЭКГ-сенсорами заостряют внимание покупателей на том, что в серьезных ситуациях (когда жизни человека угрожает опасность) полагаться на их достоверность не стоит — нужно обращаться к профессионалам сразу же после появления первых признаков болезни или недомогания.

GPS-чип

Это сравнительно простой чип, который при работе потребляет много энергии, и поэтому встречается далеко не во всех моделях часов и (особенно) браслетов. Почти во всех случаях они полагаются на GPS-информацию от подключенного смартфона.

Но некоторые модели, которые в первую очередь предназначены для особенно активных пользователей, могут связываться с GPS-спутниками и без мобильника — это сделано для того, чтобы смартфон на пробежку брать было не обязательно.

Компас и магнитометр

Микроскопический компас также помогает в навигации, предоставляя информацию о направлении движения. Магнитометр — дополнительный сенсор, информация с которого позволяет уточнить данные о местоположении пользователя и его координатах.

Гироскоп

Гироскоп нужен для измерения угловой скорости, что, в свою очередь, позволяет более точно измерять движения пользователя. Так, данные с гироскопа можно использовать для определения того, бежит владелец часов на месте или нет. Также эти данные позволяют часам меньше ошибаться — например, в тех случаях, когда вы по какой-то причине просто потрясли рукой, они не примут произошедшее за мини-тренировку.

Датчик жестов

В некоторых умных часах и браслетах есть возможность управления системой жестами — к примеру, голосовой вызов можно сбросить, дважды встряхнув рукой, а секундомер активировать, начертив ей круг в воздухе.

УФ-датчик

Иногда умные часы могут предоставлять пользователю информацию о том, насколько вреден солнечный свет под открытым небом. Именно для этого у них есть датчик ультрафиолета, который измеряет уровень УФ-излучения.

Датчик температуры кожи

Этот простой сенсор не получится использовать для измерения общей температуры тела, но информация с него помогает алгоритмам устройства определить разные важные моменты — например, то, что пользователь заболевает простудой, или же начинается очередная менструальная фаза.