7 датчиков, которые делают ваш смартфон таким умным
6 сентября 2017 Устройства
Современные смартфоны объединяют в себе сразу с десяток гаджетов. Быть такими многофункциональными устройствами и получать информацию из окружающего мира им позволяют различные сенсоры.
Акселерометр
Акселерометр измеряет ускорение и позволяет смартфону определять характеристики движения и положения в пространстве. Именно этот датчик работает, когда вертикальная ориентация меняется на горизонтальную при повороте устройства. Он же отвечает за подсчёт шагов и измерение скорости движения во всевозможных приложениях-картах. Акселерометр даёт информацию о том, в какую сторону повёрнут смартфон, что становится важной функцией в различных приложениях с дополненной реальностью.
Этот сенсор сам состоит из маленьких датчиков: микроскопических кристаллических структур, под влиянием сил ускорения переходящих в напряжённое состояние. Напряжение передаётся акселерометру, который интерпретирует его в данные о скорости и направлении движения.
Гироскоп
Этот датчик помогает акселерометру ориентироваться в пространстве. Он, например, позволяет делать на смартфон панорамные фото. В играх с гонками, где управление происходит с помощью перемещения устройства, работает как раз гироскоп. Он чувствителен к поворотам устройства относительно своей оси.
В смартфонах используются микроэлектромеханические системы, а первые подобные приборы, сохраняющие ось при поворотах, появились ещё в начале XIX века.
Магнитометр
Последний в тройке сенсоров для ориентации в пространстве — магнитометр. Он измеряет магнитные поля и, соответственно, может определить, где находится север. Функция компаса в различных приложениях с картами и отдельные программы-компасы работают с помощью магнитометра.
Подобные датчики есть в металлодетекторах, так что можно найти специальные приложения, превращающие смартфон в такой прибор.
Магнитометр действует в тандеме с акселерометром и GPS для определения географического положения и навигации.
GPS
Где бы мы были без технологии GPS (Global Positioning System)? Смартфон соединяется с несколькими спутниками и высчитывает своё положение на основании углов пересечения. Бывает, что спутники недоступны: например, при большой облачности или внутри помещений.
GPS не использует данные мобильной сети, поэтому геолокация работает и вне зоны покрытия сотовой связи: даже если саму карту загрузить не получится, точка геолокации всё равно будет.
При этом функция GPS тратит много заряда аккумулятора, поэтому лучше её отключать вне надобности.
Ещё один способ геолокации, хотя и не очень точный, — это определение расстояния от вышек сотовой связи. Смартфон добавляет к данным GPS другую информацию, например силу мобильного сигнала, для уточнения местоположения.
Барометр
Многие смартфоны, в том числе iPhone, имеют этот сенсор, измеряющий атмосферное давление. Он нужен для регистрации изменения погоды и определения высоты над уровнем моря.
Бесконтактный выключатель
Этот сенсор обычно находится около динамика в верхней части смартфона и состоит из инфракрасного диода и датчика света. Он использует невидимый человеку луч, чтобы определить, находится ли устройство возле уха. Так смартфон «понимает», что во время разговора по телефону нужно отключить дисплей.
Датчик освещённости
Как можно догадаться по названию, этот сенсор измеряет уровень освещённости окружающей среды, что позволяет автоматически настраивать комфортную яркость дисплея.
Датчики с каждым новым поколением смартфонов становятся всё более эффективными, маленькими и менее энергозатратными. Поэтому не стоит думать, что, например, функция GPS в устройстве, которому уже несколько лет, будет работать так же хорошо, как в новом. И даже если в информации о новых смартфонах не указывают характеристики всех этих датчиков, будьте уверены, что именно они позволяют вам пользоваться многими впечатляющими функциями современных гаджетов.
Что такое геомагнитный датчик в смартфоне и зачем он нужен
Современные мобильные устройства оснащены многочисленными датчиками, значительно расширяющими их функциональные возможности. Пользователи девайсов часто даже не догадываются о наличии некоторых встроенных сенсоров, и тем более не имеют представления об их предназначении. Датчики приближения, освещения, акселерометр, гироскоп и прочие интегрированные сенсоры, которыми давно оснащаются даже бюджетные модели, обычно известны владельцам устройств, но, встречая незнакомые решения, пользователи не знают, чем они могут быть полезны и как их применить.
Сравнительно недавно производители мобильных девайсов начали встраивать регистраторы геомагнитного поля, позволяющие использовать телефон в качестве компаса и определять стороны света с применением специального ПО.
Что такое геомагнитный датчик
Встраиваемый в мобильное устройство геомагнитный датчик (geomagnetic fields sensor, магнитометр) являет собой сенсор, реагирующий на магнитные поля Земли, то есть, улавливающий электромагнитное излучение.
Поскольку с его помощью можно определить стороны света и узнать текущее направление девайса, он именуется также «электронный компас».
Измерения магнитных полей, выполняемые датчиком, позволяют хорошо ориентироваться на местности, что обеспечит точную навигацию и очень выручит в отсутствии модуля GPS на устройстве, ведь с магнитометром легко определить текущее местонахождение смартфона и направление движения (при этом подразумевается использование Wi-Fi и вышек сотовой связи).
Для чего нужен геомагнитный датчик
На смартфонах датчик геомагнитного анализа используется чаще всего для определения местоположения объекта и стороны света, куда направлен девайс. Информация об отслеживании ориентации устройства в пространстве относительно магнитных полюсов пригодится при работе с картографическими приложениями.
Софт данной категории относится к must have для любого современного мобильного устройства и обычно на девайсах под управлением Android уже предустановлены карты (Google Maps), альтернативные варианты можно устанавливать самостоятельно из магазина Google Play.
Наиболее распространённое применение магнитометра в смартфоне – реализация компаса и улучшение геомагнитного позиционирования, но можно использовать его также в качестве металлоискателя и с целью поиска проводки в стенах помещений, для чего потребуется установка специального ПО.
Вместе с акселерометром и гироскопом магнитометр позволяет полноценно использовать Android-устройство в качестве геймпада на компьютере.
Чем отличаются магнитные и геомагнитные датчики
Часто сенсоры, встроенные в смартфон, в некоторой мере дублируют и дополняют друг друга. Например, геомагнитный датчик может работать также в тандеме с датчиком Холла. Арсенал устройства пополняется дополнительными аппаратными датчиками со схожим принципом работы, при этом упрощённой функциональности, с целью повышения точности.
Так, владелец Android-девайса может найти в списке имеющихся сенсоров магнитный и геомагнитный анализаторы, отличающиеся предназначением и вариациями применения.
Магнитный датчик позволяет улавливать и анализировать магнитные поля, при этом имея упрощённый механизм работы. Его задача заключается в регистрации усиления магнитного поля, тогда как на осевую напряжённость сенсор не реагирует. Современные мобильные устройства оснащаются им для взаимодействия с аксессуарами, такими как чехол SmartCover в виде книжки. Когда «умная обложка» закрывается, датчиком регистрируется приближение магнита, интегрированного в чехол, сигнал подаётся системе и экран смартфона гаснет. Это избавляет пользователя от необходимости вручную блокировать дисплей устройства, исключает случайные нажатия и экономит заряд батареи. При открытии обложки магнит на флипе удаляется от сенсора, магнитное поле изменяется. Это регистрируется датчиком, он подаёт команду системе и экран загорается снова. В некоторых чехлах предусмотрено окошко ля отображения определённых участков дисплея (часы, сообщения, пропущенные звонки и прочие) – возможность также обеспечена датчиком Холла, определяющим необходимость полностью блокировать экран или оставить отдельную область активной.
Наличие датчиков в мобильном телефоне
Геомагнитный сенсор являет собой более совершенную конструкцию, позволяющую регистрировать магнитное поле Земли, с высокой точностью определяя стороны света. Это обеспечивает возможность использования смартфона как компаса, но перед применением важно откалибровать датчик.
Использование компаса на телефоне
Компас не всегда является штатной функцией смартфона, но при наличии магнитного датчика добавить опцию можно, установив специальное приложение из магазина Google Play. О возможностях стороннего инструмента можно почитать в описании к софту. Компас потребуется откалибровать для точности показаний.
В Google Maps благодаря компасу пользователь видит стрелку, указывающую направление стороны света, в которую повёрнут смартфон.
Если компас откалиброван, луч будет узким, а в случае необходимости калибровки – широким, при этом приложение предупредит о том, что действие должно быть выполнено. Процедура подразумевает очерчивание телефоном восьмёрки в воздухе.
Эндрю Сениор – Телефонный магнитометр
Измерение возмущений магнитного поля Земли с помощью смартфона
Если у вас есть смартфон, вероятно, в нем есть встроенный датчик «компас», который вы, возможно, использовали, чтобы помочь вам ориентироваться с помощью картографического приложения. Как и традиционный компас, датчик определяет направление магнитного поля Земли и использует его, чтобы выяснить, как вы держите свой телефон. Мне было интересно узнать больше о том, на что способны эти датчики и, в частности, насколько они чувствительны и точны. Например, можно ли их использовать для обнаружения естественных возмущений поля Земли из-за солнечной активности, так называемых явлений «космической погоды»?
Приложение для этого.
..
Чтобы выяснить это, я написал простое приложение для Android, которое считывает данные с магнитного датчика телефона, известного как магнитометр. Приложение считывает данные с той скоростью, с которой датчик может их предоставить (около 25 раз в секунду с моим телефоном), и усредняет эти значения до средних значений за одну секунду, которые записываются в файл журнала на SD-карте телефона или в аналогичном месте хранения. Файл журнала можно прочитать на ПК, обратившись к диску телефона через соединение USB.
Приложение не работает в фоновом режиме, поэтому вы не можете использовать свой телефон ни для чего другого, пока оно работает. Это не так бесполезно, как кажется, потому что телефон нужно оставить на одном и том же месте во время записи данных — если вы переместите телефон, направление магнитного поля, которое он видит, изменится. Это все еще может показаться немного бесполезным — в конце концов, вы обычно хотите носить свой телефон с собой — но я вернусь к этой теме позже.
Я запустил приложение на «запасном» телефоне Google/HTC Nexus One. Вскоре я обнаружил, что измерения магнитного поля с помощью магнитометра были очень шумными. Даже после усреднения с интервалом в одну секунду значения колебались примерно на 200 нТл от одного образца к другому. нТл — это нанотесла, единица измерения напряженности магнитного поля Земли. Поле Земли варьируется примерно от 30 000 нТл на экваторе до 60 000 нТл на полюсах, так что это может показаться небольшой флуктуацией. К сожалению, в средних широтах, таких как Великобритания, где я живу, реальное изменение поля Земли на 200 нТл будет считаться довольно большим возмущением. К счастью, естественные возмущения, как правило, имеют временной масштаб многих минут или часов, а не секунд, поэтому можно еще больше усреднить данные, чтобы уменьшить случайные колебания.
Земля полуночного солнца
Чтобы увидеть, можно ли разглядеть реальное магнитное возмущение в зашумленных данных, мне нужно было оставить приложение работающим и надеяться, что что-то произойдет.
К сожалению, сильные магнитные возмущения в Великобритании случаются не каждый день. К счастью, мне пришлось совершить рабочую поездку в Тромсё на севере Норвегии. Тромсё находится в «зоне полярных сияний», кольцеобразной области вокруг северного магнитного полюса Земли, где чаще всего наблюдается северное сияние или «северное сияние» (в южном полушарии есть эквивалентная область). Авроральная активность связана с большими магнитными возмущениями. Я собирался в июле, поэтому я не увижу полярного сияния, так как это будет полуночное солнце, но, надеюсь, мое приложение для телефона зафиксирует магнитные возмущения! Вскоре после прибытия в место, где я остановился, я установил свой телефон в запасной комнату, где его не побеспокоят во время моего пребывания. На фотографии показан телефон, лежащий на ткани на столе и подключенный к сети через зарядное устройство. Приложение должно работать непрерывно, поэтому батарея не будет работать очень долго. Я использовал ткань, чтобы телефон не скользил по твердой поверхности стола.
Магнитометр в телефоне измеряет магнитное поле в трех направлениях под прямым углом друг к другу. Если вы держите телефон перед собой в обычной «портретной» ориентации, эти направления будут вправо по экрану («X»), вверх по экрану («Y») и к вам, за пределы экрана ( «З»). Я расположил телефон так, чтобы, примерно, «X» указывал на восток, «Y» — на север, а «Z» — вертикально вверх. Затем я оставил его там, где он был до конца моего пребывания.
Недалеко гораздо более точный магнитометр также контролировал магнитное поле Земли. Этот инструмент находится в ведении Геофизической обсерватории Тромсё (TGO) и является частью сети таких инструментов, используемых для научных исследований. Вернувшись домой, я связался с TGO, и они любезно предоставили мне данные своего магнитометра для сравнения с записью моего мобильного приложения.
The Proof of the Pudding
На рисунке справа показаны графики сравнения измерений магнитного поля Земли по осям X, Y и Z между магнитометрами TGO (синий) и телефоном (красный, помечен как “MagTest”).
. Линии в основном не перекрываются, потому что мое позиционирование телефона было не очень точным, а направления X, Y и Z не совсем одинаковы для двух магнитометров. Но самое существенное отличие заключается в том, что в то время как данные TGO представляют собой почти прямые линии со случайными колебаниями, отмечающими возмущения, данные телефона показывают большие волны в направлениях X и Y и случайные скачки в направлении Z. На этом рисунке данные как от TGO, так и от телефона усреднены до 5-минутных временных шагов. Большие волны в направлениях X и Y имеют период около 1 дня. Я думаю, что они, скорее всего, связаны с тем, что температура в комнате (и в телефоне) меняется и влияет на работу датчика. Тем не менее, в направлении Y можно увидеть кратковременные колебания на трассе телефона, совпадающие с шевелениями на трассе TGO. Чтобы устранить влияние температурных колебаний и лучше сравнить данные двух приборов, я сгладил измерения, усредняя их за 3 часа, и вычел эти сглаженные данные из исходных данных.
В результате отображаются только варианты с периодом менее 3 часов (фильтрация не идеальна, поэтому останутся некоторые более длинные варианты). Таким же образом я обработал данные TGO, чтобы можно было провести прямое сравнение с данными телефона.
Результат показан слева, где я также увеличил масштаб до интервала, где произошли самые большие возмущения. Теперь ясно, что во время возмущений, измеренных магнитометром TGO, магнитометр телефона показывает хорошее совпадение, особенно в направлении Y. Однако данные телефона показывают довольно большие вариации, которых нет в данных TGO. Таким образом, эксперимент показал, что действительно можно увидеть естественные магнитные возмущения в данных, записанных с магнитометра смартфона. С другой стороны, возмущения должны быть достаточно большими, чтобы их можно было однозначно отличить от случайных флуктуаций в измерениях. Использование смартфона для обнаружения явлений космической погоды, вероятно, будет иметь ограниченную ценность.
Магнитометры для масс?
При этом стоит помнить, что смартфоны сейчас очень распространены. Два идентичных смартфона, записывающих в одном и том же месте, вряд ли будут давать одинаковые случайные колебания в своих измерениях, но они должны совпадать в реальных возмущениях. Ища соответствие («корреляцию») между измерениями, возможно, удастся отсеять реальные помехи от мусора. Это означает, что краудсорсинговые измерения магнитного поля Земли не исключены.
Как я упоминал ранее, проблема использования смартфона таким образом заключается в том, что его нужно оставить в одном месте на время измерения. Но большинство из нас оставляют свои телефоны в покое на ночь, пока мы спим, и они перезаряжаются! Ночью также наблюдается тенденция к возникновению крупных магнитных возмущений. Таким образом, именно в то время, когда мы больше всего хотим проводить измерения, телефоны имеют все возможности для этого, а наличие зарядки означает, что постоянно работающее приложение не является проблемой для времени автономной работы.
Будет ли необходимо, чтобы все тщательно выровняли свои телефоны, чтобы сделать полезные измерения? Вероятно, нет: с помощью датчика акселерометра телефона, который определяет силу тяжести и, таким образом, направление «вниз», можно преобразовать направления X, Y и Z телефона во что-то более значимое, а именно магнитный север, магнитный восток и магнитный восток. “вверх”; на самом деле именно так работает «компас» телефона. Чтобы учесть возмущения, которые мы пытаемся измерить, магнитные направления на север и восток должны быть усреднены за какой-то длительный интервал времени, пока телефон остается неподвижным. 9″ выпрыгнуть из данных. Сбор измерений с нескольких телефонов может позволить определить, какие из них являются реальными помехами.
Код
Исходный код приложения доступен для загрузки ниже и выпущен под лицензией Apache, версия 2.0. Обратите внимание, что это приложение не является готовым продуктом, это всего лишь инструмент для записи измерений магнитометра в целях данного исследования.
Copyright 2013, 2014 Эндрю Старший.
Знакомство с магнитометром смартфона
Крис Роуэн, Кентский государственный университет, главный кампус
Профиль автора
Это задание является частью пересмотренной коллекции «Обучение с использованием полевого опыта онлайн»
Скрыть
все пять элементов обзора. Пять элементов, включенных в процесс рецензирования:
- Научная точность
- Согласование целей обучения, мероприятий и оценок
- Педагогическая эффективность
- Надежность (удобство использования и надежность всех компонентов)
- Полнота описания деятельности
Дополнительную информацию о процессе рецензирования этой коллекции см. по адресу: https://serc.carleton.edu/NAGTWorkshops/online_field/review_process.html
Эта страница впервые опубликована: 19 июня, 2020
Краткий обзор
Введение в использование смартфона для измерения силы и направления локального магнитного поля.
Учащиеся определяют местонахождение сенсора в смартфоне, характеризуют оси его измерения, оценивают его чувствительность и уровень шума. Затем они измеряют окружающее поле и сравнивают его с предсказанным эталонным полем для своего местоположения, а затем наблюдают влияние местных магнитных источников на создание отклонений от этого поля.
Развернуть для получения более подробной информации и ссылок на соответствующие ресурсы
Классификация деятельности и связи с соответствующими ресурсами
Свернуть
Темы
Магнетизм/палеомаг
Готовность к онлайн-использованию
Online Ready, чтобы найти
5 мероприятия из Teach the Earth по определенной теме.
Использовали эту активность? Поделитесь своим опытом и изменениямиКонтекст
Аудитория
Я планирую использовать это задание при следующем преподавании геофизики (курс бакалавриата для старших классов).
Навыки и концепции, которыми должны овладеть учащиеся
Учащиеся должны иметь общее представление о магнитном склонении и наклонении, а также об общей природе и форме магнитного поля Земли. К этому упражнению прилагается вводная презентация PowerPoint, в которой обсуждаются эти концепции.
Как деятельность расположена в курсе
Это можно использовать как отдельное упражнение или потенциально использовать перед упражнением или проектом, в котором смартфон используется для проведения магнитной съемки.
Длина действия
Максимум 1-2 часа.Цели
Содержание/концепции цели данного занятия
По окончании этого задания учащиеся смогут:
– собирать магнитные данные с помощью своих смартфонов, имея представление о работе датчиков и их ограничениях;
– понимать природу магнитного поля Земли и то, как оно меняется в зависимости от географического положения.
– понимать природу магнитных аномалий как отклонений от ожидаемого эталонного поля.
Цели мышления высшего порядка для этой деятельности
– анализ основных данных
– 3D визуализация
– оценка и сравнение данных из разных источников
Прочие цели навыков для этой деятельности
– базовая компьютерная обработка собранных данных (макс., мин., среднее)
Описание и учебные материалы
Раздаточный материал для учащихся (Acrobat (PDF) 599kB, 29 мая, 20)
Раздаточный материал для инструктора (Acrobat (PDF) 219kB 29 мая 20)
Введение в геомагнитное поле — слайды (PowerPoint 2007 (.pptx), 4,4 МБ, 29 мая, 20)
Технологические потребности
Учащимся потребуется доступ к смартфону с установленным набором датчиков Physics ToolBox (бесплатное приложение, доступное для iOS и Android). В идеале для анализа собранных данных требуется компьютер и программное обеспечение для работы с электронными таблицами, но это возможно и на смартфоне.
