Сучасний смартфон - це не просто дзвінки та SMS, а набагато більше. Але сьогодні ми поговоримо не про те, як виходити з цих пристроїв в інтернет, не про їх гіперкоммунікаціонних можливості і не про переваги тієї чи іншої мобільної операційної системи. Стаття буде присвячена датчикам і сенсорів, якими розробники оснащують сучасні пристрої, щоб їх функціональність стала ще більш різноманітною. Отже, що таке датчики і сенсори? Це мікропристрою в самому смартфоні (плеєрі, планшеті, навігаторі, ноутбуці, цифровому фотоапараті, ігрової консолі і т.д.), які роблять його розумним, а також пов'язують із зовнішнім світом. Без них смартфон не буде настільки цікавий і затребуваний, так як гаджет виявиться без зв'язку з навколишнім середовищем. Саме за допомогою датчиків і сенсорів з'являється зв'язок зі світом навколо, а значить, з'являються нові дивовижні функції.
З основних датчиків і сенсорів, відомих багатьом, і без яких сьогодні не обходяться хіба що зовсім вже бюджетні мобільні телефони, можна виділити наступні:
1. Proximity Sensor
2. Accelerometer
3. Light Sensor
4. Gyroscope Sensor
5. Magnetic Field Sensor (магнітний компас зазвичай не вважають датчиком, але ми все-таки включили його до переліку)
Proximity Sensor (Датчик наближення)
Датчик наближення дозволяє визначити наближення об'єкта без фізичного контакту з ним. Наприклад, датчик наближення, встановлений на мобільному телефоні, дозволяє відключати підсвічування екрану при наближенні телефону до вуха користувача під час розмови. Тобто, його основне завдання полягає в блокуванні смартфона, щоб користувач не натиснув випадково, скажімо, щокою на відбій. До речі, в даному випадку економиться і заряд акумуляторної батареї. Природно, виробники всіляко намагаються розширити можливості цієї функції. Наприклад, рік тому в Samsung Galaxy S3 з'явилася функція «Прямий виклик», яка при тому, що піднесло пристрою на-віч дозволяє дзвонити контакту, чиї відомості, журнал викликів або дані про повідомлення відображаються на екрані. Так само телефон з цим датчиком можна спокійно класти в кишеню або чохол, не боячись випадково зробити непотрібний дзвінок.
Взагалі, управління рухами - це наступний етап в спілкуванні між людиною і технікою, над чим сьогодні працює маса виробників. Наприклад, в минулому році компанія Pioneer представила модельний ряд автомобільних мультимедійно-навігаційних GPS-систем, управляти якими можна за допомогою жестів. Pioneer назвала свою розробку «Air Gesture». Якщо користувач підносить свою руку до передньої частини екрану мультимедійно-навігаційної системи, вона виводить вікно з назвою відтворюється в даний момент композиції і часто використовувані команди управління: «Встановити як кінцеву точку маршруту» і «Встановити улюблене місце як кінцеву точку маршруту». Як тільки користувач прибере руку від екрану, ці команди зникнуть, а навігаційна карта знову відобразиться на всьому екрані. Крім того, шляхом переміщення рук по горизонталі, певні функції, задані користувачем, можуть бути викликані без натискання кнопки. Можна встановити одну з 10 функцій, включаючи «Перемикання між навігацією і AV-функціями» і «Пропуск музику, яку Ви / Відтворення попередньої композиції». Датчик, який визначає руху руки, складається з двох інфрачервоних випромінюючих частин і однієї прийомної між ними. Коли рука рухається до передньої частини екрану, приймальний ІК-датчик виявляє відображення інфрачервоного світла. При горизонтально рухається руці ІК-датчик визначає зміна таймінгів інфрачервоного випромінювання з правого і лівого випромінюючих частин так, що стає зрозумілим, в яку з сторін проводиться рух рукою. До речі, виробництво моделей з призначеним для користувача інтерфейсом управління жестами Air Gesture вже почалося.
Ця ж функція реалізована в новому флагмані Samsung Electronics - Galaxy S4. Крім датчика наближення, поруч з фронтальною камерою розташований ще один датчик, який використовується для розпізнавання жестів. Він розпізнає рухи руки, приймаючи інфрачервоні промені, які відбиваються від долоні користувача, і працює в парі з функцією Air Gesture, надаючи користувачам можливість прийняти виклик, змінити музичну композицію або прокрутити web-сторінку вгору або вниз буквально одним помахом руки.
Accelerometer (Акселерометр)
Мабуть, це найпоширеніший датчик. G-сенсор, як його називають багато виробників, сьогодні можна зустріти практично в кожному сучасному пристрої. Завдання акселерометра проста - відстежувати прискорення, яке надається пристрою. Начебто напрошується питання, а навіщо вимірювати прискорення смартфона? Але давайте задумаємося, в той момент, коли ми перегортаємо телефон, відбувається руху з прискоренням. Акселерометр реєструє його і, на основі отриманих від нього даних, запускає процес, наприклад, зміни орієнтації екрану. Датчик також використовується для масштабування сторінок браузера при нахилі смартфона, оновлення списку Bluetooth-пристроїв при струсі, в специфічних додатках, ну і, звичайно ж, в іграх, особливо в симуляторах. Крім цього, акселерометр використовується в якості кишенькового шагомера для підрахунку кількості кроків, зроблених користувачем.
У фотоапаратах акселерометр використовується для повороту відзнятого кадру, а в ноутбуках - для термінової парковки головок жорсткого диска, якщо раптом комп'ютер падає. А в автомобілях він служить для спрацьовування подушок безпеки при ударі. Простіше кажучи, акселерометр має справу з положенням пристрою в просторі і нахилом корпусу, спираючись при цьому на його прискорення при зміні цього становища.
Light Sensor (датчик)
Завдання цього датчика гранично прості і полягають в тому, щоб визначити ступінь зовнішнього освітлення і відповідно налаштувати яскравість екрану. Завдяки такій автонастройці яскравості, стала можливою економія електроенергії, особливо якщо ви хочете оптимізувати витрати вашого акумулятора. Мабуть, це найстаріший датчик в мобільному світі, і навіть при тому, що в роботі цього датчика начебто немає ніяких можливостей щодо поліпшення функціональності, виробники і в цьому випадку намагаються зробити роботу зі смартфоном ще більш комфортною.
Наприклад, в мобільній операційній системі iOS 6 від Apple з'явилася можливість регулювання автояркость. Раніше датчик освітленості був повністю автоматизованим і регулював яскравість екрану на свій розсуд. Тепер же користувач отримав можливість контролювати роботу цього датчика. Ви можете легко визначити рівень яскравості, який комфортний для вас, і iOS приймає цей вибір до уваги при розрахунку рівня яскравості для нових умов освітлення. Однак для того щоб датчик коректно функціонував, необхідно провести невелику налаштування пристрою.
Gyroscope Sensor (Гироскоп)
Якщо можливості акселерометра за великим рахунком вичерпані, а сфери його застосування чітко обмежені, то пристрій ще одного інерційного датчика, яким є гіроскоп, в смартфонах освоєні ще не до кінця. Історія використання гіроскопів бере свій початок ще в кінці XIX століття. Інерційні датчики на той момент були поширені у флоті, так як за допомогою гіроскопа найточніше можна визначити розташування сторін світла. Пізніше, завдяки настільки унікальною функції, гіроскоп набув широкого поширення і в авіації. За своєю конструкцією гіроскоп в мобільних телефонах нагадує класичні роторні, що представляють собою швидко обертовий диск, закріплений на рухомих рамах. Навіть при зміні положення рам в просторі вісь обертання диска не зміниться. Завдяки постійному обертанню диска, наприклад, за допомогою електромотора, і існує можливість постійно визначати положення об'єкта (в якому є гіроскоп) в просторі, його нахили або крен.
Гіроскопи в сучасних пристроях засновані на Мікроелектромеханічні датчику, але принцип дії інерційного датчика залишається тим же. В цей же сімейство входять акселерометри, магнітометричні та інші вузькоспеціалізовані датчики. Ринок цих мініатюрних елементів, також відомих як MEMS, отримав серйозний поштовх для розвитку в той момент, коли Apple почала встановлювати гіроскоп в iPhone 4, а потім і в iPod Touch. Успішні продажі мобільних пристроїв привели до того, що виробники елементів MEMS успішно влаштувалися на мобільному ринку. Apple iPhone 4, де вперше був використаний гіроскоп і два MEMS-мікрофона для придушення шуму, справив величезний ефект на індустрію телефонів. Наприклад, в кінці 2010 року менше п'яти телефонів, випущених на ринок, могли похвалитися наявністю гіроскопа, а в 2011 році вже було представлено понад 50 моделей телефонів і планшетів з гіроскопом.
Гіроскопи, вбудовані в мобільні телефони, роблять якість ігор найбільш високим. За допомогою даного датчика для керування грою можна користуватися не тільки звичайним поворотом пристрою, але і швидкістю повороту, що забезпечує більш реалістичне управління. Окрім ігор гіроскоп використовується в браузерах доповненої реальності для більш точного позиціонування пристрою в просторі, а також в керованих за допомогою смартфонів на платформах iOS і Android Радиомодели літальних апаратів.
Magnetic Field Sensor (Магнітний компас)
Після приходу в наш світ GPS-приймачів, з'явилися і цифрові компаси, правда, в епоху розвитку навігаційних технологій від них не так багато користі. Магнітометр, як і звичний магнітний компас, відстежує орієнтацію пристрою в просторі щодо магнітних полюсів Землі.
Інформація, отримана від компаса, використовується в картографічних і навігаційних додатках. На практиці це пристрій показав себе досить добре і сьогодні незамінне в ряді ігор і додатків, наприклад, в браузері доповненої реальності Layar.
Інші датчики і сенсори
барометр
Допомагає з позиціонуванням і цей сенсор. Барометр став з'являтися в смартфонах зовсім недавно, з виходом Samsung Galaxy Nexus, і може зменшити час підключення до сигналу GPS. Вбудований барометр вимірює атмосферний тиск у Вашому розташуванні власника смартфона і визначає висоту над рівнем моря. Багато флагманські смартфони сьогодні оснащуються не тільки приймачами GPS і ГЛОНАСС, а й барометром, завдяки чому захоплення сигналу від супутника і визначення початкового місця розташування відбувається миттєво. Ця функція стане в нагоді і в разі, коли користувач пересувається по похилих площинах, будь то пагорб або гора, тому що в залежності від атмосферного тиску і висоти, може підрахувати точну кількість калорій, які спалюються під час прогулянки. Ну і, відповідно, для визначення тиску і погодних умов прямо зі свого смартфона.
Розглянемо принцип роботи цього датчика на прикладі смартфона Samsung Galaxy S III, де визначення різниці тиску може бути перераховано близько 25 разів на секунду. Така швидкість дозволяє чітко визначати рух людини вгору і вниз, тобто використовувати навігацію не тільки в горизонтальній площині, а й у вертикальній. Таким чином, ми отримуємо об'ємну навігацію, яка повністю відповідає дійсності. Наприклад, при навігації в торговому центрі вам буде недостатньо звичайного GPS-навігатора, так як він вкаже точку на площині землі, а не те, на якій висоті перебуває ваш маршрут. А автомобільні навігатори можуть орієнтуватися в багатоповерхових парковках і багатоярусних дорогах.
Датчик тиску дозволяє це здійснити, і ви отримаєте не тільки точні координати заданого місця, а й інформацію, на якому поверсі або висоті пролягає ваш маршрут. Зазвичай подібні датчики включають в себе і систему обробки дані, а їх розміри знаходяться в межах 3х3х1 мм. Крихітний сенсор реагує на зміни по висоті з точністю до 50 см. Методика реалізована шляхом порівняння зовнішнього атмосферного тиску по відношенню до вакуумній камері всередині датчика. Крім вакуумної камери і сенсорів, в мініатюрному корпусі пристрою помістилися вбудований мікропроцесор, аналоговий підсилювач, цифровий з-процесор і елемент незалежної пам'яті.
Датчик температури / вологості
Такий датчик став новим доповненням до Samsung Galaxy S4. Він визначає рівні температури і вологості навколишнього середовища через невеликий отвір, розташоване в підставі смартфона. А потім датчик визначає оптимальний рівень комфорту і відображає цю інформацію на вікні S Health. Крім цього, температурний датчик дозволяє відкоригувати похибки тиску, викликані зміною температури повітря. Ті ж, хто хоче негайно скористатися можливостями температурного датчика, можуть звернути увагу на розробку вчених компанії Robocat.
Вони створили крихітний електричний термометр Thermodo, який підключається до телефону через порт навушників. Thermodo складається з пасивних датчиків температури, вбудованих в стандартне 4-полюсний гніздо для навушників в міцному корпусі. Ніякого підключення до мережі не потрібно, пристрій живиться від телефону і споживає мало енергії. Коли вимір температури не потрібно, Thermodo можна повісити на ключі у вигляді брелока. За допомогою Thermodo можна виміряти температуру як в приміщенні, так і на відкритому повітрі.
3D-сенсор
Сенсор, який постійно сканує навколишній простір і створює комп'ютерну віртуальну модель з високою точністю. Щось подібне вдає із себе Kinect, але нова версія планшета Google Nexus 10 отримала сенсор набагато компактніше і вже є готові програми, які можуть працювати на планшеті і продемонструвати можливості не тільки найсучасніших ігор.
Крім іншого, сенсор Capri 3D, який був представлений в рамках конференції Google I / O 2013 компанією PrimeSense, вміє реєструвати руху та отримувати метричні параметри предметів. До речі, ця розвиток цієї технології доводить припущення IBM, що в середині цього десятиліття спілкування за допомогою додатків для відеоконференцій почнуть нагадувати 3D-голограми.
Безпека
Нещодавно професор Суортмор коледжу (штат Пенсільванія, США) Адам Дж. Авів продемонстрував можливість здійснення атак, використовуючи дані, отримані акселерометром смартфона. Виявилося, що дані, отримані сенсорами смартфона, можуть допомогти зловмисникам отримати доступ до кодів розблокування пристрою. Вони можуть дізнатися Pin-коди і паролі користувача. Отримувати інформацію через сенсори набагато легше, ніж через додатки, що завантажуються на смартфон, стверджує професор. Дослідники провели аналіз даних, отриманих акселерометром, і склали своєрідний «словник» рухів смартфона при введенні пароля, після чого розробили програмне забезпечення, що дозволяє розшифровувати Pin-коди за допомогою даних, отриманих з акселерометра. В ході досліджень вченим вдалося правильно визначити Pin-код в 43% випадків, а пароль - в 73%. Система дає збої, коли користувач знаходиться в русі під час використання пристрою, так як рухи створюють додаткові перешкоди, і отримати від акселерометра точні дані вельми важко.
Експерти, що займаються мобільного безпекою, також вважають, що чим більше у смартфона сенсорів, тим більше даних вони можуть зафіксувати, а це значить, що проблема захисту пристрою стає гострішою. Зараз дослідники розробляють методи для запобігання витоку даних, зібраних гіроскопами, акселерометрами або іншими сенсорами. Так що можна припустити, що з розвитком технологій і розширенням функціоналу датчиків ситуація в сфері безпеки буде тільки загострюватися.
перспективи
Нещодавно американський винахідник Джейкоб Фрейд заснував компанію Fraden Corporation і запатентував систему безконтактного вимірювання температури для мобільних пристроїв. На тильній стороні смартфона розміщується невеликий інфрачервоний датчик, який всього за секунду може зняти показання температури тіла користувача. Таким чином, в майбутньому смартфони цілком можуть перетворитися в наших персональних медичних помічників. Фрейд збирається створити також засоби вимірювання ультрафіолетового випромінювання та електромагнітного забруднення. А ось співробітники з лабораторії Next Lab Массачусетського технологічного інституту стверджують, що скоро датчики в смартфонах зможуть виявляти аритмію і тахіакардію, що змусить користувачів своєчасно звертатися за допомогою до лікарів.
На думку фахівців з IBM, до 2017 року смартфони отримають нюх. Крихітні датчики запаху можуть бути вбудовані в смартфони та інші мобільні пристрої. Виявлені сліди хімічних сполук будуть передаватися на потужне хмарне додаток, здатне проаналізувати все, починаючи від чадного газу до вірусу грипу. В результаті, якщо ви чхнули, телефон зможе розповісти вам про вашу хворобу.
Все найцікавіше только почінається, и сегодня роботи йдут за масою напрямків. Наприклад, не виключено, що в найближчому майбутньому ваш смартфон за допомогою певного роду датчиків навчиться імітувати тактильні відчуття. Ви зможете розрізняти тканини, текстури і переплетення. А звукові датчики в поєднанні масивними хмарними обчислювальними системами отримають надлюдські слухові можливості. Ех, чого тільки можна припустити, тим більше, що маса припущень, розрахунків і навіть фантазій в останні роки стала збуватися з дивовижною швидкістю.
Григорій Сафаров
Отже, що таке датчики і сенсори?Начебто напрошується питання, а навіщо вимірювати прискорення смартфона?
