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第1章 引言1

1.1 本书的主要内容2

1.2 传感器的历史概述3

1.3 传感器应用的驱动力5

1.3.1 健康与健身5

1.3.2 人口老龄化7

1.3.3 个性化医疗7

1.3.4 公共卫生8

1.3.5 技术交互9

1.3.6 国家安全10

1.3.7 物联网10

1.3.8 水和食物11

1.3.9 环境挑战12

1.4 传感器应用面临的挑战12

1.5 传感器实现创新13

参考文献14

第2章 传感技术与传感器基础16

2.1 传感器和传感技术的定义16

2.2 主要传感模式介绍17

2.3 机械传感器19

2.3.1 MEMS传感器21

2.3.2 加速度计21

2.3.3 陀螺仪22

2.4 光学传感器22

2.4.1 光电传感器23

2.4.2 红外传感器23

2.4.3 光纤传感器24

2.4.4 干涉仪25

2.5 半导体传感器25

2.5.1 气体传感器26

2.5.2 温度传感器26

2.5.3 磁传感器27

2.5.4 光学传感器27

2.5.5 离子选择性场效应晶体管28

2.6 电化学传感器29

2.6.1 电位型传感器29

2.6.2 电流型传感器29

2.6.3 电量传感器29

2.6.4 电导传感器30

2.7 生物传感器30

2.7.1 生物传感器的换能器32

2.7.2 生物传感器的主要特性33

2.8 应用领域34

2.8.1 环境监测34

2.8.2 医疗37

2.8.3 保健38

2.9 传感器特性40

2.9.1 检测范围40

2.9.2 传递函数40

2.9.3 线性和非线性42

2.9.4 灵敏度42

2.9.5 环境影响43

2.9.6 输入修正43

2.9.7 输入干扰43

2.9.8 迟滞43

2.9.9 分辨率44

2.9.10 准确度44

2.9.11 精度44

2.9.12 误差45

2.9.13 统计特性47

2.9.14 可重复性47

2.9.15 公差47

2.9.16 动态特性47

2.10 小结48

参考文献48

第3章 传感器关键技术：硬件和软件概述52

3.1 智能传感器52

3.2 传感器系统53

3.3 传感器平台54

3.3.1 Arduino I/O板54

3.3.2 Shimmer55

3.3.3 智能手机和平板电脑56

3.4 智能传感器的微控制器57

3.4.1 CPU58

3.4.2 常用微控制器62

3.5 接口和嵌入式通信63

3.5.1 嵌入式数字接口和协议63

3.5.2 模拟接口65

3.6 传感器通信66

3.6.1 标准有线接口66

3.6.2 中短距离无线通信标准69

3.6.3 专有无线协议71

3.7 电源管理和能量采集72

3.7.1 电源管理72

3.7.2 能量采集73

3.8 微控制器的软件和调试75

3.8.1 IDE75

3.8.2 开发语言76

3.8.3 测试代码77

3.9 小结77

参考文献78

第4章 传感器网络拓扑理论及设计80

4.1 传感器网络构成要素80

4.1.1 传感器节点82

4.1.2 信息汇聚器、基站及网关82

4.2 传感器网络拓扑结构85

4.3 传感器网络的应用87

4.3.1 个人局域网络87

4.3.2 家庭传感器网络88

4.3.3 广域网89

4.4 传感器网络的特征和挑战90

4.4.1 安全92

4.4.2 传感器网络面临的挑战96

4.5 小结97

参考文献97

第5章 传感器数据处理和增强98

5.1 数据认知99

5.2 物联网99

5.3 传感器和云101

5.4 数据质量102

5.4.1 解决数据质量问题103

5.5 传感器数据融合104

5.6 数据挖掘105

5.7 数据可视化108

5.8 大传感数据111

5.9 小结113

参考文献113

第6章 法规与标准：传感器技术的注意事项116

6.1 医疗设备法规116

6.1.1 CE认证117

6.1.2 美国食品药品监督管理局118

6.1.3 其他医疗设备监管者120

6.2 医疗设备的标准121

6.2.1 行业标准和认证121

6.2.2 质量管理体系标准122

6.2.3 临床研究标准123

6.2.4 数据互操作性标准124

6.3 环境传感器的法规124

6.3.1 环境噪声125

6.3.2 环境空气质量126

6.3.3 室内空气质量128

6.3.4 饮用水130

6.3.5 射频频谱的监管和分配130

6.4 挑战132

6.4.1 针对具体国家的监管程序132

6.4.2 移动健康应用程序133

6.4.3 个性化医疗135

6.4.4 大众科学135

6.5 小结136

参考文献136

第7章 生物传感器的数据经济138

7.1 论证的基础142

7.2 为什么基于“应该”的技术开发难有成效144

7.3 基于“应该”设计的后果152

7.4 为什么设计需要考虑种种“可能因素”153

7.5 “可能因素”数据经济的要求157

7.6 小结160

参考文献160

第8章 家庭与社区传感器的使用162

8.1 医疗领域的挑战162

8.2 研究设计163

8.2.1 提出研究问题164

8.2.2 临床群体特征165

8.3 家庭使用传感器166

8.3.1 家用与社区使用的传感技术166

8.3.2 穿戴式传感器的评估应用167

8.3.3 周围环境监测传感技术168

8.3.4 用户设备入口168

8.3.5 用户反馈170

8.4 家用传感器的管理170

8.5 远程使用传感器结构171

8.6 样机设计过程172

8.6.1 与用户共同设计172

8.6.2 与多学科团队成员共同设计173

8.7 数据分析与智能数据处理174

8.8 案例研究175

8.8.1 案例一：量化计时起走（QTUG）测试175

8.8.2 案例二：日常活动和步态速度的环境监测评估179

8.8.3 案例三：专注生活训练180

8.9 经验总结181

8.9.1 安装过程181

8.9.2 关键传感器的隐藏181

8.9.3 数据质量183

8.9.4 用户参与183

8.10 小结184

参考文献184

第9章 医疗应用的穿戴式、周围环境监测与用户使用的传感技术186

9.1 改变我们医疗工作的方式186

9.2 传感器检测的背景信息在医疗中的应用189

9.3 基于医院和社区的传感技术用于评估和诊断190

9.3.1 监测生命体征190

9.3.2 心率191

9.3.3 血压191

9.3.4 体温193

9.3.5 呼吸速率195

9.3.6 血氧的监测195

9.4 社区应用的传感技术196

9.5 基于家庭的临床应用197

9.5.1 慢性疾病管理200

9.5.2 用于研究的不定期监测201

9.5.3 活动和行为的监测202

9.5.4 生物力学康复205

9.5.5 聚合与管理206

9.5.6 智能手机作为医疗平台207

9.6 自我护理诊断试剂盒209

9.6.1 酶／免疫学检测210

9.6.2 酶试纸211

9.6.3 色谱湿法化学212

9.6.4 家庭检测市场212

9.6.5 家庭基因测试215

9.7 关键驱动因素和挑战215

9.7.1 医疗系统方面的驱动因素和挑战216

9.7.2 技术驱动因素和挑战216

9.7.3 消费者驱动因素和挑战217

9.8 基于传感器医疗应用的未来218

9.9 小结220

参考文献220

第10章 保健、健身及生活方式传感技术的应用223

10.1 驱动力与阻力：运动与健身传感技术224

10.1.1 运动与健身传感技术的驱动力224

10.1.2 运动与健身传感技术的障碍226

10.2 运动与健身传感技术的应用227

10.2.1 支持无线技术228

10.2.2 健身传感技术229

10.2.3 服装传感技术232

10.2.4 运动装备传感技术234

10.2.5 运动和健身的统计数据238

10.3 活动与保健239

10.3.1 肥胖与体重管理241

10.3.2 睡眠242

10.3.3 姿态监测247

10.3.4 人身安全248

10.4 保健、健身和生活方式中传感应用的未来252

10.5 小结253

参考文献254

第11章 对人类健康的环境监测257

11.1 环境监测传感技术发展的驱动力258

11.1.1 产品成本259

11.1.2 智能手机259

11.1.3 市民认知259

11.1.4 采样259

11.1.5 环境传感技术与网络通信技术260

11.2 应用瓶颈260

11.2.1 功耗260

11.2.2 稳定性和成本261

11.2.3 技术限制262

11.2.4 安全问题262

11.2.5 可用性和可拓展性262

11.2.6 兼容性263

11.2.7 数据质量和所有权263

11.3 环境监测参数263

11.3.1 空气质量和大气条件263

11.3.2 环境天气272

11.3.3 UVA/UVB检测274

11.4 水质监测276

11.4.1 水质物理参数检测传感技术278

11.4.2 水质化学性质传感技术278

11.4.3 水质生物病原体传感技术279

11.4.4 移动式水质检测传感技术280

11.4.5 环境噪声污染281

11.5 辐射检测282

11.6 环境对食品的影响283

11.7 环境监测的未来方向284

11.8 小结285

参考文献286

第12章 总结与展望289

12.1 现状289

12.2 展望291

12.2.1 普遍性292

12.2.2 技术293

12.2.3 个性化医疗296

12.2.4 众包297

12.2.5 传感技术交互298

参考文献299