2月4日，北京冬奥会正式开幕，全世界的目光再次汇聚到了中国。
这几天，相信大家也沉浸在冬奥的氛围中，沉迷于选手们的飒爽英姿。
图源：新华社
冬奥会不仅是全球体育的盛事，也是先进科技的展示舞台。除了开幕式中展示的“AI实时视频特效”技术、选手社交平台上出现的智能机器人、比短道速滑还快的“猎豹”之外，可穿戴电子设备在冬奥疫情防控等方面也发挥着举足轻重的作用。
“AI实时视频特效”技术
图源：CCTV
智能机器人
图源：weibo.com
比短道速滑还快的“猎豹”
图源：央视频
01
什么是可穿戴电子设备？
可穿戴电子设备是可以直接穿在身上，或是整合到衣服或配件上的便携式设备，它能通过软件支持和数据交互、云端交互实现强大的功能。
可穿戴电子设备种类丰富，主要包括运动监测、娱乐休闲和健康医疗三大类。运动监测类主要有手臂类包括臂环、手环、手表和腕带等；智能VR头盔、智能眼镜和无线耳机等产品都是典型的休闲娱乐类可穿戴设备；健康医疗类主要有贴片式和织物式，包括可穿戴智能监护仪、皮肤测温贴等。
可穿戴设备常见穿戴位置
图源：参考文献[2]
可穿戴电子设备共由传感单元模块，数据采集/处理模块、通讯模块、柔性电路和电源模块，五大主要部件构成。
可穿戴设备的主要组成部分
图源：作者
传感单元
各种传感器集成在一起，用于感知人体身体运动和生理参数的变化，比如体温、运动状态和生理信号等，并转化为可视的电信号。常见的传感器包括运动传感器和和生物传感器。
运动传感器可以随时随地测量、记录和分析人体的活动情况，用户可以知道跑步步数、能量消耗和睡眠时间，同时还能导航、娱乐、人机交互等。生物传感器包括血糖传感器、血压传感器、心电传感器、肌电传感器、体温传感器、脑电波传感器等，主要实现的功能包括健康预警、病情监控和娱乐等。
数据采集/处理系统
由各种处理器和存储介质构成，主要用于记录和存储传感单元的感知信号，包括采集人体的运动数据和生理数据。
通讯系统
由无线通讯模块构成，主要将采集好的人体运动数据和生理数据上传到手机等移动终端或者远程服务器来实现实时监测。
电源系统
主要由锂离子电池组成，为各个模块的正常工作持续供电。
柔性电路
就像电线一样，将传感单元、数据采集系统和通信模块连接在一起，实现电信号的传输。
02
可穿戴电子设备的工作原理
可穿戴电子设备的工作原理可以简单地概括为：传感单元将人体运动和生理参数的变化信号按照一定的规律转换为电信号输出，然后经过数据采集/分析系统处理，最终输出到终端设备。
可穿戴设备数据传输存储流程图
图源：参考文献[2]
以智能手表为例，它可以监测人的心率、睡眠质量、运动步数和卡路里消耗等。对于心率的监测，用到的是光电容积法，具体原理是追踪绿光在人体组织的反射。在智能手表的背面通常有两个LED小灯泡向手臂发射绿光，两个小灯泡之间有一个光电传感器，用来感应反射光。
图源：参考文献[2]
选择绿光的原因有两个：一是绿色和红色是互补色，人体血液是红色的，所以血液会吸收绿光；二是绿光对外界温度变化造成的信号漂移是最小的，也就是说抗干扰能力更强。
心率指的是心脏跳动的频率，当心脏跳动时，血液被泵到全身的血管，此时流经手腕的血液增多，对光的吸收就越多，所以反射出去的绿光就变少了。每当心脏跳动一次，光电传感器监测到的绿光就变化一次。因此，光电传感器监测到绿光变化的频率就和心脏跳动的频率一致。
图源：参考文献[2]
对于睡眠质量、运动步数和卡路里消耗的监测，都是用到三轴加速度传感器。这个传感器可以监测不同方向的加速度、振动等运动情况，然后通过不同的算法进行分析。
对于睡眠质量的监测，是通过内置的三轴加速度传感器记录三个方向上的加速度数据，再通过数据评估身体翻身、移动等情况（身体不动代表深度睡眠，身体移动代表浅睡眠），并通过独特算法得出睡眠时间，深睡眠时间和浅睡眠时间，最后评估睡眠质量。
对于运动步数的监测，传感器用来检测用户的动作和速度变化，然后结合用户的身高等数据估算出运动的步数和距离。对于卡路里消耗量的监测，传感器判断用户处于哪种强度的运动，然后通过公式计算出这种强度运动下的耗氧量，最后通过公式计算卡路里的消耗量。
03
可穿戴电子设备助力冬奥会
此次冬奥会，科技手段几乎覆盖了专项训练、强化体能、训练监测、医疗康复等每个环节。除了常见的智能手表、VR头盔等可穿戴设备之外，很多新颖的可穿戴设备也被采用。
可穿戴体温计
首先要介绍的是用于防疫领域的智能体温计，也被称为“腋下创可贴”，它是一款可穿戴式体温计和疫情防控“千里眼系统”。这款腋下创可贴是目前全球最小、最精准的可穿戴式连续智能测温设备。
只需用创可贴或皮肤贴，将智能体温计固定在腋下的皮肤上，再用手机下载App将该设备绑定，体温数据变化便会在手机页面清晰展现，24小时内可自动测量、自动上报。
图源：参考资料[3]
“腋下创可贴”的工作原理是基于一种可变量程的温度传感器，即通过温度传感单元来获取人体温度信息，再经过数字换算，输出一个数字信号来反馈人体的即时温度。
图源：参考资料[4]
可穿戴石墨烯智能发热织物
可穿戴石墨烯智能发热织物包括石墨烯服装、围巾、手套、袜子等，被应用到“相约北京”测试赛中。
石墨烯发热织物主要有三个用途：第一，为雪场工作人员和运动员供暖，戴上它们，可实现38℃-52℃温度调节；第二，手机、对讲机、摄像机等设备在冬奥户外赛场可能无法正常工作，设备穿上石墨烯“外套”可避免故障；第三，石墨烯发热织物还应用到观众座椅中，在零下二十几摄氏度的室外场馆，发热座椅套能有效提高座椅舒适感，即使置身“料峭寒风”，观众仍能在融融暖意中观赛。而可穿戴石墨烯智能发热织物的工作原理，简单地说就是基于石墨烯良好的热传导性能，即通过电流来产热。
图源：参考资料[5]
数字人民币可穿戴设备钱包
数字人民币可穿戴设备钱包包括超薄卡钱包、可视卡钱包和徽章、手表、手环等形式，全面覆盖食、住、行、游、购、娱、医七大重要消费场景的支付服务需求，外国运动员在不开中国内地银行账户的情况下，也可以轻松使用数字人民币消费。这不仅为部分无法使用智能设备的特殊群体提供跨越数字鸿沟的可能，还可以为国内外运动员、教练员和观众提供更多出行及支付便利。
图源：sohu
在冬奥会一个个精彩比赛进行的同时，很多科技智慧故事也正在上演。让我们一起期待运动员们的精彩表现，一起见证“黑科技”的华丽现身。
参考文献
[1]谷元静,史婷奇.可穿戴设备在医学领域中的研究进展[J].全科护理,2021,19(35):4954-4958.
[2]李安安,石萍.人体日常健康管理可穿戴设备研究进展[J].北京生物医学工程,2021,40(04):430-436.
[3]https://www.cdstm.cn/subjects/kjdabxyd/dajctj/kjfyyjh/202112/t20211229_1062451.html?hmsr=weibo
[4] http://news.cyol.com/gb/articles/202104/05/content_xAdV2iVmP.html
[5]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1720943378957125817&wfr=spider&for=pc
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来源：上海科技馆
编辑：荔枝果冻
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