Как работают умные часы и браслеты: Углубленный взгляд на ваш спутник здоровья HEALTHBAND

Умные часы и браслеты уже прочно укоренились на рынке гаджетов, превратившись постепенно из модных игрушек в необходимые и важные инструменты для мониторинга здоровья. В частности наши устройства HEALTHBAND могут отслеживать 7 важнейших показателей здоровья, в том числе артериальное давление, пульс и содержание кислорода. Устройства нашей фирмы помогают пользователям принимать обоснованные решения о своем самочувствии. И сегодня мы с вами разберёмся как работают умные часы.

Давайте погрузимся внутрь устройств и разберемся в сложных механизмах, которые заставляют эти технологические чудеса работать.

Перед нами стоит непростая задача: постараться объяснить вам сложнейшие механизмы, которые являются венцом творения человека и одновременно умудриться не погрузить вас в сон. Ведь речь пойдёт о математических графиках и бинарном коде.
На примере лишь одного датчика упрощённо рассмотрим этапы работы умных часов.
Да, погружаться будем не очень глубоко. Поехали!

По своей сути любые смарт часы или браслеты – это микрокомпьютеры. И как любой компьютер, эти устройства имеют устройства ввода, обработки, анализа и вывода данных. Начнём по порядку.

Путешествие начинается, когда датчик в смарт-часах - например, датчик сердечного ритма - начинает собирать данные. Когда датчик активируется, он измеряет количество отраженного от эритроцитов света, которое меняется с каждым ударом сердца. Затем эти физические данные преобразуются в электрический сигнал. (Подробнее о датчике пульса читайте тут)

Электрические сигналы, представляющие собой необработанные аналоговые данные, собранные датчиком, преобразуются в цифровой формат, который может быть понятен процессору часов. Эта задача возлагается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), встроенный в модуль датчика пульса. После преобразования сигнал передается по микроскопическим электрическим магистралям к процессору. Ниже представлены этапы обработки сигнала:

Аналоговый сигнал в данном случае характеризует непрерывные изменения объема крови в сосудах запястья. Однако эта непрерывная аналоговая информация должна быть переведена на язык процессора, то есть последовательность нулей и единиц. Именно здесь в игру вступают следующие этапы.

Первым шагом в переходе от аналогового сигнала к цифровому является создание дискретного сигнала. Дискретизация предполагает выборку непрерывного аналогового сигнала через регулярные промежутки времени для создания серии отдельных или "дискретных" значений.
В нашем примере это может означать снятие показаний частоты сердечных сокращений каждую секунду, а не непрерывно. В результате получается серия отдельных точек данных, каждая из которых представляет собой частоту сердечных сокращений в определенный момент времени. На этом этапе сигнал становится дискретным, но у него по-прежнему бесконечное число возможных значений, поскольку он может принимать любое значение в заданном диапазоне.

Следующим шагом в этом процессе является квантование, которое заключается в округлении дискретных значений сигнала до определенного уровня. По сути, квантование ограничивает возможные значения, которые может принимать сигнал, делая его более управляемым и менее ресурсоемким для цифровых систем.
В нашем примере со смарт-часами это может означать округление показаний частоты сердечных сокращений до ближайшего целого числа. После этого этапа сигнал становится дискретным и квантованным, но все еще не полностью цифровым.

Для более полного понимания процесса квантования нам необходимо объяснить понятие битовой глубины квантования.

Битовая глубина квантования – это число, которое определяет количество уровней квантования. Глубина квантования выражается в виде числа, которое является показателем степени двойки.
Чем больше глубина квантования, тем больше уровней квантования, тем более точно мы можем описать сигнал.

Объясним на примере:
Например, если битовая глубина равна 3, то мы имеем 2^3 = 8 различных возможных двоичных значений, или уровней квантования (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111). Если мы увеличим битовую глубину до 8, мы получим 2^8 = 256 различных возможных двоичных значений.

Чтобы проиллюстрировать, как значение пульса может быть представлено в квантованной, а затем в цифровой форме, рассмотрим пульсометр, считывающий частоту пульса. Допустим, наш датчик считывает значения пульса от 40 до 200 ударов в минуту (bpm), и мы используем 8-битную глубину квантования.

Для начала нам нужно масштабировать значения пульса, чтобы соответствовать количеству уровней квантования. При глубине 8 бит у нас есть 256 уровней квантования. Поэтому значение пульса 40 ударов в минуту может быть сопоставлено с квантованным значением 0, значение импульса 200 ударов в минуту - с квантованным значением 255, а другие значения импульса будут масштабированы соответствующим образом между ними.

Далее каждое квантованное значение представляется в цифровой форме в виде двоичного числа. Для 8-битной системы каждое квантованное значение будет представлено в виде 8-битного двоичного числа. Так, импульс 40 ударов в минуту (квантованное значение 0) может быть 00000000, а импульс 200 ударов в минуту (квантованное значение 255) будет 11111111. Показания в 120 ударов будет закодировано как 01111000.

Важно отметить, что качество цифрового представления (насколько хорошо цифровой сигнал соответствует оригинальному аналоговому сигналу) зависит от битовой глубины квантования. Более высокая битовая глубина позволяет использовать больше уровней квантования и максимально приблизиться к аналоговому сигналу. Однако она также требует большего объема памяти данных и вычислительных ресурсов. Таким образом, при выборе подходящей битовой глубины для конкретного случая часто приходится идти на компромисс.

Результатом процедуры преобразования сигнала в модуле АЦП на выходе является набор нулей и единиц, которые понятны и доступны для процессора смарт-часов или любого другого цифрового устройства. Процессор в смарт-часах теперь может легко обрабатывать эти данные, используя их для выполнения таких функций, как отслеживание изменений пульса во времени или предупреждение пользователя, если его пульс превышает определенный порог.
Преимущество двоичной системы в том, что она устойчива к шумам и легко обрабатывается с помощью цифровой техники. Каждая из этих двоичных цифр, или битов, может храниться, обрабатываться и передаваться эффективно и надежно, что делает их идеальными для цифровых систем, лежащих в основе наших современных технологий, от смарт-часов до смартфонов, компьютеров и не только.

После интерпретации данные подвергаются дальнейшему анализу в зависимости от их использования. Например, их можно сравнить с историческими данными для выявления каких-либо значительных изменений или закономерностей. Проанализированные данные временно сохраняются в оперативной памяти (RAM), а затем постоянно хранятся во внутренней памяти устройства.

Когда пользователь хочет посмотреть свой пульс, с сенсорного дисплея на процессор посылается команда для получения соответствующих данных. Процессор получает доступ к данным из хранилища, после чего они передаются в графический процессор и далее драйверу дисплея.
Давайте разберемся, как GPU (графический процессор) взаимодействует с драйвером дисплея, чтобы управлять тем, что вы видите на экране HEALTHBAND.

Этот процесс можно разбить на следующие этапы:

1. Обработка данных: Главный процессор смарт-часов (CPU) отправляет данные (например, текущее время или статистику состояния здоровья) на GPU. Эти данные могут быть необработанными, например, показания некоторых датчиков, или уже обработанными, например, результаты вычислений.

2. Рендеринг: Затем GPU получает эти данные и использует их для рендеринга изображения. При этом определяется, как должен выглядеть каждый пиксель на экране смарт-часов на основе полученных данных. Например, если данные представляют собой число, отражающее текущий сердечный ритм, графический процессор выводит изображение этого числа шрифтом и цветом, заданными дизайном интерфейса смарт-часов.

3. Передача данных: После того как изображение было отрисовано графическим процессором, оно преобразуется в формат, понятный драйверу дисплея. Затем эти отформатированные данные отправляются драйверу дисплея. Путь от GPU к драйверу дисплея обычно проходит через стандарт видеоинтерфейса, такой как MIPI DSI (Mobile Industry Processor Interface Display Serial Interface) в большинстве мобильных и носимых устройств.

4. Отображение: Затем драйвер дисплея принимает данные, полученные от GPU, и использует их для управления дисплеем. Для этого он посылает на дисплей инструкции о том, какие пиксели должны быть освещены и каким цветом, эффективно воссоздавая изображение, которое было первоначально отображено графическим процессором.

На протяжении всего этого процесса операционная система смарт-часов управляет потоком данных и команд между аппаратными и программными компонентами. А аккумулятор обеспечивает всю эту систему электрической энергией, накопленной в результате зарядки от специального зарядного устройства. Каждый шаг, начиная с инициации на датчике и заканчивая выводом информации на экран, является неотъемлемой частью понимания функционирования смарт-часов и иллюстрирует сложность и изощренность технологии, заключенной в этих компактных устройствах.

В заключение следует отметить, что понимание принципов работы умных часов помогает нам оценить всю сложность и красоту технологии, которая упрощает нашу повседневную жизнь. По мере того, как мы принимаем эти носимые технологии, очень интересно изучать сложное хитросплетение аппаратного и программного обеспечения, которое мы носим прямо на наших запястьях и которое помогает нам следить за нашим здоровьем. Важно отметить, что мы рассмотрели лишь вершину айсберга. Мы не затронули огромное количество функций и механизмов, например, модуль Bluetooth и взаимодействие смарт часов с смартфоном и ещё кучу технологий. Разберём все эти нюансы в следующих статьях.