可穿戴传感器：应用、设计与实现

阐述可穿戴传感器原理、设计、制造和实施。主要内容包括穿戴式柔性传感器的制备与表征，穿戴式传感器的物理特性、设计和应用穿戴式医疗传感器信号调理智能电路，以及基于Python的传感器数据采集、数据提取和数据分析的基于GUI的软件开发。

译者序
前言
贡献者名单
作者简介
第1章　测量生理参数的可穿戴传感器：物理、特性、设计和应用1
1.1　简介1
1.2　可穿戴传感器的类型3
1.3　用于动物健康的可穿戴传感器4
1.4　可穿戴传感器的工作原理5
1.5　可穿戴传感器制造中的问题7
1.6　利用电气特性制造可穿戴传感器9
1.7　电化学可穿戴传感器14
1.8　压电可穿戴传感器15
1.9　可穿戴传感器的制造17
1.10　在电极上沉积传感膜19
1.11　可穿戴传感器的应用21
1.12　总结22
参考文献22
第2章　可穿戴柔性传感器：制造与表征24
2.1　简介24
2.2　柔性传感器的制造25
2.3　制造工艺27
2.4　纳米粒子功能化30
2.5　传感参数31
2.6　总结33
参考文献33
第3章　可穿戴医疗传感器信号调节智能电路37
3.1　简介37
3.2　通过指尖光电容积描记法估算血液参数38
3.3　PPG器件设计的注意事项44
3.4　使用基于PPG的智能可穿戴设备进行心率监测46
3.5　基于NIRS-HDtDCS可穿戴设备的脑氧饱和度监测49
3.6　使用PCG进行心音测量53
3.7　总结55
参考文献55
第4章　基于Python框架的面向传感器数据采集、提取和分析任务的图形用户界面软件开发59
4.1　简介59
4.2　使用Visual Studio 2017和Python的传感器数据接收、存储和分析的软件框架59
4.3　设计和开发GUI60
4.4　总结75
参考文献76
第5章　医疗物联网系统的架构与安全77
5.1　简介77
5.2　系统流程81
5.3　安全路由83
5.4　云端85
5.5　系统实现87
5.6　结果88
5.7　总结94
参考文献95
第6章　可穿戴设备物联网：访问控制和身份管理97
6.1　简介97
6.2　IoT的安全性99
6.3　讨论108
6.4　总结112
参考文献113
第7章　可穿戴人体传感器网络的安全和隐私119
7.1　简介119
7.2　WBSN的广义系统架构120
7.3　WBSN中的安全需求121
7.4　WBSN中的威胁和攻击123
7.5　WBSN中安全与隐私的解决方案124
7.6　总结128
参考文献128
第8章　无线植入物体的网络安全130
8.1　简介130
8.2　可植入医疗设备131
8.3　黑客攻击的伦理分析133
8.4　IMD安全需求134
8.5　IMD安全设计中的权衡136
8.6　支持紧急访问的安全设计138
8.7　支持常规检查的安全设计143
8.8　解决资源受限的安全设计144
8.9　讨论和未来的研究146
8.10　总结147
参考文献147
第9章　VitalMON：用于温度监测的可穿戴传感器系统151
9.1　简介151
9.2　系统体系结构153
9.3　硬件和固件设计158
9.4　基于P-VSM的热红外TM测温方法167
9.5　使用WTA测量TM温度的可行性研究171
9.6　用户数据隐私和安全考虑179
9.7　伦理问题180
9.8　总结180
参考文献180
第10章　可穿戴视觉传感器中使用的低内存图像编码器183
10.1　简介183
10.2　用于WVS的低内存图像编码器186
10.3　结果与讨论200
10.4　总结205
参考文献205
第11章　基于智能鞋垫可穿戴系统的IoT平台212
11.1　简介212
11.2　背景工作213
11.3　将SmartStep集成到IoT框架中216
11.4　使用场景216
11.5　SmartStep作为IoT节点所面临的挑战217
11.6　支持SmartStep作为IoT节点的硬件设计218
11.7　电池子系统和无线充电218
11.8　SmartStep的容错固件设计219
11.9　基站容错的Android应用221
11.10　将数据从SmartStep传输到云服务器的基础设施223
11.11　测试场景：长期案例研究224
11.12　未来的发展方向224
11.13　总结224
参考文献225
第12章　用于无线人体传感器网络的基于HRV的生物特征隐私保护与安全机制228
12.1　简介228
12.2　相关工作230
12.3　使用WBSN的医疗保健系统的安全需求231
12.4　背景233
12.5　生理信号采集的可穿戴平台235
12.6　基于HRV的WBSN生物特征安全机制237
12.7　实验结果与讨论241
12.8　总结246
参考文献247

用于感知事物的传感装置在测量各种非电参数方面发挥着非常重要的作用，这些非电参数包括各种物理、化学以及生理参数等。时下，可以穿戴在人/动物身上的传感器通过测量不同的生理参数，能够及时且低成本地提供有关身体健康状况的重要信息，对医疗保健服务具有积极的影响。可穿戴传感器可以测量的参数包括：脉搏、血氧饱和度、呼吸监测、手势识别、人体运动过程中的加速度及惯性监测、血压、体温、离子盐（如钙、钠、钾及氯化物）、乳酸含量、肌酐值、胆固醇、尿素、尿酸、草酸、甘油三酸酯、抗坏血酸等。其中很多参数都可以利用侵入式或非侵入式传感器进行测量。这些传感器不仅灵活、易于操作，而且耐用、成本较低。目前，依靠体液获得上述参数的非侵入式传感器正变得越来越流行。与之相比，通过注射或切口穿透进入人体的侵入式传感器会给患者带来严重的不便和恐惧，尤其是婴幼儿、老年人以及恐惧症患者。随着微电子学和通信技术的进步，这些参数均可以远程测量和监测，并且在紧急情况下可以自主传送到附近的服务站（如医院、警察局、自由职业服务中心等）。可穿戴传感器系统主要由传感器、信号调节模块、数据传输模块、数据处理和显示模块组成，其中传感器包括薄膜/厚柔性传感器和智能传感器，信号调节模块将这些模块连接到合适的电子电路中，数据传输模块实现有线数据通信。通过集成智能可穿戴传感器、无线传感器网络（WSN）和物联网（IoT）可以对人体生理参数进行无线监测，这在很大程度上缓解了农村医疗中专业医生和先进医疗设施缺乏的问题。随着越来越多的人选择这项价格低廉的技术，可穿戴无线传感技术的应用前景非常广阔，2017年年底，传感器在医疗领域的市场价值迅速增长至200多亿美元。
传感器主要基于电、热、光、压电、机械和机电等原理进行工作。不同类型的传感器，其工作原理不同，无论是基于何种工作原理，传感器总是能监测到对应参数的变化。为了便于信号接入、处理、传输、测量和监控，对应参数的变化会转换成电信号输出。同时传感器必须保证能在具有各种干扰以及输入可修改的情况下可靠、灵敏地工作，并且具备美观、便携、耐用等特点。
本书将帮助读者了解可穿戴传感器的基本知识、功能、设计与制造，以及用于方便数据判读、数据传输、数据联网、数据安全与隐私的相关接口电路和信号处理方面的高级知识。此外我们将讨论非侵入式传感器的设计、制造及其局限性等重要内容。还将讨论智能接口、无线人体传感器网络、特定参数的监测应用，以及该领域的未来发展趋势。
本书一共12章，每一章都由各领域的专家撰写，主要包括可穿戴、物理、化学及生物传感器，以及接口电路、信号调节、无线数据通信、数据分析、无线人体传感器网络（WBSN）、医疗应用中的物联网、数据安全及保密专用软件开发。
本书首先从可穿戴传感器的基础知识开始—它们的设计、制造和重要响应特性。第1章概述可穿戴传感器，特别是非侵入式传感器的发展过程。首先回顾了非侵入式传感器利用的几种体液，接着讨论了重要的叉指电极结构设计。此外还讨论了柔性和非柔性传感器的高效功能、材料选择、传感膜的制备方法以及不同类型可穿戴传感器的制造等问题。最后介绍了可穿戴传感器的一些重要应用。第2章主要介绍新兴的易于使用的柔性可穿戴传感器在测量和监控不同人体参数方面的发展。首先概述了柔性传感器的发展概况，然后讨论了一些与设计选型相关的内容，包括选择合适的结构、选择传感和电极材料（包括功能化纳米颗粒材料），以及制造方法等。
随着对床边诊断、化验信息系统需求的不断增加，微型微电子智能电路的发展势在必行。该智能电路可与传感器集成，用户使用起来舒适方便。第3章论述集成了可穿戴传感器的小型智能电路的设计与开发，该电路可用于心脑疾病患者的居家监测。其中主要讨论了用于指尖光电容积描记输出的信号调节电路、脑血氧测定技术，以及用于测量心率、脑氧饱和水平和心音等参数的MEMS传声器。第4章讨论基于图形用户界面（GUI）的可穿戴传感器的数据采集、提取、显示和存储软件的开发。第5章介绍面向患者健康监测应用的物联网架构的设计与开发，主要提供了与物联网相关的几个常见问题的解决方案，同时在模拟平台和硬件平台上（包括在真实的医院环境中），对医疗物联网系统的有效性进行了验证。第6章论述可穿戴传感应用在物联网平台上的安全问题，其中主要讨论了可扩展性、异构性、策略管理及跨域管理等需要利用技术解决的重要问题。第7章对WBSN中的安全与隐私问题进行了全面调查，还讨论了面对这些挑战的可能解决方案。第8章论述可植入医疗设备（IMP）无线通信技术的发展，主要分析了IMD的网络安全挑战及潜在的解决方案，讨论了几种关键的植入式装置的安全性问题及设计方案。第9章介绍特殊设备“VitalMON”的硬件和软件开发，该设备是一个基于红外热电堆传感器阵列和低功耗电子器件的新型可穿戴鼓膜温度系统，用于监测人体核心体温和活动，可供普通人和军事人员使用。
视觉传感器是一种以摄像机为视觉传感器的无线传感器节点，随着集成电路技术的进步，其尺寸已经缩小，可以作为可穿戴视觉传感器（WVS）戴在身上。WVS的应用非常广泛，在运动监测、远程手术、远程医疗等领域的应用日益增多。但它面临着低内存需求、低功耗等问题的挑战。第10章概述现有传统的、低内存的图像转换和编码算法，提出适合WVS应用的图像转换和编码算法，并将其性能与先进的编码进行了比较。
第11章和第12章讨论用于健康参数监测的无线人体传感器网络（WBSN）。在WBSN中，所有的医疗设备无线连接，进行远程健康参数监测。这两章主要对WBSN中存在的安全和隐私问题进行了全面论述。第11章描述在自由生活环境中开发基础设施的方法，主要讨论可穿戴技术在自由生活环境中可能出现的一些特殊问题，这些问题可能会阻碍传感器在物联网框架中可靠运行。这一章提出了解决此类情况的算法解决方案，允许SmartStep物联网生态系统具有容错性和健壮性。这一章还介绍了将传感器数据连接到云端的实现方法。该方法在单独的受试者身上进行了为期一个月的测试，测试期间100%的传感器数据都可以从SmartStep中检索到。第12章讨论基于时域心率变异性（HRV）信号的WBSN技术—WBSN中的数据通信使用HRV信号来执行，以及用户的安全和数据隐私。为确保医疗数据的隐私和真实性，本书还讨论了基于HRV的生物特征安全机制（HBSM）的发展。
我们要向本书各章杰出的作者们表示深深的感谢，感谢他们花了这么多时间来撰写对应的章节。得益于作者的专业知识、专业精神和用心，本书的形式很有趣，内容也很有价值。我们希望读者能发现本书有趣、有用、信息量大、内容丰富的特点。

Tarikul Islam教授
印度新德里中央大学
Subhas Chandra Mukhopadhyay教授
澳大利亚麦考瑞大学