Wie funktionieren Fitness-Armbänder – Sensoren für Bewegung- und Schlafanalyse
Haben Sie sich auch schon einmal gefragt wie Fitness-Armbänder eigentlich messen und funktionieren? Wir schon! Und deshalb haben wir uns einmal im Detail mit der Technik und den Messverfahren beschäftigt. In diesem Ratgeber klären wir in Detail, wie moderne Fitness-Tracker bei der Messung vorgehen.
Moderne Fitnessarmbänder messen viele verschiedene Informationen. Manche sind einfach nachzuvollziehen, andere weniger. Wir haben uns vor allem dafür interessiert, wie die dahinter steckende Technik funktioniert. Wir wollten wissen wie Fitness-Armbänder folgendes messen:
- Die Anzahl der Schritte
- die zurückgelegte Distanz
- den Kalorienverbrauch
- die Messung von gelaufenen Etagen
- Messung von Puls bzw. Herzfrequenz
- wie erkennen die Fitness-Tracker verschiedene sportliche Aktivitäten
- Schlafaufzeichnung und Erkennung von verschiedenen Schlafphasen (Tiefschlaf, unruhiger Schlaf)
Dafür mussten wir uns mit dem Innenleben der Tracker beschäftigen. Hier sind wir auf verschiedene Sensoren gestoßen, die für die Messung verschiedener Bewegungen des Armbands verwendet werden.
Zu den in Fitnessarmbändern verbauten Sensoren gehören:
- Bewegungssensoren
- Beschleunigungssensoren
- optische Sensoren
- Barometrische Höhenmesser
- Bioelektrische Sensoren
- Gyroskop-Sensoren
- GPS-Empfänger (streng genommen kein Sensor, aber für die Funktionalität sehr wichtig)
Natürlich sind nicht in allen Fitnessarmbändern alle diese Sensoren verbaut. Gerade die billigen Modelle greifen meist nur auf Bewegungssensoren und Beschleunigungssensoren zurück. Die teureren Modelle, die auch den Puls messen und Etagen erkennen, brauchen dann weitere technische Sensoren für die Erkennung und Aufzeichnung.
Im folgenden stellen wir Ihnen die verschiedenen Sensoren vor und welche Aufgabe sie in einem guten Fitnessarmband übernehmen.
Inhaltsverzeichnis
Was machen die Sensoren eigentlich?
Im Prinzip zeichnen alle Sensoren spezifische Daten auf. Diese Daten beziehen sich auf ihr Bewegungsverhalten. Mit komplizierten Algorithmen in der Software werden daraus dann spezifische Bewegungsmuster erkannt. Aus der Kombination der verschiedenen Daten kann nun ein guter Fitness-Tracker durch Interpretation mittels eines Algorithmus relativ genau arbeiten. Eine 100-prozentige Genauigkeit gibt es nicht!
Die Bewegungssensoren
In jedem Fitnessarmband bzw. Fitness-Tracker sind Bewegungssensoren eingebaut. Sie sind sozusagen die Basis für die einfachsten Auswertungen. Die eingebauten Sensoren sind winzig klein. Diese Elektronikbausteine gehören zur Gattung der MEMS-Bauteile (Mikroelektromechanische Systeme).
Zu den Bewegungssensoren gehören die Beschleunigungssensoren und auch der Gyroskop-Sensor. Während die Beschleunigungssensoren die lineare Bewegung im dreidimensionalen Raum erfassen, sind die Gyroskop-Sensoren dafür zuständig Rotationsbewegungen aufzuzeichnen.
Der Beschleunigungssensor kann also Bewegungen in alle Richtungen erfassen. Der Gyroskop-Sensor ist für Drehungen zuständig. Beide technischen Sensoren können im dreidimensionalen Raum aufzeichnen.
Dadurch bekommt man ein gutes Bild von der Bewegung, die der Träger eines solchen Armbands ausführt. Natürlich braucht man dafür komplexe Algorithmen, die die Daten interpretieren. Dazu später mehr.
Was bedeutet Beschleunigung?
Der Beschleunigungssensor erfasst die Bewegungsänderung des Armbands. Und damit natürlich auch seines Trägers. Bewegt man sich nach vorne, dann erkennt das der Sensor. Hebt man den Armen, dann ebenfalls. Auch das Anhalten, das als negative Beschleunigung bezeichnet wird, kann der Beschleunigungssensor erfassen. Hierbei wird die Richtung im dreidimensionalen Raum und die Schnelligkeit der Bewegung aufgezeichnet
Grundsätzlich kann man sagen, dass eine Beschleunigung immer dann auftritt, wenn ein Körper die Richtung verändert oder die Geschwindigkeit. In der Physik gibt es dafür das 1. und das 2. Newtonsche Gesetz. Damit ein Körper sich bewegt muss auf jeden Fall eine Kraft auf ihn einwirken.
Die Bewegungssensoren nutzen nun diese Krafteinwirkung, um die Beschleunigung zu messen. Denn Kraft und Geschwindigkeit steht natürlich in einem direkten, kausalen Zusammenhang.
Dafür muss der Fitness-Tracker allerdings die einwirkende Kraft erkennen und aufzeichnen. Dafür werden verschiedene Sensoren eingesetzt.
In Fitnessarmbändern werden meistens kapazitive Sensoren verwendet. Sie sind extrem klein und dadurch perfekt geeignet. Außerdem sind sie günstig.
Damit eine dreidimensionale Bewegung gemessen werden kann, müssen drei der Sensoren verbaut sein. Diese müssen da für diesen Zweck jeweils senkrecht zueinanderstehen.
Barometrische Höhenmesser
In teureren Fitness-Trackern werden teilweise Barometrische Höhenmesser eingesetzt. Diese sind in der Lage, die Höhe zu bestimmen. Technisch funktioniert das über den Luftdruck. Der Sensor ermittelt den Luftdruck und kann daraus die Höhe berechnen. Denn der Luftdruck sinkt, je höher man über dem Meeresspiegel ist.
Der Gyroskop-Sensor
Dieser Sensor kann wie schon gesagt Drehbewegungen messen und aufzeichnen. Die Kraft die bei schneller Drehgeschwindigkeit auf den Körper einwirkt, wird Corioliskraft genannt. Der Gyroskop-Sensor kann diese Kraft messen und daraus die Drehgeschwindigkeit bzw. Beschleunigung der Drehung ermitteln. Die Messung dieser Sensoren ist ziemlich genau und lineare Bewegungen werden nicht erfasst.
Der GPS-Empfänger
GPS-Empfänger sind inzwischen in zahlreichen technischen Geräten verbaut. Von der Kamera, über das Smartphone und auch in hochwertigen Sportuhren. Auch Laufuhren, die speziell für Läufer angeboten werden, haben meist einen solchen Empfänger eingebaut. Smartwatches greifen ebenfalls darauf zurück. Natürlich auch Navigationsgeräte, Tablets und andere Geräte.
Was ist GPS?
Hinter dem Begriff GPS (Global Positioning System), auf Deutsch globales Ortungssystem, steht ein weltweit nutzbares Ortungssystem über Satelliten. Entwickelt wurde das System bereits in den siebziger Jahren vom US-Militär. Am 17.07.1995 wurde GPS offiziell für nichtmilitärische Nutzung freigegeben. Im Dezember 2016 wurde das EU-Satellitensystem Galileo gestartet. Es ist eine Alternative zum amerikanischen System.
Wie funktionieren globale Ortungssysteme?
Damit ein GPS-Empfänger den Standort bestimmen kann, werden mindestens vier Satelliten oder Funkstationen benötigt. Diese Sender senden laufend ihre Position und Zeit über Funkcodes aus. GPS-Empfänger können diese Funkcodes empfangen und lesen. Dadurch können Sie die Position, in der sie sich aktuell befinden, exakt berechnen. Der dahinter stehende Algorithmus ist natürlich relativ kompliziert. Aber im Prinzip ist das die Funktionsweise. Damit kann eine exakte Position bestimmt werden.
Was kann ein GPS-Empfänger?
Nachdem wir die technische Seite des Empfängers geklärt haben, können wir einfach sagen: der GPS-Empfänger kann ihren exakten Standort bestimmen und aufzeichnen, indem er die Daten verschiedener Sender empfängt und auswertet.
In unseren Fitness-Armbändern sind ebenfalls oft GPS-Empfänger eingebaut. Genutzt werden sie um die zurückgelegte Distanz genau messen zu können. Außerdem können bei Sportarten die zurückgelegten Wegstrecken während der Aktivität exakt erfasst werden. Die relativ ungenauen Schrittzähler können so mit Daten angereichert werden und die Messung wird nahezu perfekt.
Denn Schrittzähler ohne GPS-Empfänger schätzen im Prinzip aus Schrittlänge und Anzahl der Schritte die zurückgelegte Strecke. Da jeder Mensch eine unterschiedliche Schrittlänge hat ist das natürlich sehr ungenau. Außerdem können bestimmte Bewegungen des Arms dazu führen, dass Schritte gezählt werden, die nicht gemacht worden sind.
Optische Sensoren für die Pulsmessung
Einige Fitness-Tracker benützen für die Messung des Pulswertes optische Sensoren. Diese messen am Handgelenk den Puls des Trägers. So können Herzfrequenz und Puls erfasst werden. Die Messung ist allerdings relativ ungenau. Das liegt an der verwendeten Technologie. Viel genauer ist die Messung mit einem Brustgurt. Da wir aber im Alltag natürlich nicht immer mit einem Brustgurt herumlaufen wollen, ist die Messung am Handgelenk durch optische Sensoren eine echte Alternative.
Wie funktioniert das?
Die optischen Sensoren befinden sich immer an der Innenseite des Armbands. Je genauer das Armband hier anliegt, desto besser kann die Messung erfolgen. Diese sehr optischen Sensoren senden Lichtimpulse aus, mit denen die durchlaufende Blutmenge unter der Haut gemessen wird. Dadurch kann man dann den Puls bestimmen und die Herzfrequenz.
Bioelektrische Sensoren
Relativ selten werden in Fitnessarmbändern Bioelektrische Sensoren eingebaut. Normalerweise findet man diese in Körperfettwaagen und Körperfett-Messgeräten vor. Mithilfe dieser Sensoren wird versucht die Anteile an Muskelmasse, Körperfett und Wasser zu bestimmen. Mithilfe dieser Daten kann die Zusammensetzung des Körpers bestimmt werden. Denn Muskeln, Körperfett und Wasser haben einen spezifischen Widerstand. Der Strom wird also unterschiedlich gut oder schlecht durch den Körper geleitet.
Technisch funktioniert das über einen schwachen Strom der durch den Körper geleitet wird. Beispielsweise leitet Fett Strom nur sehr schlecht weiter. Wasser leitet Strom sehr gut weiter. Auch Muskelmasse hat einen spezifischen Widerstand.
Der Bioelektrische Sensor und die dahinter stehende Algorithmus-Auswertung versucht nun aus diesen Daten die Zusammensetzung des Körpers ermitteln. Die Messung ist aus verschiedenen Gründen nicht hundertprozentig genau. Von Fachleuten wird dieses Messverfahren Elektrische Impedanzanalyse genannt. Es ist allerdings relativ ungenau.
Jeder Mensch ist unterschiedlich und hat unterschiedliche Fettmengen an verschiedenen Körperteilen. Bei manchem sitzt mehr Fett an den Beinen, Po und Hüfte. Bei anderen ist das Fett am Bauch. Vor allem Männer und Frauen sind hier sehr unterschiedlich. Aber auch individuelle Personen.
Hinweis: wenn Sie eine genaue Körperzusammensetzung messen lassen wollen, dann kommt nur das hydrostatische Wiegen in Fragen. Dies wird auch Densitometrie genannt.
Unser Rat: die Messung des Körperfettanteils über Bioelektrische Sensoren sollte nur im Trend beachtet werden. Verliert man hier über eine längere Zeit Körperfett in Prozent, dann hat man definitiv etwas richtig gemacht. Tag zu Tag Schwankungen sollte man hingegen völlig ignorieren. Beispielsweise macht es schon einen großen Unterschied, ob man die Messung morgens oder abends durchführt, da abends mehr Wasser im Körper gespeichert ist. Probieren Sie das einmal aus.
Die Auswertung der Messdaten im Fitness-Tracker
Alle gesammelten und aufgezeichneten Daten, die über die Sensoren erfasst werden, müssen anschließend analysiert und interpretiert werden. Für diesen Vorgang hat nun jeder Hersteller seine eigene Software entwickelt. Diese baut auf Algorithmen der Mustererkennung auf, um aus den Messdaten entsprechende Rückschlüsse zu ziehen. Für die Entwicklung der Algorithmen werden umfangreiche Tests bei den Herstellern durchgeführt. Je besser die Software entwickelt ist, desto genauer wird die Messung durch das Fitnessarmband.
Die Entwicklung vom Anfang bis heute
Am Anfang waren Fitness-Tracker eigentlich nur einfache Schrittzähler, die Daten aus simplen Bewegungssensoren für die Bestimmung der Schrittanzahl genutzt haben. Die Schrittlänge wurde einfach nur geschätzt und daraus wurde dann die zurückgelegte Strecke ermittelt. Auch der Kalorienverbrauch wurde nicht annähernd genau berechnet.
Durch die Entwicklung besserer Sensoren und Messverfahren sind die heutigen Tracker bei der Messung und Aufzeichnung schon sehr nahe an der Perfektion. Aber auch heute lassen sich diese Geräte noch täuschen und irren sich. Beispielsweise bei unspezifischen Armbewegungen oder bei Sportarten, die nicht zu erfassen sind. Als Beispiel sind hier Kraftsportarten zu nennen.
Aber die Entwicklung geht immer weiter und wir rechnen damit, dass in den nächsten Jahren Tracker auf den Markt kommen werden, die fast 100-prozentig genau jede körperliche Aktivität erfassen können.
Schlafaufzeichnung und Schlafanalyse bei Fitness-Trackern
Besonders fasziniert sind immer noch viele Käufer von dieser Funktion (Hier mehr dazu). Die Aufzeichnung des eigenen Schlafs und die Identifizierung verschiedener Schlafphasen. Deshalb wollen wir hier kurz darauf eingehen. Aber wie können die Tracker eigentlich unseren Schlaf überwachen?
Im Prinzip wird auf die verbauten Sensoren zurückgegriffen. Die Bewegungssensoren, Beschleunigungssensoren und natürlich der Gyroskop-Sensor. Dieser kann beispielsweise erfassen wenn wir uns nachts umdrehen. Das machen wir meistens sehr oft. Natürlich kriegen wir davon nichts mit, weil wir dies im Schlaf tun und es unbewusst ist. Unser Fitnessarmband registriert aber jede Umdrehung.
Sie werden sich wundern, wie oft sie sich im Schlaf von einer Seite auf die andere drehen, wenn sie einmal eine Messung vornehmen.
Mithilfe der Bewegungssensoren kann das Fitnessarmband ermitteln, wie unruhig das Schlafverhalten ist. Durch Berechnungen in der Software kann dann genau bestimmt werden ob wir in der Tiefschlafphase sind oder in einer Phase unruhigen Schlafs. Alle diese Daten werden vom Fitness-Tracker aufgezeichnet und dann in der App ausgewertet.
So kann man beispielsweise in der Fitbit App seinen Schlaf genau analysieren. Folgende Informationen werden hier jeden Tag zur Verfügung gestellt:
- Wie lange habe ich geschlafen
- Wie oft habe ich mich im Schlaf umgedreht und die Position gewechselt
- Wie unruhig habe ich geschlafen
- Wie lange war ich in der Tiefschlafphase
- Wie lange war ich in einer unruhigen Schlafphase
- Unterbrechungen des Schlafs
Dass wir im Bett liegen und schlafen wird natürlich auch durch die Sensoren erkannt. Denn diese können ja wie ausführlich beschrieben dreidimensionale Bewegungen erfassen. Der Tracker erkennt also genau wenn wir liegen. Auch die spezifischen Bewegungen sind natürlich im Algorithmus hinterlegt und können so verwendet werden.
Unser Fazit
Moderne Fitness-Tracker sind innovative Messsysteme, die fast jede Bewegung des Trägers richtig interpretieren können. Die Sensoren und Meßtechniken werden laufend weiterentwickelt und greifen dafür auf andere Branchen zurück. Grundsätzlich sind wir der Meinung, dass ein Fitnessarmband vor allem der eigenen Motivation dienen sollte. Für uns spielt es keine große Rolle ob nun drei Schritte zu wenig gezählt werden oder zu viel. Die Messung ist so genau, dass man daraus Rückschlüsse ziehen kann auf das eigene Bewegungsverhalten. Das Ziel sollte immer sein sich persönlich zu mehr Sport und Bewegung im Alltag zu motivieren.
