Как работают датчики умных часов и браслетов?

25.08.2023

Первые смарт-часы и фитнес-браслеты умели считать шаги и измерять частоту сердечных сокращений (ЧСС). Они были ориентированы как на спортсменов-любителей, так и людей, ведущих сидячий образ жизни. Сегодня набор датчиков и чипов в этих носимых гаджетах стал намного больше. Допустим, на фоне пандемии Covid-19, чуть ли не обязательной функцией стало измерение сатурации — насыщения крови кислородом. Обилие датчиков позволяет узнать немало интересного о своем организме, но и вопросы скептиков, а можно ли этим параметрам доверять, вполне логичны. Чтобы разобраться с этим, мы выясним, как именно работают датчики современных смарт-часов и фитнес-трекеров.

Если вы знаете, какой носимый гаджет вам нужен, то благодаря нашему каталогу с подбором по параметрам можете, например, отфильтровать актуальный ассортимент по наличию тех или иных датчиков. Также рекомендуем почитать материал «Как выбрать смарт-часы и фитнес-браслет: основные критерии и полезные советы».

Для начала стоит определить, а какие датчики собственно встречаются в современных носимых девайсах. Здесь все весьма индивидуально, ведь отдельные производители любят эксперименты (или маркетинг — продвигая уже известные функции, как ноу-хау). Поэтому стоит перечислить наиболее популярные и встречаемые:

• шагомер;
• пульсометр;
• пульсоксиметр;
• GPS;
• термометр;
• тонометр;
• датчик ЭКГ;
• компас;
• альтиметр;
• барометр.

О том, как работает большинство из них, а также каким образом часы и браслеты «выдают» другие показатели нашего организма — качество сна, уровень стресса, расход калорий и т.д. — мы и поговорим подробнее.

Многие датчики скрыты внутри корпуса, но работа некоторых - хорошо заметна.

Как смарт-часы и браслеты считают шаги?

Обязательным практически для любого носимого смарт-гаджета сегодня является шагомер. Он есть даже в детских моделях, вроде Garmin Vivofit JR 3. За подсчет шагов отвечает акселерометр, определяющий ускорение гаджета и его перемещение в пространстве. Раньше это были приборы с грузиком и пружинкой, а сегодня миниатюрные чипы с набором проводников.

Понять, как работает датчик проще на механическом приспособлении, хотя общие принципы остаются неизменными и для современной электроники. Так, при ускорении, то есть начале движения (будь-то взмах руки при ходьбе или поворот корпуса) пружинка сжимается или растягивается под воздействием противовеса А если взять три таких прибора, то можно оценивать перемещения по высоте, длине и ширине. Акселерометр сегодня есть во многих мобильных устройствах, включая смартфоны и планшеты, где прежде всего отвечает за ориентацию изображения на экране.

Нередко для повышения точности подсчета шагов в носимых гаджетах также присутствует гироскоп. Этот датчик учитывает пространственные перемещения устройства (в трех осях), в том числе различные вращения руки. Комбинация акселерометра и гироскопа способна минимизировать ложные срабатывания, например, когда человек активно жестикулирует или перемешивает кашу в кастрюле. Еще эти два датчика могут, например, определить падение человека и отправить сигнал SOS.

Подсчет шагов - одна из базовых функций смарт-часов.

Поскольку часы носятся на запястье, то добиться на 100% точного подсчета пройденных шагов сложно. Добавить лишнего датчики могут во время вождения авто (в том числе по неровной дороге — при тряске), при бритье или приеме душа. Недосчитать что-то они тоже могут — при очень медленной ходьбе или прогулке с детской коляской, когда рука остается практически неподвижной.

Как смарт-часы и браслеты измеряют пульс?

Измерять ЧСС в наручных гаджетах помогает пульсометр, использующий технологию фотоплетизмографии. Его также называют оптическим датчиком, так как его принципы действия отличаются от классических устройств для замера пульса.

Так, допустим нагрудный пульсометр имеет электроды, которые считывают импульсы при каждом сокращении сердечной мышцы. Затем полученные данные передаются на совместимое устройство (допустим, на смартфон).

Оптический датчик функционирует иначе: он подает свет на кожу запястья, которая проходит в ткани (до сосудов), а затем фотоэлемент фиксирует отраженный поток. Дело в том, что с каждым сокращением сердца происходит насыщение кровотока, иными словами сосуды становятся более наполненными и красными. В оптических датчиках используются зеленые диоды, которые максимально контрастны по отношению к крови, а значит отлично поглощаются. Каждое изменение уровня отражения света от сосудов фиксируется фотоэлементом, что и позволяет определить ЧСС.

Когда человек находится в состоянии покоя, то датчик пульса на запястье работает с минимальными погрешностями. При ходьбе и различных физических активностях неточности повышаются. Но в целом для повседневной эксплуатации и любительского спорта (за исключением высокоинтенсивных нагрузок) — данных оптического датчика вполне достаточно. Плохая фиксация часов или браслета на руке, загар, татуировки, грязь на коже — все эти факторы могут вызывать огрехи в подсчетах.

Подсчет ЧСС обеспечивает оптический пульсометр.

Итак, зеленые мигающие светодиоды на тыльной стороне часов или браслета — это и есть работа фотоплетизмографии, то бишь оптического датчика. Кстати, если раньше ЧСС носимые гаджеты в режиме нон-стоп измеряли только во время тренировок, то сегодня большинство моделей по умолчанию обеспечивают круглосуточный мониторинг пульса (с возможностью отключения пользователем).

Как смарт-часы и браслеты определяют сатурацию?

За определение уровня насыщения крови кислородом в носимых гаджетах отвечает пульсоксиметр, он же датчик SpO2. Принцип его работы очень похож с оптическим пульсометром. Тут также есть излучатель света и фотодетектор, который фиксирует отраженный поток. Только в данном случае он не зеленый, а красный.

Кстати, красные диоды используются в профессиональном медицинском оборудовании для измерения ЧСС, но максимально точны лишь в состоянии покоя. Вот почему в часах — для замера пульса применяют зеленые элементы, а при определении уровня насыщения крови кислородом от пользователя обычно требуется находиться в неподвижном состоянии. Отраженный от артерии свет, поступает на фотодетектор, предоставляя необходимые данные для анализа. При этом сам показатель сатурации в процентах рассчитывается программным обеспечением (то есть алгоритм чуть сложнее, чем просто с пульсом).

В целом, аналогичный принцип работы имеют и пальцевые пульсоксиметры, что позволяет владельцам смарт-часов и браслетов рассчитывать на приемлемую точность анализа насыщения крови кислородом. Но погрешности все равно не исключены, а носимые гаджеты — это не медицинские приборы. Исказить в большую или меньшую сторону результат замера SpO2 может слабая фиксация ремешка на запястье или холод (первыми обычно мерзнут именно конечности).

После коронавирусной пандемии часы обзавелись пульсоксиметром.

Красный мигающий диод на тыльной стороне часов — это функция пульсоксиметрии. Она может выполняться по запросу или в режиме постоянного мониторинга. В последнем случае часы запускают процесс измерения в соответствии со своими алгоритмами, например, во время сна. Данная функция расширяет общий спектр анализируемых данных об активности и здоровье пользователя.

Как смарт-часы и браслеты определяют месторасположение?

Для навигационных возможностей может использоваться как собственный GPS-модуль, так и соответствующий приемник смартфона. В последнем случае на точные сведения о маршруте и расстоянии забега или заезда можно рассчитывать лишь тогда, когда мобильный телефон тоже был взят на тренировку. У большинства смарт-часов и топовых браслетов есть свой GPS.

Фактически это не датчик, а приемник сигналов со спутников. Именно на этом и базируется работа глобальной системы позиционирования. Чтобы определить точные координаты пользователя (его часов или трекера), необходимо получить информацию хотя бы с четырех спутников. Но чем их больше (обычно максимум — это 12), тем выше точность определения координат.

Навигационные возможности могут не ограничиваться геолокацией, а предусматривать доступ к альтернативным спутниковым системам, ведение по треку или непосредственное отображение карт на экране часов. А еще модуль может быть дополнен функцией aGPS, которая ускоряет поиск спутников.

GPS в часах работает так же, как и в других современных гаджетах.

Использование GPS повышает точность тренировочных данных, в том числе информации о преодоленном расстоянии и скорости, высоте над уровнем моря и т.д. При этом погрешности непосредственно в самом геопозиционировании могут достигать нескольких десятков метров. Но для спортивных целей — это не большая проблема.

Отдельно о точности главных датчиков

Приведенную четверку датчиков можно считать основным набором для современных смарт-часов. Точность их работы прямо зависит не только от производителя (и его репутации), но действий владельца. Если поставить себе цель «обмануть» гаджет, то сделать это не так сложно.

Чаще всего для повышения точности результатов показателей здоровья и активности рекомендуется правильно фиксировать устройство на руке (плотно, но так, чтобы ремешок не передавливал кожу), регулярно мыть запястье, протирать корпус гаджета. Поскольку пульс и сатурация измеряется оптическими датчиками, то нужно понимать, что на кровообращение прямо влияет температура воздуха, поэтому жара или холод могут вносить свои нежелательные поправки.

В целом фитнес-трекер и часы — это не медицинский прибор для диагностики. Использовать их для общего контроля здоровья и тренировочного процесса можно, но врачей они вам не заменят.

Какие еще датчики используются в часах и браслетах и как они работают?

В современных носимых гаджетах встречаются и другие датчики:

• Тонометр. Для измерения артериального давления используется либо отдельный датчик, либо оптический пульсометр. Считываются данные о насыщении сосудов, а затем программное обеспечение интерпретирует их. Нужно сказать, что итоговые показания не очень точные, на фоне обычного тонометра. Во-первых, замеры на запястье сложнее: артерии находятся близко к коже. Во-вторых, требуются поправки на индивидуальные особенности пользователя, например, возраст. Это достигается путем предварительных калибровок с синхронным замером на часах и профессиональном оборудовании. Без этого отклонения от реальных цифр будут очень большими.
• Датчик ЭКГ. Это набор электродов, которые призваны измерять электрическую активность сердца. В полноценном медицинском оборудовании их до 10. В умных часах — не больше двух. Например, в Apple Watch — один рядом с пульсометром, а другой — на колесике Digital Crown. Аналогично обстоят дела и в смарт-часах Samsung. В результате получается не полноценная электрокардиограмма, а лишь сбор данных в одном отведении. В теории потенциальные проблемы выявить такая диагностика помогает, но на практике может быть много ложных результатов и ошибочных обращений к врачу.

Данные ЭКГ от смарт-часов не слишком точны. По крайней мере, пока что.

• Термометр. Это датчик температуры, он определяет соответствующие показатели на поверхности кожи в области запястья. Легкое повышение тут вряд ли удастся выявить, а вот сильный жар — вполне. Также аналогичный датчик может располагаться подальше от кожного покрова — ближе к циферблату или безелю. Тогда он служит для измерения температуры окружающего воздуха. Он может быть полезен, например, в походе.
• Геомагнитный датчик (а если проще — компас). Это преимущественно цифровой чип, который подсказывает сторону света. Полезен в тактических и полевых условиях, когда нет GPS или из-за плохой погоды поиск спутников затруднен.
• Альтиметр и барометр. Первый датчик измеряет высоту или разницу между несколькими точками. Второй позволяет определить атмосферное давление. Барометр в тандеме с альтиметром повышает точность замеров высоты. Также он может служить для оценки погодных показателей.
• Датчик освещения. Обычно используется для автоматической корректировки яркости циферблата.

Связка из альтиметра и барометра обеспечит точные данные о высоте, что бывает важно при беге и не только.

К довольно редким датчикам относится BIA — биоэлектрический анализ импеданса. Он призван на основании оценки сопротивления тканей определять процент жира, количество мышц, массу костей и т.д. Нечто схожее выполняют, к примеру, диагностические напольные весы. Опять же там имеется минимум 4 датчика, а в часах один. Общая точность замеров под вопросом даже у весов, что уж говорить про носимые девайсы.

Весьма перспективно выглядит внедрение в смарт-часы и браслеты глюкометра. Подобные независимые устройства умеют определять уровень сахара и очень полезны для диабетиков. Главный подвох — они требуют забора крови. Пока же периодически идут разговоры про неинвазивные замеры в часах. Нечто подобное даже заявили при выпуске Huawei Watch 4 Pro, но на деле это оказалось лишь маркетинговой уловкой.

А как же считается стресс или расход калорий, анализируется сон?

Немало данных смарт-часы или фитнес-трекеры обеспечивают не прямо от датчиков, а на основании интерпретации их показателей или различных расчетов. Относиться к ним можно по-разному.

Например, подсчет калорий — это очень условный момент, который зависит не только от двигательной активности. Текущее физическое состояние, возраст, пол, вес — все это прямо влияет на то, сколько организм тратит энергии на поддержание жизнедеятельности. Поэтому соответствующие данные от часов — это просчет по математическим моделям, заложенным в программном обеспечении. Демонстрируемый на экране часов показатель затрат очень условен. Погрешность с реальностью может быть больше 50%. Но в любом случае даже по приблизительным затратам калорий можно сравнить два своих занятия, в том числе, чтобы сделать вывод — где вы потратили больше усилий.

Мониторинг сна обычно происходит на основании показателей двух датчиков — акселерометра и пульсометра. Также здесь может задействоваться и пульсоксиметр (если соответствующая опция активна не только по запросу). В фазе глубокого сна пульс замедляется, движений тела нет, а в быстрой — ЧСС ускоряется, частота дыхания выше. В целом, аналитика ночного отдыха работает довольно неплохо, в особенности, если у человека нет серьезных проблем со здоровьем. Для общего представления о том, как хорошо вы спите и восстанавливаетесь, информации достаточно. Более детальные выводы должны делать врачи сомнологи.

Данные о сне на смарт-часах могут быть весьма полезными.

Также стоит остановиться еще на двух интересных показателях. Один касается общего здоровья — уровень стресса. Другой — физической формы — показатель VO2max или максимальное потребление кислорода.

Чтобы узнать уровень стресса, разные производители носимых гаджетов предлагают свои методики подсчета. Подобный показатель дают возможность мониторить сегодня Samsung, Huawei, Honor, Garmin, Xiaomi, Fitbit. Основные данные для его расчета дает пульсометр. Он предоставляет собственно ЧСС, а также его вариабельность, то есть разницу во времени между сокращениями. Еще обычно используется частота дыхания (ее, кстати, получают тоже от датчика пульса — ведь при вдохе ЧСС чуть повышается, а при выдохе — снижается). Дальше могут «работать» свои алгоритмы у разных производителей. Итоговые результаты несложно сверять по дням, времени суток и т.д.: чем выше оценка, тем более стрессовым является ваше состояние.

Значение VO2max — тоже расчетный показатель, который отражает текущий уровень физической активности (чем больше цифра, тем лучше). Как правило, данные берутся не в состоянии покоя, а во время кардио тренировок. Так, например, при пробежке сопоставляются показатели ЧСС и темпа бега.

Спортсменам не лишним будет отслеживать показатель VO2max.

Большинство производителей носимых гаджетов, в том числе Garmin, Suunto, Polar, Apple и Huawei, используют методику расчета от компании Firstbeat. И она хорошо зарекомендовала себя. Без ошибок определить максимальное потребление кислорода можно только лабораторно — с помощью спироэргометрии. Это специальный нагрузочный тест с измерением вентиляции и объема легких. Но расчеты VO2max по методике Firstbeat обычно дают минимальные отклонения от спироэргометрии.

Каждый бренд может дорабатывать системы анализа, предлагать свои варианты отображения данных, которые понятнее и удобнее для ознакомления. В связи с этим при выборе смарт-часов нужно смотреть не только на обилие датчиков, но и на то, насколько высокая репутация у производителя, какие отзывы имеет его мобильное приложение. Ведь именно софт интерпретирует данные о здоровье и спортивных активностях.

В качестве выводов

Да, смарт-часы и фитнес-трекеры — это не высокоточные медицинские приборы. Но они действительно могут быть полезны многим категориям пользователей. Например, для сотен тысяч людей обычный шагомер — это прекрасная мотивация для поддержания определенной двигательной активности, что уже немало.

Смарт-часы, хоть и не медицинский, но востребованный гаджет.

Спортсменам-любителям комбинация встроенных датчиков и качественного софта предоставляет немало полезной информации, необходимой для прогресса в тренировочном процессе. И тут наработки таких брендов, как Garmin или Polar, которые привлекают к сотрудничеству профессиональных атлетов и тренеров, точно не стоит недооценивать. Да, возможно считывание данных происходит с определенной погрешностью, но фирменное программное обеспечение способно выполнять анализ и интерпретацию данных на высоком уровне. Любителям бега, велоезды или других спортивных активностей этого вполне достаточно.

Что можно сказать про различные медицинские показатели от смарт-часов? Конечно, считать их правдой в последней инстанции нельзя. Но, есть множество кейсов, которые доказывают, что даже этого порой достаточно для спасения жизни. Нарушения пульса, снижение показателя уровня кислорода в крови, информация о низком качестве сна или высоком стрессе — это не повод ставить себе диагноз, но задуматься о том, все ли в порядке стоит. А самым правильным решением при проблемных показателях, конечно же, будет обращение к врачу.

И еще один момент. Конкуренция на рынке смарт-часов и фитнес-браслетов очень высокая. А значит производители заинтересованы в том, чтобы улучшать качество и количество датчиков, совершенствовать свой софт, внедрять новшества. И пользователи только выиграют от этой гонки брендов.

Статья полезна? Да 0 Нет 0