Sensors基础知识---

azimuth方位角（PDR中叫heading）：就是绕z轴转动的角度（顺时针为正），0度=正北,（假设Y轴指向地磁正北方）；90度=正东；180度=正南；270度=正西。
pitch仰俯：绕X轴转动的角度（-180<=pitch<=180）, 如果设备水平放置，前方向下俯就是正；前方向上仰就是负值。
roll滚转：绕Y轴转动（-90<=roll<=90），向左翻滚是正值。

Sample Rate（Output Data Rate，ODR）：
ACC：50/100 Hz（PDR和指南针用100 Hz，其它场景切换到50 Hz）
MAG：25 Hz
GRYO：100 Hz
poll_interval为轮训周期，即odr输出速率的倒数1000 / odr（单位是ms）

DCM：Direction Cosine Matrix（参看四元数与旋转矩阵）

2.3.1 角速率零点漂移
将陀螺仪放置在水平的桌面上，读出(x0, y0, z0)这3个值，即为3个轴的0点漂移；运动状态读出的值(x, y, z)需要减去0点漂移的值，再做离散点积分计算。

零点漂移不断修正的公式：
gOffset = EMAOFFSET * gyroRaw + (1 - EMAOFFSET) * gOffset;
gyroSpeed = gyroRaw - gOffset;
gAngleGlobal += gyroSpeed * tInterval;
gyroAngle = gAngleGlobal;

其中EMAOFFSET = 0.0005
说明漂移也一直在修正。

2.3.2 陀螺仪积分
陀螺仪积分原理是使用离散点积分，根据ODR（Output Data Rate）的倒数，可以算出2个点的时间间隔(dt = 1 / ODR)，将读取到的x或者y或者z减去offset（0点漂移）后乘以时间间隔（dt = 1 / ODR）即是2点之间的积分，加上上一次的旋转角度，就是新的角度。

例子：
#include <Wire.h>
#include <L3G4200D.h>
#define EMAoffset 0.05
#define Gyr_Gain 0.076335877862595  // 1/131,250dps
float angleG;
float G_offset;
float gyroSpeed;
unsigned long timer = 0;

L3G4200D gyro;

void setup() {
    Serial.begin(9600);
    Wire.begin();
    gyro.enableDefault();
    delay(500);
}

void loop() {
    long o_timer = timer;
    timer = millis();
    int dt = timer - o_timer;
    gyro.read();
    G_offset = EMAoffset *(gyro.g.x - 55) / 131 + (1-EMAoffset) * G_offset;
    gyroSpeed = (gyro.g.x - 55) / 131 - G_offset;
    angleG = angleG + gyroSpeed * dt / 1000;
    Serial.print("angle_x: ");
    Serial.print(angleG,6);
    Serial.println(";");   
    delay(100);
}

积分运算的累积误差：
PITCH/ROLL角速度积分－>PITCH/ROLL姿态角，再结合加速度纠正累积误差。
AZIMUTH（YAW）角速度积分－>方向角，再结合地磁传感器、GPS纠正累积误差。

2.3.3 URLs
简单介绍一下用加速度传感器修正角速度传感器(陀螺仪)累计误差的原理
https://blog.csdn.net/djimon/article/details/5815860

2.4 Magnetic（磁力计）
unit：microtesla
寄存器读出来的16bit_ADC值 (x, y, z)，16bit_ADC是无符号数，换算成uT，分成3步。
第一步，无符号的16bit_ADC值范围是[0,65536]，转换到有符号数，就是16bit_ADC-32768后的，范围就是[-32768,32768]
第二步，得出Gauss：((16bit_ADC - 32768)/ 1024)，就是1Gauss的变化，需要ADC的值变化1024
第三步，得出uT：((16bit_ADC - 32768)/ 1024) * 100

地磁场是一个矢量，对于一个固定的地点来说，这个矢量可以被分解为两个与当地水平面平行的分量和一个与当地水平面垂直的分量。如果保持电子罗盘和当地的水平面平行，那么罗盘中磁力计的三个轴就和这三个分量对应起来，如下图所示。

实际上对水平方向的两个分量来说，他们的矢量和总是指向磁北的。罗盘中的航向角（Azimuth）就是当前方向和磁北的夹角。由于罗盘保持水平，只需要用磁力计水平方向两轴（通常为X轴和Y轴）的检测数据就可以计算出航向角。当罗盘水平旋转的时候，航向角在0°- 360°之间变化。

磁力计会上报 (x, y, z, accuracy)，其中accuracy的范围在0-3之间，数字越大越精确，低了需要做8字校准。
采集地磁三个轴的数据，通过画八字的形式，用MATLAB做个空间球，未校准的数据是个椭球，校准后就是个球了。椭球或者球对应点的直径（三个轴的合成磁场强度）是sqrt(x*x + y*y + z*z)。

2.5 方位传感器（Orientation Sensors）

Android指南针应用就是用的这个类型。
这个传感器是virtual sensor，是通过Magnetic的 (x, y, z, accuracy) 计算出来的，其中azimuth作为指南针应用的指针方向来源。
azimuth方位角（PDR中叫heading）：就是绕z轴转动的角度(顺时针为正)，0度=正北,（假设Y轴指向地磁正北方）；90度=正东；180度=正南；270度=正西。
pitch仰俯：绕X轴转动的角度 (-180<=pitch<=180), 如果设备水平放置，前方向下俯就是正；前方向上仰就是负值。
roll滚转：绕Y轴转动(-90<=roll<=90)，向左翻滚是正值。

Android上报的3个数据格式如下所示（APR）：
values[0]：azimuth, rotation around the Z axis
values[1]：pitch, rotation around the X axis
values[2]：roll, rotation around the Y axis

2.6 URLs
2.6.1 四元数与旋转矩阵
四元数AHRS姿态解算和IMU姿态解算分析
https://blog.csdn.net/xiaoxie613520/article/details/78227170

加速度计补偿陀螺仪漂移的原理
http://x-io.co.uk/open-source-imu-and-ahrs-algorithms/

3 其他Sensor
3.1 心率
Beats Per Minute，每分钟心跳次数
3.1.1 光学HRM（心率监控）
IC：台湾原相
光学传感器（2个绿光LED和一个红外LED）会产生PPG1和TOUCH两个数据，基于这2个数据，计算得出HRM和TAKE_OFF数据。
HRM融合了G-sensor和光学传感器PPG1的数据。
TAKE_OFF（从手腕上脱下手表）检测是用G-sensor和红外TOUCH的数据计算而得。
SLEEPING检测是用G-sensor与HRM数据计算而得。

3.1.2 ECG（美国叫EKG，心电图，双电极技术）
IC：NeuroSky（神念科技）BMD101
aVR：augmented Voltage Right Hand，心电导联的一种接法
医疗器械三巨头：GE、飞利浦、西门子（GPS）

穿戴类ECG仅显示单通道心电图（第一导联，Lead I ECG）

3.1.3 HRV
HRV是指Heart Rate Variability（心率变异性），HRV的单位是ms（毫秒），HRV特指心跳时间间隔的微小变化。心率变异性变化越大，表明自主神经系统对身体协调作用越好、身体具备更多的活力。测量心率变异性(HRV)可以直观反映一个人的身体健康状况，并且也能够判断目前的训练方式对改善身体状态是否有效。
Figure 3-1 ECG心电图各种波段解析

Figure 3-2 RR间期、JJ间期和PP间期

Figure 3-3 2个不同的HRV比较

Figure 3-4 HRV测量的散点图

3.1.4 URLs
名副其实，专业级可穿戴设备参考方案——佳明Forerunner 630运动手表拆解
http://www.eeboard.com/teardown/garmin630/

佳明Forerunner 235拆解，超长待机、支持防水
http://www.eeboard.com/teardown/forerunner-235/2/

GARMIN 佳明 fenix3 HR 小银人（含拆解）
https://post.smzdm.com/p/595994/

3.2 Pressure（气压计）
单位hPa（hundred Pa，Android就是用这个：hardware/*/sensors.h），100帕斯卡
0.12 hPa = 1米

3.3 PDR（室内定位）
根据GPS输入的值（经度，维度，地面速度m/sec，定位精度GPACCURACY，真北True方位角-顺时针为正），sensorhub或者sensor fusion库返回经度和维度作为PDR的输出值。一般情况是GPS喂一次数据，sensorhub预测并给出接下来的几个GPS点。GPS不喂数据，sensorhub也不吐数据。
Cywee CMH1000 sensorhub（224KB DRAM，336KB IRAM，SRAM电压是1V）带有这个算法。
PDR实现方式
https://wenku.baidu.com/view/f2675c3010661ed9ad51f355.html

3.4 Sedentary reminder（久坐提醒）
Probability of sedentary reminder, the value range is from 0 to 100.
久坐一般由MMI层预设一个时间下到sensorhub中去，时间unit: minute
久坐的算法：一般是如果在触发时间到之前（譬如1小时），有累计行走一分钟就会解除久坐，并重新计算时间（还是按照1小时计算）。

3.5 Sleep
3.5.1 Sleep Cycle
睡眠监测过程分为：Awake、Light Sleep、Deep Sleep、REM（清醒、轻度睡眠、深度睡眠和快速动眼睡眠）
Sleep Cycle：睡眠质量（百分数），(快速动眼睡眠 ＋ 深度睡眠) / 总睡眠

夜晚会翻身的那些时间就是睡眠质量不好（Light Sleep）的时间，算法将它扣除后，剩下的就是实打实睡眠质量好（快速动眼睡眠 ＋ 深度睡眠）的时间段。

3.5.2 算法
主要判断入睡和出睡满足的条件。
包括SLEEP和SLEEP_STAGING（SLEEPING）
SLEEP：纯粹由G-sensor的数据计算而得
SLEEP_STAGING（SLEEPING）：融合了G-sensor、光学传感器PPG1和BISI（Beat Interval and Signal Integrity detection）的数据；半小时以上的低运动量才会触发SLEEP_STAGING测量人的睡眠状态（进入睡眠、浅度睡眠、深度睡眠、状态切换或起床、结束睡眠）；睡眠数据的几种状态都存储在sensorhub中（起床时会集中一次上报），如果中途有起床方便之类的（这个也会报一次数据），只要时间不大于30分钟，算法会认为仍然是一次睡眠过程，将起床前后的2个时间段一起计算睡眠数据。

SLEEPING算法需要data-time，这个需要每天都写入SLEEPING算法中。

睡眠状态值：
0：入睡，enter sleep
1：浅睡，light sleep
2：深睡，deep sleep
3：清醒或翻身，awake/stat change
4：出睡，leave sleep

3.6 Watch Hand up and down（抬手亮屏）
与之相类似的还有Android tilt和wrist传感器。
有2种实现方式：
- 使用ACC实现，需要分左右手，功耗较小
- 使用GYRO实现，不分左右手，功耗较大，很多GYRO启动后，最大耗流能达到1mA

3.7 血氧计（oximeter）
血氧饱和度（SpO2）是医学界最新确立的衡量人体健康与否的指标，用于标注动脉血液中氧合血红蛋白占总血红蛋白的比值。健康人群的血氧饱和度普遍在94%以上，脉搏在60到100之间。

代码中一般使用PPG2表示，PPG1表示的是光学心率的原始数据。一般使用红光LED来测量。

3.8 颗粒物传感器
测量颗粒物的等效粒径及单位体积内不同粒径的颗粒物数量。
主要输出数据一是PMx.x下的浓度，单位是ug/m3；二是表示0.1升空气中直径在x.x微米以上颗粒物个数。

3.9 湿度传感器
绝对湿度：每立方米大气所含水汽的克数来表示，单位为g/m3。
相对湿度：通常把大气的绝对湿度跟当时气温下饱和水汽压的百分比称为大气相对湿度，用%RH（Relative Humidity）表示，若大气中所含水汽的压强等于当时气温下的饱和水汽压时，这是大气的相对湿度等于100%RH。

4 URLs
博世BMI160六轴传感器I2C通信配置
https://blog.csdn.net/zzfenglin/article/details/52512871

linux驱动由浅入深系列：高通sensor架构实例分析之三(adsp上报数据详解、校准流程详解)
https://blog.csdn.net/radianceblau/article/details/76180915

如何portingADSP中的sensor
https://blog.csdn.net/u011006622/article/details/54598426

高通平台android 环境配置编译及开发经验总结
https://blog.csdn.net/beyondioi/article/details/18675055

5 Abbreviations
AHRS：Automatic Heading Reference System，自动航向基准系统，广泛应用于四轴飞行器上
BISI：Beat interval (BI) and signal integrity (SI) detection. The BI is computed based on subtracting the peak position of the successive PPG beats. The SI is an indicator to identify the PPG signal integrity.
DDF：Device Driver Framework
EEG：Electroencephalography (EEG) is an electrophysiological monitoring method to record electrical activity of the brain.
EKG：Electrocardiography (ECG or EKG) is the process of recording the electrical activity of the heart over a period of time using electrodes placed on a patient's body.
EMG：Electromyography (EMG) is an electrodiagnostic medicine technique for evaluating and recording the electrical activity produced by skeletal muscles.
FSR：Full Scale Ranges，满量程范围
GSR：Galvanic skin response (GSR) is an electrophysiological monitoring method to record conductance of the skin.
HRV：Heart Rate Variability，心率变异性，需要ECG测量加算法
IMU：Inertial Measurement Units
MPU6050 DMP：Digital Motion Processing，数字运动处理器
ODR：Output Data Rate，for sensors sample rate（poll_interval = 1 / ODR），或者Output Data Register（STM32 GPIO）
PDR：Pedestrian dead reckoning, calculating one's current position by using a previously determined position or fix, and advancing that position based upon known or estimated speeds over elapsed time and course.
PPG：Photoplethysmogram (PPG) is an optical volumetric measurement of an organ. By illuminating skin with LED, the PPG is measured from the light transmitted or reflected to photodiode.