傳感器在智能手機中的應用及發展趨勢

齊立萍 王棟軒 王靜一

(河北農業大學渤海校區，河北 滄州 061100)

0　引言

對于一些數碼愛好者而言，他們懂得智能手機的配置參數，如屏幕分辨率、處理器、運行內存等代表著什么意義。當前科技高速發展，人們致力于提高智能手機的配置，這種提高表現在方方面面，不再僅是拘泥于屏幕、CPU等關鍵參數的提高，而對與用戶的互動性要求更高，意味著要有很好的體驗感。如今，移動設備的應用軟件生態系統持續擴大，傳感器在這個過程中發揮的作用不可小覷。手機里各式傳感器的發展一日千里，在未來，傳感器的種類必將更為繁多，功能也會更為復雜，精確度也會大幅度提升。

1　傳感器的定義

國家標準GB7665─87對傳感器下的定義是：在規定的范圍內，能夠感受并測量出一系列的物理量，然后將測量的結果轉換成信號傳輸給控制系統的部件裝置，一般由敏感元件和轉換元件構成[1]。傳感器實際上是用于檢測的器件，能將檢測到的信息按某種規律轉換成電信號等形式進行傳輸，用于處理、控制、存儲等方面,達到自動檢測和自動控制的目的[2]。

2　幾種典型的傳感器

2.1　重力傳感器

重力傳感器在智能手機中非常常見。它的原理是壓電效應,可以測量出重力，并將該力正交分解,即可判斷左右方向[3]。

重力傳感器的優點是可以準確識別手機的受力情況,它主要用于切換手機橫屏和豎屏,在一些游戲程序中也有所應用。

2.2　陀螺儀

物體在旋轉過程中其旋轉軸的方向不會改變，除非受到外界的影響。陀螺儀就是根據這個原理——用旋轉物體的旋轉軸來保持方向，制造出來的[4]。要想讓陀螺儀迅速旋轉，首先要使其受力，獲得加速度。陀螺儀旋轉的平均速度為每分鐘幾十萬轉，故運行時間較長。陀螺儀獲取旋轉軸當前指向的方位后，就會將數據轉化為相應的信息傳輸給控制系統。陀螺儀內置一個陀螺，其旋轉軸因為陀螺原理一直與初始方向保持平行，這樣就可以經過計算與初始方向的偏差從而得到實際方向。陀螺儀作為傳感器，被設計成構造精細的芯片，芯片內含有直徑非常小的陀螺。

陀螺儀能測量轉動角速度，且是在設備偏轉、傾斜時進行測量，這是和加速度計（G-sensor）的差異之處。在移動設備上，加速度計（G-sensor）不能測量出轉動的動作，更不必提測量或完整構建出3D動作了。故加速度計（G-sensor）一般用于測量簡單的二維動作。而陀螺儀就可以較為準確的測量出轉動、偏轉的動作。按照陀螺儀的測量結果，能夠準確的判辨用戶的現實行動，從而對移動設備做出相應的操作。陀螺儀是在重力傳感器的基礎上構造出來的，這樣說的原因在于重力傳感器只能檢測兩個方位——左和右，而陀螺儀則能檢測任何方位。

陀螺儀最開始主要應用于航空航天等方面，隨著陀螺儀的微型化，使得陀螺儀能夠應用在一些移動設備上，這對提升用戶的體驗感至關重要。手機里有了陀螺儀傳感器后，就能任意固定住一個方向，不管手機向著什么方向挪動或歪斜，這個固定的方向是穩定不變的。比如在部分射擊類手游中，射擊的靶心是不會改變的，這樣就可以不斷改變手機的位置來瞄準靶心。通過分析判斷使用者的動作達到操控游戲的目的，會有很多創新空間。開發者可以通過陀螺儀檢測全方位（3D范圍內）動作的結果，實現對游戲的操作，比如，在游戲中，手機可以當作一個方向盤，使用者上下、左右地傾斜手機，屏幕上被操控的對象就可以做上下、左右的動作。由于陀螺儀能夠瞬間檢測到手機或平板旋轉角度的微小變化，且檢測結果十分精準，足夠滿足一些對分辨率和反應速度要求很高的應用，從而較好的提升用戶的體驗感。除此之外，陀螺儀還可以應用于動作感應的GUI，用戶稍微傾斜手機，就能對菜單進行選擇，極具人性化。 陀螺儀還有一個非常重要的作用是對拍照進行防抖操作。和相機的光學防抖很像，但陀螺儀的結構相對簡單，相當于電子防抖[5]。在移動設備拍照的時候，手在按下快門的瞬間避免不了抖動，陀螺儀通過檢測抖動的方向和距離，控制手機彌補與抖動方向相反的相同距離的位移，就可以消除這些抖動[6]。

2.3　距離傳感器

距離傳感器也是手機中不可或缺的傳感器，通常其集成位置靠近聽筒。距離傳感器首先會發射光脈沖，記下此時的時間；然后測量此光脈沖被物體反射回來的時間，兩個時間做差，就可以通過測量時間的方法來測量距離[7]。

距離傳感器主要應用于兩點：一、通話過程中，距離傳感器檢測到用戶的面部接近聽筒，就會使手機“黑屏”，防止用戶不小心觸碰屏幕，并且節約電量。二、翻轉手機就可以自動掛斷。

3　傳感器的發展趨勢

3.1　多領域應用

近幾年里，手機巨頭三星在移動設備上增加的功能不勝枚舉，在Galaxy S4和S5兩款旗艦手機上也可以體現出來。這兩款手機都增加了溫度和濕度傳感器，通過S Health這個應用就可以知道當前的溫度和濕度，實現讓手機來關注周圍的境況。在未來，智能手機既能顯示空氣質量，還能實時監視污染源或過敏原，并將這些信息發布到互聯網上，提示用戶關注氣候的變化。不僅如此，將來的智能手機還可以追蹤用戶的心率和監測用戶的情緒狀態，比如，當你感到焦灼的時候，設備會自行播放輕松緩和的音樂。著名半導體廠商飛思卡爾公司總監Ivan Kari-mi曾說過，即使是一些價格便宜的傳感器，也可能實現這一切。在將來，你的設備會觀測你的情感，這就意味著，一個手機或平板會比你還了解你本身。

電信業巨頭AT&T的老牌技術員Milosz表達了自己對傳感器將來發展的主旋律的推測。Milosz在AT&T的實驗室中承擔模塊的是移動傳感系統和大數據分析。“將來的移動設備中會涌現出更多的傳感器。或許我們還會擁有3D立體攝像頭、雷達、聲納等，甚至還會有某種形式的傳感器可以用于醫療上。我們領會到手機傳感器微型化日新月異，我們可以實現的愿望會日漸增多。”

3.2　電子器件的融合

以后MEMS器件或許會把一些常用的手機傳感器與應用處理器集成在一起，成為一個 COM（Chip on MEMS），如此一來，不但縮減了面積，節約成本，提高系統的整合性，還有利于開發和應用。譬如加速度計、陀螺儀和重力傳感器就可以被集成在一起，用其中一個傳感器去彌補另外兩個傳感器的不足。因此，這三種傳感器并不是互相獨立的，而是彼此依靠。三者協作組合，更充分發揮各自的特性，給用戶帶來更好的體驗感。

當把傳感器集成在一起之后，需要有一個MCU去分析這些傳感器的數據，在未來的某一天，應該會將傳感器和MCU進行整合，這樣等同于將傳感器的功能和MCU的功能整合到了一起。

4　結語

目前在智能手機領域里，各類硬件不僅在性能方面堆疊，形形色色的功能堆疊也層見迭出。手機里的大多數新功能都有對應的傳感器在支撐，傳感器會有更廣闊的用武之地，必將進一步改變我們的生活方式。

【參考文獻】

［1］杜麗君.論述傳感器在各個領域的應用及其發揮的作用[J].城市建設理論研究(電子版),2015(35)：916-916.

［2］王忠利.傳感器在汽車上的應用[C].第三屆河南省汽車工程科技學術研討會論文集.2006.

［3］李晉宏,李淑偉.基于Ventuz軟件的人機交互應用研究[J].計算機光盤軟件與應用,2014(6)：74-75,78.

［4］勞永新.從旋轉中體會發明之道[J].發明與創新(綜合版 ),2009(3)：13-14.

［5］姚 遠.智 能 手 機 與 傳 感 器[J].新 電 腦,2011(10)：38-41.

［6］劉為.傳感器在智能手機中的應用[J].職大學報,2013(6)：76-78,100.

［7］孫晶.傳感器的原理與應用研究[J].科技資訊,2011(21)：4-4.