آشنایی با حسگر‌های تلفن‌های همراه هوشمند(قسمت اول)

در این آموزش قصد داریم نگاهی به حسگرهای مختلف استفاده شده در اسمارت‌فون‌ها بیندازیم. با ما همراه باشید.

امروزه اکثر کاربران اسمارت فون‌ها، دانسته یا ندانسته از مزایای حسگر‌های مختلف درون گوشی‌های خود استفاده می‌کنند. اکثر این حسگرها وظیفه دارند که سهولت استفاده از این دستگاه‌ها را افزایش داده و امکاناتی را به این اسمارت‌فون‌ها هدیه دهند. همانطور که انسان‌ از حواس شش گانه بهره‌مند است و با آن‌ها محیط را درک و تعریف می‌کند،پیشرف تکنولوژی نیز در پی هدیه دادن این حواس به دستگاه‌ها هستند که آن‌ها هم بتوانند مانند انسان محیط اطراف را درک و تعریف کنند. در گذشته کسی فکر این را نمی‌کرد که روزی حسگری به‌نام حسگر مجاورت ساخته شود و در ذخیره‌ی انرژی باتری در تماس‌های طولانی به کاربر کمک کند! یا حسگر نوری که بصورت اتوماتیک نور صفحه‌ی نمایش را طبق نور محیط  تنظیم کند.

اکثر اسمارت‌فون‌های امروزی درون خود حسگر‌هایی دارند که حرکت، چرخش یا شرایط محیطی مختلف را تشخیص داده و مقادیر خام اطلاعاتی با دقت بالا فراهم می‌کنند، و از این اطلاعات می‌توان در جهات و مقاصد مختلف استفاده کرد. به‌عنوان مثال وقتی که شما با گوشی خود در حال انجام یک بازی هستید، بازی اطلاعاتی را از سنسور Gravity دریافت می‌کند تا حرکت‌های کاربر شبیه تکان دادن و چرخش را تشخیص داده و عکس العمل مناسب را طبق برنامه‌ریزی های از پیش تعیین شده نمایش داده یا اجرا کند. یا مثلا یک برنامه‌ی آب و هوا یا اپلیکیشن گزارش آب و هوای خود گوشی‌ می‌تواند از حسگرهای دما و رطوبت برای گزارش دما و رطوبت محیط استفاده کند.

حسگر‌های موجود در اسمارت فون‌ها را به ۳ دسته‌ی کلی حرکتی، محیطی و موقعیتی تقسیم بندی می‌کنیم.

حسگرهای حرکتی (Motion Sensors):

این سنسورها نیرو‌های شتاب، سرعت و چرخش را اندازه‌گیری می‌کنند. سنسورهای شتاب سنج یا accelerometer، سنسور جاذبه Gravity، سنسور چرخشی یا Rotational Vector و ژیروسکوپ Gyroscope از سنسورهای حرکتی هستند.

ژیروسکوپ(Gyroscope)

ژیروسکوپ چرخش گوشی را تشخیص می‌دهد. مثلا زمانی که صفحه به حالت‌های Landscape یا Portrait می‌رود، با کمک مقادیر دقیق سنسور ژیروسکو‌پ این اتفاق می‌افتد. در عکس گرفتن، این حسگر کمک می‌کند که بدانید چه مقدار و در چه جهت گوشی چرخیده است. همچنین در استفاده از برنامه‌ی Google Sky Map این حسگر به شما می‌گوید که اکنون شما به سمت کدام صورت فلکی نگاه می‌کنید!

همانطور که در عکس بالا مشاهده‌ می‌کنید، ژیروسکوپ مقادیر چرخش حول محور‌ X یا Beta، محور Y یا Gamma و محور Z یا Alpha  را اندازه‌گیری می‌کند و اگر دستگاه ثابت و فاقد حر گونه حرکت و چرخش باشد مقادیر ژیروسکوپ صفر خواهند بود.

در این اسکرین شات، مشخصات سنسور ژیروسکوپ و شتاب سنج گوشی شیائومی Redmi Note 3 Pro را مشاهده می‌کنید. مدل سنسور LSM6DS3 و ساخت شرکت ST Microelectronics است. LSM6DS3 یک سنسور ژیروسکوپ و شتاب سنج ۳D Digital است. مصرف این تراشه ۰٫۹ میلی آمپر در حالت کارکرد عادی و ۱٫۲۵ میلی آمپر در حالت Combo High-Performance است. حداکثر برد قابل اندازه‌گیری نیز بر روی ۳۴٫۹ رادیان بر ثانیه تنظیم شده است و همچنین رزولیشن نیز ۱ هزارم رادیان بر ثانیه است. از مقادیر ۰ نمودار‌های X، Y و Z می‌توانید متوجه ثابت بودن گوشی و بدون چرخش بودن آن شوید، در حالی که در نمودار مشاهده میکنید که چند ثانیه قبل گوشی در حال چرخش و نمودار در نوسان بوده است.

همچنین در عکس زیر که برنامه‌ی Sensor Kinetics را در حال بررسی فعالیت این ژیروسکوپ نشان می‌دهد، می‌توانید فعالیت این حسگر را بر روی نمودار مشاهده کنید.

شتاب سنج(Accelerometer)

سنسور شتاب سنج، شتاب(تغییر سرعت) گوشی و معیار‌های مربوط به گرانش و نیروی جاذبه‌ی وارد بر گوشی از سوی زمین را اندازه‌گیری می‌کند. همچنین این سنسور در چرخش نیز می‌تواند فعالیت هایی را بر عهده داشته باشد و الگویی خاص از تعاریف بالا و پایین را به گوشی بفهماند.

به شکل زیر دقت کنید:

سنسورهای شتاب سنج معمولا از ۲ بخش تشکیل شده‌اند: یک بخش ثابت که بر روی شئ‌ای که میخواهیم شتاب آن را بسنجیم قرار گرفته است(در اینجا بر روی برد) و یک جرم که با وجود قرار گیری در این بخش ثابت، می‌تواند حرکت کند. بخش حرکت کننده شبیه شانه است که به جلو و عقب حرکت می‌کند و با اندازه‌گیری حرکت این بخش می‌توان به حرکت و چرخش گوشی پی برد. این حرکت تغییری در ظرفیت الکتریکی(Capacitance) ایجاد می‌کند که توسط سنسور دریافت و به سیگنال تبدیل می‌شود و به بخش‌های دیگر گوشی برای پردازش و عکس العمل ارسال می‌شود و تمام این اتفاقات در کسری از ثانیه رخ می‌دهد!

کج شدن به عقب و جلو، به اطراف تاب خوردن و تغییر وضعیت افقی و عمودی اطلاعات پایه‌ای هستند که شتاب سنج آن‌ها را اندازه‌گیری می‌کند.

مانند شکل زیر حسگرهای شتاب سنج ۳ محور دکارتی X، Y و Z بعلاوه زمان را تعریف می‌کنند. این حسگر مقادیر را بر حسب متر بر مجذور ثانیه(m/s²) اندازه گیری می‌کند و با تغییر سرعت گوشی در یکی از جهات دکارتی، خروجی، یا افزایش + و یا کاهش – می‌یابد که با X, ±Y,±Z± نشان داده می‌شود.

 در اسکرین شات زیر مشخصات سنسور شتاب سنج Redmi Note 3 Pro را می بینیم. همانطور که در بالا اشاره شده، سنسور LSM6DS3 هم یک سنسور ژیروسکوپ و هم یک شتاب سنج است. توان مصرفی این شتاب سنج ۰٫۹ میلی آمپر، رزولیشن آن ۲ هزارم متر بر مجذور ثانیه و برد آن ۳۹٫۲ متر بر مجذور ثانیه است. مقادیر نمودار‌های دکارتی این سنسور را در لحظه‌ی گرفته شدن اسکرین شات همچنین نمایش این مقادیر را بر روی بردار نوسان مشاهده می‌کنید.

جاذبه(Gravity Sensor)

نیروی جاذبه‌ی وارد بر ۳ بردار دکارتی، توسط سنسور جاذبه اندازه‌گیری می‌شود. همچنین این سنسور با استفاده از این مقادیر می‌تواند هر گونه تکان یا کج شدن را نیز تشخیص داده و به سیگنال بدل کند. این عملکرد را میتوان در برخی بازی‌های اسمارت فون‌ها مشاهده کرد. در اسکرین شات زیر مشخصات حسگر جاذبه‌ی QTI، همچنین نمودار فعالیت آن را مشاهده می‌کنید.

در شکل زیر مشاهده‌ می کنید که در برنامه‌ی Sensor Kinetics، مقادیر لحظه‌ای حسگر جاذبه بر روی نمودار‌X، Y و Z نمایش داده می‌شوند.

عکس زیر نیز برنامه‌ی Gravity Screen  را نشان می‌دهد، یکی از ده ها برنامه‌ای که قادر است با استفاده از حسگرهای گوشی شبیه حسگر جاذبه، صفحه نمایش گوشی را در حالت قرارگیری گوشی در جیب یا بر روی میز خاموش و یا روشن کند.

چرخش(Rotation Vector Sensor)

این سنسور جهت چرخش و حرکت دستگاه را با توجه به ۳ بعد و بردارهای دکارتی تشخیص می دهد و مقادیر دریافتی را برای انجام فعالیت‌های مختلف در اختیار دستگاه قرار می‌دهد. در شکل زیر مشخصات و مقادی اطلاعاتی سنسور چرخش QTI را مشاهده می کنید.

پایان قسمت اول