传感器在智能手机上的应用

陈 玉 长江工程职业技术学院 湖北武汉 430212

【文章摘要】

随着智能手机的发展与普及，传感器技术在智能手机可触摸的屏幕上的应用得到了极大的发展，本文主要介绍指纹传感器、重力感应传感器、电子罗盘传感器、三重陀螺仪传感器、光线距离传感器、气压传感器这六类传感器在智能手机上的应用。

【关键词】

智能手机；传感器；应用

随着智能手机的发展，越来越多的人开始使用智能手机，但是很多人只知道使用，并不了解其概念。工作之余曾采访过多名教师、学生和其他工作行业的朋友，问他们什么是智能手机，有人说“支持3G 网络的是智能手机”，有人说“因为通常智能手机是为商务人士而设计，而目前全球商务最主要的联络方式不是电话、短信而是邮件，所以能支持邮件的手机是智能手机”，有人说“可以语音搜索的是智能手机”……实际上，并不是拥有这样功能的手机就是智能手机。智能手机（Smart Phone) 是指像个人电脑一样，具有独立的操作系统，独立的运行空间，可以由用户随意安装或卸载软件、游戏、导航等第三方服务商提供的程序，通过此类程序来不断对手机的功能进行扩充，并可以通过移动通讯网络来实现无线网络接入的这样一类手机的总称。最近除了IPhone6S 的发布外，在芬兰埃斯波市，一家名为Circular Devices 公司提出新智能手机设计概念，他们也提出了自己的模块化设计—— Puzzlephone。Puzzlephone 从字面上可翻译为“拼图手机”，其主要由“躯干”、“心脏”和“大脑”三大模块拼装而成。其中， “躯干”部分包含了LCD、扩音器以及基本手机结构；“心脏”部分包含了电池和其它一些二级电子元件；而“大脑”部分则包含了处理器和摄像头模组等。而这些都与Sentor 有关，下面我们来看一下几种特殊的传感器在智能手机上的应用。

1 指纹传感器——iPhone 引领指纹识别潮，信息安全需求高

指纹传感器是实现指纹自动采集的关键器件。也许你已经在各种间谍片中见识到了指纹识别技术，其实指纹传感器已经被广泛应用在各个领域，比如你去申请出国签证时，就需要扫描指纹。还有一些公司对员工的考勤，用到的指纹考勤仪。在2012 年，苹果电脑3.56 亿美元买下指纹传感器开发公司AuthenTec 公司，预示着该功能将出现在苹果设备上，伴随着苹果智能手机iPhone 5S 的Touch ID 问世， 指纹传感器也成为人们关注的焦点。

图1

那么，指纹传感器在智能手机上用来做什么呢？显然是也是身份验证。虽然密码是目前最广泛的身份验证机制，但是存在很多安全隐患。而人类指纹的独一无二性，显然要比密码更加安全。当然，任何事物都有双面性，将生物识别功能添加到智能手机中，可能会引起一些争议，苹果公司如何保护用户的指纹信息安全将是主要的讨论部分。幸运的是，目前的指纹扫描装置实际上都是采用了单向算法，基本上无法存储或传输，所以苹果可以在此基础上再对指纹信息进行加密，来保证用户的隐私。另外，该装置还应该添加血流量检测等功能，确保手指的真实性，避免复制指纹的安全漏洞

现在，在技术人员的努力下，指纹传感器的体积变得更小，具有更强大的计算能力，因而能从更小部分的皮肤上提取更多的数据。目前来看，指纹传感器更多应用在解锁识别、文件加密、指纹拍照等领域，未来应用可能往支付领域走的更远。整体而言，指纹传感器技术的发展趋势是更方便和更安全。带指纹传感器的智能手机市场正在迅速增长。全球智能手机出货量预计今年将增长40％，2013 年比2012 年同期增长超过10 亿。总而言之，指纹识别系统将会为iPhone 以及其他智能机带来巨大的利益和卖点，随后的应用程序诸如网银、文档工具也能够将这个特性添加进来，将会为智能手机用户带来更加方便安全的使用环境，令人万分期待。

2 重力感应传感器、三轴加速度计

大家用手机看电影或者玩游戏时，往往根据自己的习惯和爱好，让手机竖着或者横向操作，也就是说你本来把手机拿在手里是竖着的，你将它转90 度，横过来， 它的页面就跟随你的重心自动反应过来， 也就是说页面也转了90 度，极具人性化，这就是重力感应现象，。

手机重力感应技术是由苹果公司率先开发出来的，它是利用压电效应实现， 简单来说是是测量内部一片重物( 重物和压电片做成一体) 靠重力正交两个方向的分力大小，来判定水平方向。一般默认手机水平放置时为重力感应中心点。不过在实际的操作中，用户很难掌握重力中心点，所以一般会有单独的设定模式让你自己控制重力感应。现阶段多数智能手机都采用了G-Sensor 重力感应器搭配三轴加速度计的组合实现360 度的旋转。重力感应装置包括感应器、处理器和控制器三个部分。感应器负责侦测存储器的状态，计算存储器的重力加速度值；处理器则对加速度值是否超出安全范围进行判断；而控制器则负责控制将磁头锁定或者释放出安全停泊区。一旦感应器侦测并经处理器判断当前的重力加速度超过安全值之后，控制器就会通过硬件控制磁头停止读写工作，并快速归位，锁定在专有的磁头停泊区。这一系列动作会在200 毫秒内完成。当感应装置探测到加速度值恢复到正常值范围之后，产品才会恢复工作。

三轴加速度计是智能手机上的一个输出传感器。我们可以根据由于重力感应产生的加速度来计算出设备相对于水平面的倾斜度。因此，该技术也经常被人们和重力感应传感器混为一谈。实际上这里有一些明显的标志分清它们。首先，三轴加速度计可以感知重力、手机的静态姿态以及运动方向。其次，带有加速度计的手机屏幕会随着角度的不同智能旋转。此外，最重要的是可以感知某一时间内的瞬间加速，比如音乐播放器软件中热门的甩歌功能，聊天软件微信摇一摇功能也基于加速度计。当然，游戏方面也充分利用了该功能。例如赛车游戏中的漂移触发。它们的这几点区别还是比较明显的。

3 陀螺仪传感器（Gyro-sensor）

陀螺仪的原理是：一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。

陀螺仪是用于测量或维持方向的设备，基于角动量守恒原理，能判断物体在空间中的相对位置、方向、角度以及水平031

智能应用

Intelligence Application

电子制作

的变化作用。最终根据用户的动作输出相对应的指令。三轴陀螺仪最早由苹果iPhone 4 采用，它能够分别测量X、Y、Z 三个方面的加速度值，X 方向值的大小代表手机水平移动，Y 方向值的大小代表手机垂直移动，Z 方向值的大小代表手机的空间垂直方向，天空的方向为正，地球的方向为负，然后把相关的加速度值传输给操作系统，通过判断其大小变化。陀螺仪传感器在智能手机上的应用有很多， 比如，前后倾斜手机，实现通讯录条目的上下滚动；左右倾斜手机，实现浏览页面的左右移动或者页面的放大或缩小；拍照时的图像稳定，防止手的抖动对拍照质量的影响。在按下快门时，记录手的抖动动作，将手的抖动反馈给图像处理器，可以抓到更清晰稳定的图片。GPS 的惯性导航：当汽车行驶到隧道或城市高大建筑物附近，没有GPS 讯号时，可以通过陀螺仪来测量汽车的偏航或直线运动位移，从而继续导航。通过动作感应控制游戏：可以给APP 开发者更多创新空间的地方。开发者可以通过陀螺仪对动作检测的结果（3D 范围内手机的动作），去实现对游戏的操作。著名游戏现代战争3 就是可以依靠陀螺仪进行瞄准射击的，通过晃动手机可以起到代替鼠标的用途。所以开启陀螺仪之后，这就意味着我们需要不断转动身体进行操作。

4 光线感应器

光线传感器，也就是感光器，是能够根据周围光亮明暗程度来调节屏幕明暗的装置。它的好处就是可以根据手机所处环境的光线来调节手机屏幕的亮度和键盘灯。在光线充足的地方，屏幕很亮，键盘灯就会自动关闭，这对于如今越来越耗电的大屏手机来说可以起到一定的省电作用。；相反，在暗处，键盘灯就会亮，这样既节省了电量又保护了我们的眼睛，真是一箭双雕！

5 电子罗盘传感器

目前智能手机上几乎都配有电子罗盘传感器，听起来感觉好像是手机里面有一个小小的磁针，其实不然！行使罗盘功能的其实是一个能对磁场做出相应的磁阻传感器。经过研究与调查发现，目前智能手机上普遍采用的是基于“霍尔效应” 原理的磁场测量器件。

那什么是“霍尔效应”呢？当我们把通有电流的导体或者半导体放在磁场当中时，电流就会受到磁场的作用力，而电流是由自由电子定向运动形成的，因此本质上是电子受到磁场的作用力。如果我们不让导线运动，那么其中的电子就会拥挤在导线的一侧，带上多余的负电荷；而另一侧因缺少了电子，带上正电荷。这样就在导线的两侧建立起了一个电场，这种现象就是“霍尔效应”。在电流和磁场一定时，“霍尔效应”的强弱与导体在磁场中的方位有关，导体与磁场的夹角越大，霍尔效应越强，正是利用这一简单的物理原理，衍生出了灵敏轻巧的磁传感器，能帮助我们找到正确的方向。前电子罗盘传感器主要分为A-GPS 以及GLONASS。A-GPS 用来定位GPS 信号、也可以利用网络辅助定位。而GLONASS 则相当于卫星网络，在手机接收不到GPS 信号时可以直接来定位。

比如，如果你在森林或者高楼大厦林立的地方，那么手机很有可能丢失掉GPS 信号，而有了“电子罗盘”之后就可以更好的保障你不会迷失方向，毕竟地球磁场是无处不在的。

6 气压传感器

气压传感器的工作原理很简单，某些气压传感器主要的传感元件是一个对压强敏感的薄膜，它连接了一个柔性电阻器。当被测气体的压强降低或升高时，这个薄膜变形，该电阻器的阻值将会改变。电阻器的阻值发生变化。从传感元件取得0-5V 的信号电压，经过A/D 转换由数据采集器接收，然后数据采集器以适当的信号形式把结果传送给计算机。

某些气压传感器的主要部件为变容式硅膜盒。当该变容硅膜盒外界大气压力发生变化时，单晶硅膜盒随着发生弹性变形，从而引起硅膜盒平行板电容器电容量的变化。

图2

智能手机内嵌式气压传感器指的是通过嵌入式技术将气压计内置于智能手机中，除了了解天气情况的准确性以外，如图2 所示，还用于测量手机持有者的相对海拔高度，通过传送个人所在海拔高度，通过GPS 获取三维空间坐标及时间坐标的处理速度将大幅加快，有助于提升手机GPS 定位效率。比如这次最新发布的iPhone6 中就新加入了气压计，其功能并不仅仅用在测量海拔，由于API 的开放，气压计可以在穿戴领域或者健康医疗方面有更多的利用价值，应用在例如iHeath、S 健康等App 中。

7 结束语——传感器让智能手机感知生活，为人们服务

当然在手机上的传感器类型还有很多，现在的智能手机上大概配置有6-8 个传感器，只为更好的人性化设计。现在也有一些新型的传感器正在应用，比如前一段时间oppo find7 的声纹解锁应用的声音传感，还有Galaxy S4 上应用的悬浮触控技术应用的距离传感器，还有现在非常人性化的NFC 功能等等。不管怎样，我们不可否认的是，目前智能手机的发展已进入到一定的瓶颈期，你会发现它们除了在外观上的差别以外，他们在功能体验上几乎很难看到差别。基于这种现状，隐性元素智能传感器的作用在未来会进一步被凸显，传感器的存在可以让智能手机像人体一样感知周围的环境，不再被动式的执行系统命令。大胆设想一下，未来智能手机的运算方式不会仅仅局限于记录存储，而更多的是运算和分析，通过传感器为用户提供更有针对性的建议。科技改变生活，而传感器在智能手机上的应用使我们的周边更加人性化。

【参考文献】

[1] 曾学《移动互联网时代智能手机业管理创新研究》博士，2013-10

[2] 程志、金义富•《智能手机增强现实系统的架构及教育应用研究》中国电化教育，2012-08

[3] 刘雪梅《霍尔效应理论发展过程的研究》，重庆文理学院学报( 自然科学版)，2011-04

[4]Chunmei Pei~1; Huiling Guo~2; Xiuqing Yang~1; Yangqiu Wang~1; Xiaojing Zhang~1; and Hairong Ye~1 1 Beijing Vocational College of Electronic Science and Technology; Beijing; China 2 China University of Mining Technology(Beijing); Beijing; China •《Sensors in Smart P h o n e 》，Co m p u t e r a n d C o m p u t i n g Technologies in Agriculture IV--4th IFIP TC 12 Conference,CCTA 2010 Selected Papers,Part Ⅱ，2010-10

[5] 韩德强、刘立哲、顾春雷•《基于Windows Phone 7 的体感健身系统的设计》，电子技术应用，2012-01

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