你真的了解你的手机吗?——解读手机传感器

图文:中国数字科技馆 | 2017-04-20

导语:各类APP为何能知道你的位置?刷一下指纹就能解锁?手机放兜里去走路就能知道自己走了多少步?这些都离不开手机里的传感器。本期微专栏,我们一起来了解一下手机里的那些传感器。

手机定位好帮手——GPS传感器

  手机定位大家都不陌生。想知道附近有什么好吃的好玩的?打开手机搜“附近”,轻松搞定;想告诉对方自己在哪儿又描述不清楚?打开微信发送“位置”,实时位置一目了然。那手机是如何定位的呢?

  1. 数学原理回顾 

  在了解手机定位的原理之前,我们先来回顾一下以前学过的数学知识。

  如果有一个未知数X,那么有一个方程,我们就可以求解;如果有两个未知数X、Y,那么有两个方程组成的方程组,我们就可以求解;如果有三个未知数X、Y和Z,那么有三个方程组成的方程组,我们同样可以求解。所以,如果我们已知三个点A、B、C的位置坐标,并且知道第四个点D分别据A、B、C三个点的距离,我们就可以得出D的位置坐标(x,y,z)。

  2. GPS定位 

  接下来,我们来了解手机的定位技术。

  提到手机定位必然要提到GPS技术,GPS是美国建立的一个全球卫星导航定位系统,共有24颗GPS卫星,分布在绕地球的6个不同轨道上,在地球的任何地方任何时间都可以同时观测到4颗以上的GPS卫星,保障了导航定位服务的实时、全天候和全球性。

 

  GPS卫星在不断地发射导航电文,手机里内置的GPS模块,可以接收导航电文,通过导航电文我们可以获得卫星发射该导航电文时的时间和位置坐标。手机接收到该信号与卫星发射该信号时的时间差乘以光速,就可以得到该卫星与手机之间的距离。由于手机接收范围内有多颗卫星在发射信号,因此我们能得到多颗卫星的位置坐标,以及这些卫星和用户手机之间的距离。根据上面提到的数学知识,原则上通过其中3颗卫星的坐标和距离,我们就可以求解得出用户手机的位置坐标。

  不过,由于卫星定位系统计时采用的是精度更高的原子钟,和我们手机系统的时间会有一定的偏差,因此在通过时间差乘以光速计算卫星与手机之间的距离时,必须要考虑到这个偏差的影响,因此又多了一个未知数:卫星时间与手机时间之间的偏差。根据数学知识,这时我们只要再多一个方程,就可以求解出位置坐标以及这个时间偏差。即同时得到4颗卫星的位置坐标以及距我们手机之间的距离,就可以知道自己的位置坐标。GPS卫星的分布保证我们的手机在任何一个点都可以同时接收到4颗以上的卫星信号,因此我们就可以随时获取自己的位置信息了。

 

  3. 基站定位 

  这时可能有人要问了,电视剧中经常看到犯罪嫌疑人将手机卡扔进马桶的镜头,难道手机卡也可以定位吗?

  答案是肯定的,这就涉及到了另一种定位技术——基站定位。由于基站的位置是固定的,通过获取当前手机卡接入的基站信息,就可以得到一个大概的位置。当手机信号接收范围内的基站数量越多,分布越密集,能够获取到的位置信息也就越准确。但是由于基站定位时,信号很容易受到干扰,所以定位精度比较低,但优点是定位速度快,所以一般会与GPS结合使用,定位导航既快又准。

 

  那是不是把手机卡扔掉就可以防止被警察定位了呢?——未必。每一部手机都有一个唯一的IMEI(International Mobile Equipment Identity)码,俗称“手机串号”,手机卡插进手机里激活后,会读取手机的IMEI码,用户手机卡在与基站进行通讯时,基站也能通过手机卡获取用户手机的IMEI码,这样即便将手机卡扔掉,等你再换用新的手机卡时,新的手机卡再次与IMEI码绑定后,就可以通过IMEI码获取新手机卡信息,继续定位你的手机。此外,手机供应商还可以通过IMEI码直接获知手机的方位,虽然一般情况下供应商不会这么做,但在特殊情况下,国家安全部门还是有权利对IMEI码进行管理的。所以,千万不要干坏事,警察叔叔会想方设法找到你。

 

  GPS定位和基站定位是最常用的两种定位技术,除此之外还有WIFI定位、蓝牙定位等,一般情况下手机会结合多种定位技术,从而更加快速、准确地获取位置信息,而手机上的各类应用通过调用已获取的位置信息,就可以根据你的位置提供各种服务了。

快速解锁玩法多——指纹传感器

  指纹解锁、指纹支付对于我们来说已经不陌生了,如今没有指纹识别功能的手机大概都不好意思称为智能手机了。由于人的指纹具有终身不变性和唯一性,且方便使用,因此指纹识别技术成为当今生物特征识别领域应用最广泛的技术之一。那么指纹识别是如何实现的呢?

  这依赖于手机里的指纹传感器。在使用指纹解锁功能之前,我们需要先添加自己的指纹,这个时候我们的指纹信息就通过指纹传感器记录在了手机系统里。当我们需要解锁时,指纹传感器将即时采集到的指纹信息与手机系统之前所记录的指纹信息进行比对,如果两个指纹的关键特征相符,即可通过验证。

  目前手机中常用的指纹传感器主要由两种,一种是电容式指纹传感器,一种是射频式指纹传感器。

 

  电容式指纹传感器中有无数个面积相同的半导体极板,当手指接触电容式指纹传感器时,手指表面与传感器上的极板一一匹配便构成了无数个平板电容器。我们知道电容C=εS/4πkd,其中ε是介电常数,在同一介质中是固定的;S是电容器的极板面积;k是静电力常数,也是一个固定值;d是电容器上下极板的距离。极板面积相同的情况下,如果距离d不一样,所得到的电容也不一样。由于人的指纹凹凸不平,指纹与半导体表面之间的距离也不一样。传感器根据检测到的不同接触点的电容不同,就可以得到手指的指纹信息。iPhone使用的就是电容式指纹传感器,这种模式需要手指与指纹识别模块相接触。

 

  射频式指纹传感器分为无线电波探测和超声波探测两种,其中超声波探测是目前的主流技术。超声波在到达不同材质表面时,被吸收、穿透和反射的程度不同,也就是波阻抗不同。超声波指纹传感器会发出微量的射频信号,根据信号在空气和皮肤表面波阻抗的不同,我们就可以分别得到指纹凹陷和凸起的位置,从而得到指纹图像。这种技术不需要手指与指纹识别模块直接接触,即便手指沾有水、油污或灰尘,也能较好地识别。小米5s采用的即是超声波指纹传感器,由于手机屏幕的厚度多在0.5mm左右,而超声波指纹识别技术能够穿透的玻璃厚度大概在0.3-0.4mm,所以小米5s在Home键位置挖了一个凹槽,来保证超声波的穿透效果。然而由于这种技术的应用目前还不是很成熟,所以识别效果并不是很理想。

 

  如今,很多指纹识别技术公司都在研发隐藏式指纹识别技术,未来不再将指纹识别模块放置在Home键、机身左右侧或背面,而是直接将其隐藏在触摸屏板之下,这样手机就可以实现全屏触摸了。据悉,最近国外新研发一种新型的光学指纹传感器,能够穿透1mm的盖板对指纹进行扫描识别,这种情况下,就不必在手机屏幕上专门“挖坑”来保证识别效果了。

 

智能“感官”,各显神通

  通过上面的介绍,相信大家对手机定位和指纹识别已经有了相对全面的认识,除了上面介绍的GPS传感器和指纹传感器以外,手机里还有很多传感器,这些传感器就像手机的神经一样,能够感受周围环境的变化以及人的操作,从而为我们提供更为周到的服务。

  加速度传感器——手机计步少不了加速度传感器。加速度传感器主要测算一些瞬时加速或减速的运动,当我们拿着手机走动时,手机会随着我们的身体在各个方向摆动,这时加速度传感器就可以检测出加速度在不同方向的变化,通过分析这种变化的特征及频次,就可以计算出我们走了多少步。此外,加速度传感器还能检测手机是横放还是竖放,从而进行横屏显示或者竖屏显示。手机摇一摇、翻转静音、甩动切歌都离不开加速度传感器。

  陀螺仪——加速度传感器可以测量手机在某一方向的线性加速度,而陀螺仪则可以测量手机转动时角度变化的加速度,陀螺仪一般和加速度传感器配合使用,从而检测出手机完整的三维空间动作,很多游戏的操控都离不开陀螺仪。此外,陀螺仪还能防止拍照时手抖造成的影响。当我们拿手机拍照按下快门时,如果手发生了抖动,这时陀螺仪就会检测出抖动的方向和距离,并第一时间向手机发出一个和手抖方向相反的位移信息,使手机处理器通过补偿技术来弥补手抖造成的图像模糊。

  距离传感器——有传言说“脸大不要用触屏手机,一笑就把手机挂断了”。有了距离传感器,大脸星人再也不用担心不小心把手机挂断了。距离传感器位于手机听筒附近,通过红外线进行测距,当手机靠近耳朵时,会自动关闭屏幕,防止用户误操作而影响通话(大脸星人可以放肆大笑了);把手机从耳边移开,手机屏幕又会自动亮起。手机揣兜里屏幕关闭,拿出手机屏幕又会自动亮起,仿佛知道了你要看它。这就是距离传感器的贴心之处。

  光线传感器——人的眼睛能够在不同强度的光线环境中,自动调整进入人眼的光线,同样光线传感器也可以检测周围环境光线的强弱,自动调整手机屏幕的亮度,从而保证屏幕亮度处在一个比较合适的范围。

  磁场传感器——即电子罗盘,能够检测出磁场的强度以及方向,同时配合GPS传感器及相关软件,能够为我们提供更好的定位和导航服务。手机上的指南针就离不开磁场传感器。

  温度传感器——相信有不少人的手机出现过天太冷被“冻”关机的情况,这就是手机里的温度传感器在起作用了,温度传感器能够检测手机部件的温度高低,如果手机某一部件温度过高或过低,手机就会自动关机,从而防止手机损坏。

  此外,还有气压传感器、霍尔传感器等,有些手机甚至还有心率传感器、有害辐射传感器、血氧传感器等。形形色色的传感器赋予了手机丰富多样的功能,相信未来的手机会有更多更有创意和人性化的功能,越来越智能,为我们的生活带来更多的便利。

 

  参考文献:

  [1]手指里的黑科技  浅析手机指纹识别技术[J]. 电脑爱好者,2017,(02):88-91.

  [2]季永炜,徐洁洁,吴广,袁谦. GPS原理探析[J]. 信息与电脑(理论版),2014,(08):208-209.

  [3]刘为. 传感器在智能手机中的应用[J]. 职大学报,2013,(06):76-78+100.

 

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