身邊的傳感器

..v身邊的傳感器作者：邱元陽X宗凡倪俊杰邵建勛沈偉春來源：《中國信息技術教育》2018年第05期

傳感器不僅僅是高科技的代名詞，也與我們的生活息息相關。很多我們不曾留意的地方，都有傳感器的身影。

在上一期文章里，我們已經簡單提到了手機里使用到的傳感器。

我們買手機時，主要考慮一些什么因素.對于普通人來說，可能第一是根據(jù)顏值和拍照效果來選。好看，拍照效果好，這就是選手機的最好理由。綠藍兄弟大行其道，就是它滿足了大多數(shù)人的需求。對于數(shù)碼和游戲愛好者來說，性能才是第一考慮的。用的什么CPU、GPU，多大內存，用的是eMMC還是UFS閃存，決定了大型游戲是不是流暢，長期使用會不會卡頓。參數(shù)是數(shù)碼愛好者最關心的問題。

然而大家在選購手機時，可能忽略了一個問題，就是這部手機到底配置了哪些傳感器.手機功能的實現(xiàn)，離不開形形色色的傳感器。例如，我們要把手機當做遙控器使用，那么就需要有紅外傳感器；我們要用其檢測心率，就需要心率傳感器?？梢哉f一部手機功能是不是豐富，取決于配置的傳感器是不是豐富。下面，我們來看手機中到底有哪些傳感器，它們是怎么實現(xiàn)手機的形形色色的功能的。

1.距離傳感器

距離傳感器是利用“飛行時間法”的原理來檢測物體的距離?！帮w行時間法”（flyingtime）是通過發(fā)射特別短的光，測量此光的脈沖從發(fā)射到被物體反射回來的時間間隔來計算與物體之間的距離。距離傳感器根據(jù)工作原理的不同可分為光學距離傳感器、紅外距離傳感器、超聲波距離傳感器等多種。目前手機上使用的距離傳感器大多是紅外距離傳感器。我們在手機正面的前置攝像頭附近看到的一個小黑點，往往就是紅外距離傳感器。我們在打時，手機會靠近人臉，如果不小心，臉會碰到手機，此時手機若亮屏，則可能會產生一些誤操作，而紅外距離傳感器能在檢測到手機靠近物品時熄屏，減少了誤操作的可能。有些手機還提供了防誤觸功能，防止手機在口袋中由于擠壓或織物滑動引起的誤操作。小米手機（miui9）里開啟防誤觸模式是通過“設置—鎖屏和密碼—鎖屏高級設置”來打開。

紅外距離傳感器由于要通過發(fā)射紅外線來測距，會在手機上留下一個難以掩蓋的黑點，可能會影響手機的布局和美觀，于是，超聲波距離傳感器應運而生。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產生，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波距離傳感器消滅了手機上的小黑點，是距離傳感器發(fā)展的方向。目前很火的小米MIX2就使用了超聲波距離傳感器。在全面屏火爆的今天，為了盡量提高屏占比，超聲波距離傳感器無疑會逐漸取代紅外距離傳感器。

2.GPS傳感器

GPS定位系統(tǒng)就是使用的GPS衛(wèi)星定位模塊，也可以叫GPS傳感器。在LBS（基于位置的服務）大行其道的今天，每部手機都離不開GPS傳感器。

GPS是英文GlobalPositioningSystem（全球定位系統(tǒng)）的簡稱，是由美國國防部研制建立的一種具有全方位、全天候、全時段、高精度的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。除此以外，俄羅斯的格洛納斯導航衛(wèi)星系統(tǒng)、歐盟的伽利略導航衛(wèi)星系統(tǒng)以及我國自主研發(fā)的北斗系統(tǒng)，都逐漸進入了實用階段。有些人比較疑惑的是，我國的北斗系統(tǒng)為什么在手機中不見有具體的應用.這其實是一種誤解，此前中國和俄羅斯已經簽署了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)和格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)之間的相容交互操作協(xié)定；2017年11月29日，中美又簽署了《北斗與GPS信號相容與交互操作聯(lián)合聲明》，實現(xiàn)射頻相容和民用信號交互操作，并將持續(xù)開展相容與交互操作合作。這意味著我們通常使用的所謂的GPS服務，其實是融合了三大衛(wèi)星定位系統(tǒng)的。如果確實想知道我們連接了多少顆北斗衛(wèi)星，可以在手機上下載北斗助手，里面的衛(wèi)星詳圖可以看到具體連接的衛(wèi)星情況，其中圓形圖例的就是北斗衛(wèi)星，在我家陽臺上可以連上6顆北斗衛(wèi)星，效果還不錯。

3.磁場傳感器和電子羅盤

磁場傳感器是可以將各種磁場及其變化的量轉變成電信號輸出的裝置，在手機里面，通常利用磁場傳感器實現(xiàn)電子羅盤的功能。電子羅盤是一種重要的導航工具，能實時提供移動物體的航向和姿態(tài)。要實現(xiàn)電子羅盤功能，需要一個檢測磁場的三軸磁力傳感器和一個三軸加速度傳感器。

電子羅盤一個典型的應用就是手機里的指南針。當我們去到一個陌生的地方時，它就可以發(fā)揮很大的作用了。由于地球磁場在一般情況下只有微弱的0.5高斯，使得針對電子設備表面地球磁場的測量很容易受到電子設備本身的干擾。有很多因素可以造成磁場的干擾，如擺放在電路板上的馬達和喇叭，含有鐵鎳鈷等金屬的材料（如屏蔽罩、螺絲、電阻），LCD背板以及外殼等。如果干擾比較嚴重，可以通過平面校準、十面校準方法等來進行校準，手機上常用的是立體8字校準方法。

電子羅盤還有一個重要應用是在電子地圖中指明方向。如果在沒有電子羅盤的手機中打開百度地圖等應用，指示行進方向的箭頭是隨機的，只能通過走一段距離看定位位置來判斷方向；有電子羅盤的手機就能準確指示方向。

4.陀螺儀

陀螺儀是一種用來傳感與維持方向的裝置，它是基于角動量守恒的理論設計出來的設備。從2010年iPhone4開始，現(xiàn)在的智能手機基本上都標配了陀螺儀。

最早的陀螺儀是機械式的，精度一直不太高，現(xiàn)在使用最多的是激光陀螺儀、光纖陀螺儀、微機電陀螺儀（MEMS），手機上的陀螺儀基本上都是微機電陀螺儀。

雖然很多人會感覺陀螺儀很冷門，但實際上它的應用非常廣泛，汽車、游戲機、無人機、穿戴式設備……只要是需要檢測運動狀態(tài)的地方，就有陀螺儀的存在。我們來看看手機中陀螺儀到底起了哪些作用。

游戲：陀螺儀通過對偏轉、傾斜等動作角速度的測量，可以實現(xiàn)用手控制游戲主角的視野和方向。比如各種競速、駕駛類游戲，我們通過不同角度傾斜手機，就好像控制了方向盤一樣，使得游戲的可玩性大大增加了。

防抖：手機拍照雖然非常普及了，但因為攝像頭感光器材CCD的限制，在光線比較暗的時候，拍出來的照片因為手抖而模糊。在使用了陀螺儀后，在我們按下快門時，陀螺儀測量出手機翻轉的角度，將手抖產生的偏差反饋給圖像處理器，用計算出的結果控制補償鏡片組，對鏡頭的抖動方向以及位移做出補償，實現(xiàn)更清晰的拍照效果。這就是攝影中的光學防抖。

在手機拍照中還有一種叫電子防抖，防抖的全過程都沒有任何元部件的輔助和參與，是依靠數(shù)字處理的技術去實現(xiàn)防抖。當前電子防抖主要有通過提高相機感光度（ISO）而實現(xiàn)的“自然防抖”和通過像素補償或其他運算方式而實現(xiàn)的“數(shù)碼防抖”兩大種類。當然，電子防抖的效果比光學防抖要差得多。

慣性導航：雖然GPS能很好地實現(xiàn)定位和導航，但在一些特殊情況下，GPS也無能為力，如在城市大的高架橋下、隧道里等，而慣性導航能很好地輔助導航。慣性導航是一種推算導航方式，即從一已知點的位置根據(jù)連續(xù)測得的運載體航向角和速度推算出其下一點的位置，因而可連續(xù)測出運動體的當前位置。慣性導航系統(tǒng)中的陀螺儀用來形成一個導航坐標系，使加速度計的測量軸穩(wěn)定在該坐標系中并給出航向和姿態(tài)角；加速度計用來測量運動體的加速度經過對時間的一次積分得到速度，速度再經過對時間的一次積分即可得到距離。

有時我們的傳感器可能在工作時會出現(xiàn)一些異常，這可能是傳感器出現(xiàn)了偏差，或者傳感器損壞。這時我們可以進入手機的工程模式，去測試一下這些傳感器的功能是不是正常，并且嘗試進行校正。以小米手機為例，在其撥號界面依次鍵入“****6484****”就可以立即進入工程模式了。在這個模式下，我們可以對手機部分硬件進行一系列的測試，如光線感應器、陀螺儀感應器、GPS等。其他安卓手機，可以用相應的指令進入工程模式，如三星（**0**）、魅族（****3646633****）、華為（****2846579****）、VIVO（**558*）、OPPO（**36446337*）（不包括括號）。

1957年，丹麥的迪斯尼樂園展出了一座造價100萬美元的房屋模型——未來之家。在人們的眼里，那只是一座由塑料和玻璃纖維構成的奇景：四個膠囊形狀的房間圍繞一根柱子懸空而建，遠看如同懸浮在空中。房間里的家具在不用時可以收進臺面。屋子里有視頻，有散發(fā)著香味的制熱/冷系統(tǒng)。最妙的是，屋子里沒有冰箱，但有三個“冷藏區(qū)（coldzones）”，只需按下按鈕，它們就會從天花板上降落下來。

在60多年前，這樣的“未來之家”是讓人難以置信的。但事實上，故事中所描繪的情景在現(xiàn)代人看來并不是那么令人意外。如果讓你設想未來的家居會是怎樣的.大致離不開“人工智能”“信息化”“全自動”等詞匯吧。就好像是美國大片里展現(xiàn)的那樣，家里的一切都將是智能化的。事實上，這樣的日子并不遙遠。近年來，在居民收入持續(xù)提高消費需求升級、電子信息技術快速發(fā)展、企業(yè)的快速推進等諸多因素的作用下，物聯(lián)網建設進程加快，智能家居也在不斷地完善生態(tài)圈。智能家居離我們并不遙遠，而傳感器是實現(xiàn)智能家居的基礎。

1.無處不在的傳感器

未來在我們的家里，任何位置都有可能裝有傳感器。物聯(lián)網在結構上可以分為感知層、網絡層和應用層三個部分。其中感知層是網絡層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)源頭、應用層計算的數(shù)據(jù)基礎。而構成感知層的最重要的組件之一就是各種各樣的傳感器。這些傳感器時刻接受周圍的活動信息。房間里的智能系統(tǒng)會通過這些信息來分析你的需求。這些傳感器都是被隱藏的，你的眼睛看不到它們，但它們卻是無處不在的。你的客廳、臥室、書房、衛(wèi)生間、廚房、陽臺……各個角落都將會安裝功能各異的傳感器。

2.無所不能的傳感器

對于智能家居里的傳感器，你可以打開大腦來想象它們的用處，甚至可以用無所不能來形容。當你打開門，熱成像傳感器和距離傳感器能感受到有人進來，智能系統(tǒng)還能檢測出是自己人還是小偷，并以此來判斷是打開燈還是打開報警器。當家里出現(xiàn)煙霧或不規(guī)律的明火時，煙霧和溫度傳感器就會檢測出并調動滅火裝置進行滅火處理。當溫度傳感器和濕度傳感器檢測到房間里的溫度和濕度不適宜時，就會開啟空調和空氣凈化系統(tǒng)。通過佩戴可穿戴設備，心律傳感器就能檢測出主人的健康狀況，若發(fā)生意外，則可以觸發(fā)醫(yī)療報警處理系統(tǒng)。有的公司開發(fā)出一種智能烤箱，這種烤箱能通過傳感器和攝像頭判斷用戶放進去的是什么食物，然后調節(jié)溫度并確定烹飪方法?，F(xiàn)在，一氧化碳中毒的案例時有發(fā)生，如果家里安裝一個有害氣體傳感器裝置，就能夠時刻檢測，守護你的家庭。一旦發(fā)現(xiàn)有毒害氣體，可立即發(fā)出警報，并且可以與家中的排風扇或窗戶聯(lián)動，檢測到有害氣體后，觸發(fā)排風扇并開啟通風窗戶。

可以這么說，自從工業(yè)時代被發(fā)明以來，傳感器就在各行各業(yè)發(fā)揮著至關重要的作用。正如人類的眼睛和耳朵一樣，傳感器作為重要的感知層前端，能幫你獲取到更加客觀、準確的實時信息。

自動駕駛汽車（Autonomousvehicles；Self-pilotingautomobile）又稱無人駕駛汽車，是一種通過電腦系統(tǒng)實現(xiàn)無人駕駛的智能汽車。自動駕駛汽車依靠人工智能、視覺計算、雷達、監(jiān)控裝置和全球定位系統(tǒng)協(xié)同合作，讓電腦可以在沒有任何人類主動的操作下，自動安全地操作機動車輛。

自從2010年10月9日谷歌公司宣布開發(fā)自動駕駛汽車，各大互聯(lián)網公司、傳統(tǒng)汽車公司紛紛跟進，掀起了自動駕駛開發(fā)的狂潮。在國內，百度也重金壓注人工智能，而自動駕駛作為其重中之重，上升到了百度的戰(zhàn)略高度。

和人工駕駛汽車相比，自動駕駛要解決的兩個難題一是“看”，二是“判斷”。

對應人類的“看”，是自動駕駛汽車如何感知周邊的環(huán)境。

1.圖像傳感器

圖像傳感器又叫感光元件，是一種可以將光學圖像轉換成電子信號的設備。物體在外界照明光的照射下，經成像物鏡成像，形成二維光強分布的光學圖像，再通過圖像傳感器轉換成電子信號。圖像傳感器是自動駕駛汽車的“眼睛”，主要應用在汽車視覺系統(tǒng)中，如倒車影像、前視、俯視、全景泊車影像、車鏡取代、行車記錄儀、正向碰撞警告、車道偏離警告、交通信號識別、行人檢測、自適應巡航控制、盲點檢測及夜視等，以保證視覺系統(tǒng)在各種天氣、路況條件下，能夠清晰識別車道線、車輛、障礙物、交通標志等。

2.雷達

除了用攝像頭“看”，大部分自動駕駛汽車的頭上都會頂著一個旋轉的“球”，這個“球”是非常重要的傳感器，一般是激光雷達。

激光雷達是目前自動駕駛汽車上應用最廣泛的傳感器之一，主要通過向目標物體發(fā)射激光束和接收從目標對象上反射回來的激光束來測算目標的位置、速度等特征量，感知車輛周圍環(huán)境，并形成精度高達厘米級的3D環(huán)境地圖。激光雷達在惡劣天氣下性能變差，并且十分昂貴，所以毫米波雷達也廣泛應用在自動駕駛上，是一種主流傳感器。它的穿透煙、霧、灰塵能力強，識別精度高，能有效地補充激光雷達的短板，能準確地“看”到與附近車輛的距離。

3.生物傳感器

生物傳感器是一種對生物物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器，通常包括指紋識別、虹膜識別、視網膜識別、面部識別、DNA識別等。例如，通過面部識別技術，判斷乘員是誰，從而對座椅位置、后視鏡角度、音樂播放、溫度調節(jié)以及導航等多種車載功能進行個性化設置，且只有在駕駛員通過指紋傳感器完成身份驗證后，才能啟動發(fā)動機。

汽車有了“眼睛”，只是能看到周圍的環(huán)境。至于看到的東西意味著什么，這就是另一個難題——如何判斷看到的情景的意義，這就是自動駕駛的“大腦”。

2017年人工智能蓬勃興起，對自動駕駛也是一種推進。但自動駕駛要達到真正完全無人駕駛，目前看來還任重道遠。

1.火焰?zhèn)鞲衅鹘榻B

火焰?zhèn)鞲衅魇怯筛鞣N燃燒生成物、中間物、高溫氣體、碳氫物質以及無機物質為主體的高溫固體微粒構成的?；鹧娴臒彷椛渚哂须x散光譜的氣體輻射和連續(xù)光譜的固體輻射。不同燃燒物的火焰輻射強度、波長分布有所差異，但總體來說，其對應火焰溫度的近紅外波長域及紫外光域具有很大的輻射強度，根據(jù)這種特性可制成火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>

火焰?zhèn)鞲衅鞣譃檫h紅外火焰?zhèn)鞲衅骱妥贤饣鹧鎮(zhèn)鞲衅?。兩者主要區(qū)別在于可探測紅外線X圍不同，前者在700nm～1000nm之內，后者可以探測400nm以下的紅外線波長。

本例使用的是紅外火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>

2.工作原理

火焰?zhèn)鞲衅魇菣C器人專門用來搜尋火源的傳感器，當然也可以用來檢測光線的亮度，其對火焰特別靈敏?；鹧?zhèn)鞲衅骼眉t外線對火焰非常敏感的特點，使用特制的紅外線接收管來檢測火焰，然后把火焰的亮度轉化為高低變化的電平信號，輸入到中央處理器中，中央處理器根據(jù)信號的變化做出相應的程序處理。

3.火焰?zhèn)鞲衅鞯倪B線

紅外接收三極管的長引線端為正極，短引線端為負極（長正短負）。將正極接到5V接口中，然后將負極和10K電阻相連，電阻的另一端接到GND接口中，最后從火焰?zhèn)鞲衅鞯呢摌O端所在列接入一根跳線，跳線的另一端接在模擬口中。

4.火焰檢測報警器制作

實驗器件：火焰?zhèn)鞲衅?個、蜂鳴器1個、10K電阻1個、面包板實驗跳線若干。

實驗連線：

①蜂鳴器的連接。

首先從arduino引出正負極到面包板上。取出蜂鳴器，將負極連到面包板負極，正極連接到arduino數(shù)字端口第八口，完成蜂鳴器的連接。

②火焰?zhèn)鞲衅鞯倪B接。

取出火焰?zhèn)鞲衅?、電阻，按照前面所講述的火焰?zhèn)鞲衅鞯慕泳€方法，將火焰?zhèn)鞲衅鹘拥絘rduino板模擬第四口，完成整個實驗的連線。

實驗原理：

在有火焰靠近和沒有火焰靠近兩種情況下，模擬口讀到的電壓值是有變化的。實際用萬用表測量可知，在沒有火焰靠近時，模擬口讀到的電壓值為0.3V左右，當有火焰靠近時，模擬口讀到的電壓值為1.0V左右，火焰靠近的距離越近電壓值越大。

5.程序代碼

代碼所示，程序編譯好后，連接電腦將程序下載到arduino板中。

本程序可以模擬在有火焰時報警的情況，在沒有火焰時一切正常，當有火焰時立刻報警做出提示。實物所示。

超聲波傳感器主要利用多普勒原理，通過晶振向外發(fā)射超過人體能感知的高頻超聲波；然后控制模塊檢測反射回來波的頻率。它的工作原理就像聲納一樣，通過發(fā)送器發(fā)出超聲波信號，遇到物體反射回來傳到接收器，然后計算反射回來所用的時間，信號反射時間越長，則目標越遠。

超聲波測距模塊包括超聲波發(fā)送器、接收器和相應的控制電路，提供2cm～450cm非接觸式感測距離，測距的精度可高達3mm。該模塊有四個腳：5v電源腳（Vcc）、觸發(fā)控制端（Trig）、接收端（Echo）、地端（GND）。在Arduino平臺下使用，只要控制Trig和Echo兩端口就行了。

下面在Arduino平臺上以超聲波傳感器為例制作一個超聲波測距模塊。

（1）模塊工作方式：①我們先拉低Trig，然后至少給10us的高電平信號去觸發(fā)；②觸發(fā)后，模塊會自動發(fā)射8個40kHz的方波，并自動檢測是否有信號返回。③如果有信號返回，通過Echo輸出一個高