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传感器知多少?我们都是物联网的节点

 奎林说 2022-07-27 发布于甘肃


智能手机和智能手表

苏轼在《惠崇春江晚景》里写道“竹外桃花三两枝,春江水暖鸭先知。”杨万里的《过沙头》中也有诗句“暗潮已到无人会,只有篙师识水痕。”这里说到的是感知春天和识别暗潮,鸭子感知到春天,经验老道的篙师能准确识别暗潮。
春天来了,百花齐放,偏偏有人对花过敏,过于敏感,鼻腔、嗅觉是他的传感器,准确识别到花对他的侵扰。更别说柳絮飞满天的时候,这种感觉更甚,不敏感的人也会被絮絮迷了眼,人走在树下,不自然地就眯上了眼,生怕进入眼睛。
自然界、生物界的动物和植物天生就有很多识别器。科技发展到今天,人造识别器,或者叫传感器布满了人类生存的地方和动植物生存的地方,这些技术和设备让人们的生活更加美好。智慧地球、智慧城市、智慧农业、智慧工业、智慧养殖业等等的,都是靠着传感器来收集各种信息,以便让我们能及时、更好地处理出现的问题。
比如养鸡、养鸭、养猪、养牛,智慧化养殖业,会给每个动物身上装一个甚至多个传感器,全面监控它的生长状况、健康状况等等。这样的场景在现代社会中随处可见、应用广泛。
现代智慧化的社会,这些小小的各种传感器居功至伟。传感器是物联网的重要组成部分,物联网的概念就更大了,结构更复杂。这几年物联网持续保持一个较高的热度,各种书、文章写了很多概念和设想,这些资料看上去总是那么高大上,让人觉得物联网和自己关系并不那么大。
5G也是炒得甚嚣尘上,其实5G真的普及开来之后,能发生最大变化的还是物联网,而不是简单的我们的手机从4G信号变为5G,说老实话,如果5G只是改变我们手机上的应用,那真的是大材小用、大可不必、白耗金钱和人力了。
5G的端到端传输能力,会让整个物联网高速运转起来,智慧地球不是梦。信息技术历史上很多理论正确,却没有产生实际效应的例子很多,它们大多都是限于没有强大的处理器、没有强大的网络传输速度等等导致的。
说到传感器,我们每个人每天接触的太多了,最接近我们的是智能终端,包括智能手机、平板、智能手表、智能手环等等的设备。
就拿手机来说,基本人手一部或多部,它们里面都有什么传感器?
比如我们晃动手机就可以完成赛车类游戏的转弯动作;我们拿起手机接电话的时候,手机会黑屏,从而就能防止我们的误操作了;手机屏幕会随着光线的明暗也会变化;微信为什么能摇一摇;手机为什么能导航;手机为什么能检测我们走了多少步,能检测我们爬了几层楼......
1、光线传感器(Ambient Light Sensor)
光线传感器类似于手机的眼睛。人类的眼睛能在不同光线的环境下,调整进入眼睛的光线,例如进入电影院,瞳孔会放大来让更多光线进入眼睛。而光线传感器则可以让手机感测环境光线的强度,用来调节手机屏幕的亮度。而因为屏幕通常是手机最耗电的部分,因此运用光线传感器来协助调整屏幕亮度,能进一步达到延长电池寿命的作用。光线传感器也可搭配其他传感器一同来侦测手机是否被放置在口袋中,以防止误触。
2、距离传感器(proximity sensor)
透过红外线LED灯发射红外线,被物体反射后由红外线探测器接受,藉此判断接收到红外线的强度来判断距离,有效距离大约在10米左右。它可感知手机是否被贴在耳朵上讲电话,若是则会关闭屏幕来省电;距离传感器也可以运用在部分手机支持的手套模式中,用来解锁或锁定手机。
3、重力传感器(G-Sensor)
透过压电效应来实现。重力传感器内部有一块重物与压电片整合在一起,透过正交两个方向产生的电压大小,来计算出水平的方向。运用在手机中时,可用来切换横屏与直屏方向,运用在赛车游戏中时,则可透过水平方向的感应,将数据运用在游戏里,来转动行车方向。
4、加速度传感器(Accelerometer Sensor)
作用原理与重力传感器相同,但透过三个维度来确定加速度方向,功耗小但精度低。运用在手机中可用来计步、判断手机朝向的方向。
5、磁(场)传感器(MagneTIsm Sensor)
测量电阻变化来确定磁场强度,使用时需要摇晃手机才能准确判断,大多运用在指南针、地图导航当中。
6、陀螺仪(Gyroscope)
陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴动作的角速度,是补充MEMS加速度计(加速度传感器)功能的理想技术。事实上,如果结合加速度计和陀螺仪这两种传感器,系统设计人员可以跟踪并捕捉3D空间的完整动作,为终端用户提供更真实的用户体验、精确的导航系统及其他功能。手机中的“摇一摇”功能(例如摇动手机就能抽签…)、体感技术,还有VR视角的调整与侦测,都是运用到陀螺仪的作用。
7、GPS
地球上方特定轨道上运行着24颗GPS卫星,它们会不停的向全世界各地广播自己的位置坐标与时间戳,手机中的GPS模块透过卫星的瞬间位置来起算,以卫星发射坐标的时间戳与接收时的时间差来计算出手机与卫星之间的距离。可运用在定位、测速、测量距离与导航等用途。
8、指纹传感器
目前主流的技术是电容式指纹传感器,然而超音波指纹传感器也有逐渐流行起来趋势。电容式指纹传感器作用时,手指是电容的一极、另一极则是硅芯片数组,透过人体带有的微电场与电容传感器之间产生的微电流,指纹的波峰波谷与传感器之间的距离形成电容高低差,来描绘出指纹的图形。而超音波指纹传感器原理也类似,但不会受到汗水、油污的干扰,辨识速度也更为快速。运用在手机中可用来解锁、加密、支付等等。
9、霍尔传感器(Hall Sensor)
作用原理是霍尔磁电效应,当电流通过一个位于磁场中的导体时,磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的的作用力,从而在导体的两端产生电势差。主要运用在翻盖解锁、合盖锁定屏幕等功能当中,苹果的Smart cover还有多个品牌的官方手机配件,都运用了这项技术。
10、气压传感器(气压计,barometer)
将薄膜与变阻器或电容连接在一起,当气压产生变化时,会导致电阻或电容数值发生变化,藉此量测气压的数据。GPS也可用来量测海拔高度但会有10米左右的误差,若是搭载气压传感器,则可以将误差校正到1米左右;也可用来辅助GPS定位,来确认所在楼层位置等信息。苹果的iPhone 6/6s系列都搭载了气压传感器。
11、心率传感器
透过高亮度的LED灯照射手指,因心脏将血液压送到毛细血管时,亮度(红光的深度)会呈现周期性的变化。再透过摄影机捕捉这一些规律性的变化,并将数据传送到手机中进行运算,进而判断心脏的收缩频率,得出每分钟的心跳数。
12、血氧传感器
血液当中血红蛋白与氧合血红蛋白对于红光的吸收比率不同,用红外光与红光LED同时照射手指,并测量反射光的吸收光谱,藉此量测血含氧量。可用于运动或健康领域的应用。
13、紫外线传感器
某些半导体、金属或金属化合物的光电发射效应,在紫外线照射下会释放出大量电子,透过检测这种放电效应可计算出紫外线强度。主要用途也在运动与健康领域。
整体而言,前7种传感器大多是目前智能手机的标准配备,指纹传感也已经越来越普及。较后方的传感器,则多常见在智能手环以及较顶级、高端的手机中。
正是这些各类传感器,组成了物联网的触角,构建了我们空中和地下的智慧地球。
古人诗中那些难以办到的事,在今天都有小小的设备帮我们完成。

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