運動手表的功能是怎麽管用的

運動手表的各項功能是怎麽實現的呢？下麵是簡單的介紹，包括：GPS定位，計步器，測心率，量血壓，呼吸頻率，遊泳，睡眠質量，登高。

GPS定位

GPS靠衛星定位。31顆衛星，在20200公裏高的6個軌道上轉，每天繞地球兩圈。軌道均勻分布，在地球上任何時間地點，都能同時看見至少4顆GPS衛星。太陽能板永遠向著太陽，天線向著地球。

每顆衛星以廣播的方式不停發送短信，內容是自己當前位置，並標明發送時間。運動手表的GPS模塊負責接收衛星的短信和定位計算。GPS模塊就照片裏那樣，東西不大，可裏邊計算量大，很費電。fitbit開著GPS也就能撐5個小時，garmin forerunner 935 據說能到24小時。

如果GPS模塊的時鍾和衛星上的同步，發送和接收短信的時間差就是短信飛過來的時間。有了這個時間，又知電磁波每秒30萬公裏，就可以算出手表和發短信時衛星的距離。知道了3顆衛星的（X,Y,Z）坐標，又知道它們和手表的距離，就可以算出手機的（X,Y,Z）坐標（3個方程求3個未知數）。

可是，衛星有高精度原子鍾，而手表沒有，時鍾會有偏差，導致直接算出的距離不準。所以定位要用到第4顆衛星，這樣可以列出四個方程，未知數是手表的（X,Y,Z）坐標加上時間偏差。用這4個方程就可以算出這4個未知數，算出的（X,Y）坐標用經緯度表示。手表的每個坐標，都是收到衛星短信後計算的結果。

衛星在天上無依無靠，它的位置要靠地麵站確定。GPS係統有16個分布全球的地麵站。每顆衛星至少被3個地麵站同時跟蹤，用雷達測出衛星位置再傳給衛星，讓它知道自己在哪。

計步器是怎麽工作的
計步器記錄走的步數，是利用加速度傳感器（Accelerometer)來做的。加速度傳感器小小的（2X2mm），用處很多，手機，手表上都有。

隻要動，就會有加速度。像動靜，快慢，方向的轉換，碰撞，衝擊，旋轉都會產生加速度。傳感器很靈敏，能察覺微小的動作，比如晃一下或敲一下屏幕顯示時間。

現在用的是這種三軸傳感器，可分別測量（X,Y,Z)3個方向的加速度。即使在靜止時，也有重力加速度，所以3個方向的加速度不會都是零。根據3個方向加速度數值的比例，可以知道傳感器在靜止時的方向，也是手表或手機的方向。知道了方向就可以利用，比如手機就可以做橫看豎看轉換。

走路時的加速度畫出來是這樣的。

把總加速度的毛刺過濾掉，可以得到光滑的波形。這裏每個波就代表一步。接下來的計步就很直接了，數數有幾個波，就是走了幾步。

手表的計步器還要考慮胳膊的動作，不能手晃晃就算走路。要能分辯走跑和單純動胳膊動作的區別。

計步器能告訴你走了多遠，但是經常不準，因為步長是估計的（步數x步長=距離）。有的計步器用GPS校準步長：GPS距離/步數=實際步長，這樣會比較準。

測心率是怎麽回事
測心率用PPG傳感器。PPG由發綠光的LED和光電二極管（photodiode）組成。LED照射皮膚，光電二極管把反射的光轉換為電信號。

血是紅的，反射紅光而吸收綠光，當脈搏傳到手腕時，血管血量增加，對綠光的吸收增加，使反射光減少。兩次脈搏之間，血管血量減少，對綠光的吸收減少，使反射光增加。這重複的一減一增轉換成電信號就是一波又一波，代表心跳。

PPG傳感器的數據畫出來是這樣的。每個尖峰就是一次心跳。

從兩個尖峰(心跳）之間的時間可算出心率。比如兩個心跳之間如果是一秒，心率就是每分鍾60下，半秒，就是120下。

運動手表測心率的問題就是運動。比如走路跑步的時候，胳膊把血甩到手腕，和由心跳引起的血量變化混在一起，不易分辨。圖中(a)是靜止時PPG數據，(b)是運動時數據。

一般用加速度解決這個問題。運動產生加速度，知道了加速度頻率以後，可以在PPG數據裏把相關頻率過濾掉，這樣會好得多。現在運動時測的心率還是不如靜態時準。

量血壓
有的運動手表有量血壓功能。量血壓是利用脈搏傳遞時間（PTT，Pulse Transit Time）和血壓的相關性。脈搏從心髒傳到手腕的時間，叫脈搏傳遞時間（PTT），這個時間和血壓相關。血壓高會讓血流加快，脈搏傳遞時間縮短。血壓低，傳遞時間延長。

脈搏從心髒開始的時間用ECG（心電圖）傳感器測出。脈搏到手腕時間用PPG測出（PPG就是測心率的那個）。

表達PTT和血壓相關性數學模型的具體參數，要通過用正規血壓計的校準來確定。PTT還是個早期的技術，不一定準。

呼吸頻率
呼吸頻率也是一項重要的健康指標。通過心率的變化可以算出每分鍾呼吸的次數。人們很早就知道，吸氣的時候心跳會加快，呼氣的時候心跳會減慢。下圖顯示心率和呼吸的關係，藍色波峰是吸氣，波穀是呼氣，紅色是PPG測的心跳。利用這個關係，可以通過PPG測出的心跳數據算出呼吸頻率。

遊泳數據
遊泳的劃水次數，泳池來回遊的次數，每趟的時間等，都可以從手表加速度數據推導出來，加上陀螺儀（Gyro）和羅盤儀(compass)可以得到更準確的結果。3軸陀螺儀用來測量圍繞(X,Y,Z)三個軸旋轉的角速度，3軸羅盤儀是測方向的羅盤。通常三種傳感器做在一起，稱為9軸運動傳感器（3x3x1mm）。

羅盤能測出胳膊的指向。在泳池來回遊，一來一去，胳膊的指向不一樣，從而可以知道來去的轉換時間。仰泳，自由泳，蛙泳胳膊的指向都不一樣，可用來判斷遊泳的姿勢。

睡眠質量
一次睡眠有4-6個睡眠周期，每個周期平均90分鍾。每個周期有3個階段：淺睡，深睡，和REM睡。手表利用加速度數據察覺身體的動作，和心率的變化一起推導出睡眠的階段，並用來評估睡眠質量。

登高計算
越高氣壓越低。兩點間的高度差可以用氣壓差算出來。氣壓計現在已經可以做得很小。

不管是爬山還是爬樓梯，Elevation Gain都可以通過手表上的氣壓計數據算出來。