行動裝置智能化的基石–從iPhone4的感應器談起

毫無疑問，今天的智能手機已經是人們注目的焦點，作為移動計算最堅定的鼓吹者，我實在想不出它將來不風卷整個世界的理由。它小巧，易攜，功能卻很強大，可以用它當照相，攝像，玩遊戲，玩虛擬現實應用，當然，最重要的一點，就是可以拿來裝B。它可以通過你的不同動作來辨別你對它的控制期許，根據你的使用方式進行即時反饋。它是未來數字世界智能化的先鋒，也是單身青年的泡妞利器。但是，在你在無聊時大玩Labyrinth2迷宮滾球時，當你在追女孩時拿出手機在Google Map上找酒吧時，當你手持iPad在飛機上低調不語還能引來空姐圍觀時，有沒有仔細想過，是什麼東西將這種新潮，智能，百般武藝樣樣精通的光環帶給移動手機呢？

 

是感應器。看看左邊這張圖。先說明一下，我本來準備放iPhone4的玉照上來的，但實在是每次看見就忍不住想起教主對我們拿手機姿勢的教誨，所以還是用一張iPhone3將就了。作為引美女英雄盡折腰的代表，水果公司推出的iPhone是手機設計潮流的引導者，設計精神的集大成者，也是整合感應器的永遠的先鋒。從光強感應器，接近感應器，加速度感應器，到電子羅盤，然後到最近推出的陀螺儀，當然還有我們平時基本已經司空見慣的感應器，比如GPS，映像感應器，等等。種類多樣，讓人目不暇接。不過種類的目不暇接，對於很多普通手機使用者來說，可能就是亂花漸欲迷人眼。問一下你自己，當你準備挑選一款手機，在琳琅滿目的iPhone，Android大軍以及Nokia大軍中徘徊不定，準備仔細對比spec的時候，你真的對這些感應器能帶給你什麼都很清楚嗎？如果不是，那你就是這篇文章的潛在讀者了。

恩，在當潛在讀者之前，你可能還會對感應器的意義感到懷疑，比如你會覺得太trivial了，這玩意不就是拿來打遊戲的麼。其實吧，說白了，這實際上就是目前這玩意最迷人的地方。但我們現在要介紹這東西，總得給它安一些大帽子對不對，得對人類進步，社會高雅有貢獻才能登大雅之堂。你說CCAV要整江蘇衛視，也要安一個”影響社會風氣“的高帽子嘛。你要直接舉起擺明了本質的“搶收視率”的大旗，那就沒人理你了。所以，這裡簡單總結一下學術界對手機+感應器的高帽子：這個組合可以用來組建最大的感應器網路，基於這個網路的應用，可以致力於減少汙染，預防疾病，高效利用能源，最大化個人社交網路，維護社會和諧穩定，還能給每個人發財的機會。

當然，這些高帽子，大家看看就好了，不見得每一條都是對的，就算都是對的，怎麼理解，怎麼實現，也是很複雜的事情，要不哥們我早發財了，對吧。總的來說，基於智能手機+感應器的應用現在確實是越來越多。比如下面幾個項目：

- Diabetes Meter Mates for  PC/Phone to Track Trends;

- Fitbit;

- The iCarte – a RFID Sensor for iPhone;

- l5 remote,  iPhone remote control;

還有一些有趣的系統原型:

- iPhone + Arduino + Heartrate Monitor = HumanAPI;

- Radar from Nokia in Your Pocket;

Nokia也針對此提出了一個比較高端的概念:

- Nokia Eco Sensor Concept;

基本上，在娛樂，商業和醫學保健領域，感應器的概念已經在逐漸開始滲透了。可以肯定的是，這個市場，主要利潤並不會流入製造商的腰包，而是會流入服務提供者的腰包。你，我，他，每一個移動開發人員，都可能成為這個服務提供者。

好，不再貧嘴了，進入主題，下面簡單介紹一些目前主流手機大多數都配備的感應器，希望能給讀者朋友一些基本的概念，不至於在享受各種智慧型服務的時候不清楚底下的基本原理。下表是一個總結性的表格，包括了除了太簡單的光強感應器以外的別的代表性感應器。現在，我們就來一一介紹。

	加速度感應器	電子羅盤	陀螺儀	接近感應器
功能	通過測量三個軸的加速度大小來判斷人體運動。	通過測量裝置周圍地磁場的強度和方向來判斷朝向	通過測量三個軸的旋轉速率來判斷朝向	無須物理接觸就判斷附近物體的存在
主要局限性	受重力幹擾大，瞬時誤差大	誤差大，容易受其他磁場和金屬物體影響。主要用於校正其他裝置	誤差會累積，長時間讀數的準確性差	不通用，大多數只針對幾種材質
應用	活動測量	導航	導航	智能省電

1. 接近感應器

接近感應器，顧名思義，就是用來檢測非常接近的目標物體的。這類感應器通常利用電磁場或者靜電場的改變，或者測量發射的電磁波的反射波的改變，來進行判斷。因為手段不一樣，所以接近感應器的目標物體種類也不一樣，有的針對金屬物體，有的針對塑料物體。具體到手機上來說，現在的手機都是使用了新一代的反射光學接近感應器，可以針對較多種表面類型來檢測。過程很簡單，它們會發出人眼看不到的紅外光，一旦手機來電話了，你肯定會接聽，接聽會導致臉部皮膚離感應器很近，這樣只需要用光學探測器檢測從皮膚反射回來的光的總量的變化，接近感應器就檢測到了這個接近。這個感測結果有什麼用呢？一個明顯的例子，就是可以改進手機的節電功能，比如判斷什麼時候自動開啟或關閉顯示屏，鍵盤背光或者觸摸功能，甚至於什麼時候自動關機/待機，取決於裝置的主人是正在通話，正在打字，還是就直接把裝置扔到口袋中了。這些任務，就由接近感應器一肩挑了。

2. 加速度感應器

我個人估計，大家最熟悉的，就是加速度感應器。由於其帶來了更多的直覺遊戲體驗，基本姿態識別和環境感知功能，這類感應器從08年開始井噴，因iPhone、iPod的帶動而紅火，因Wii的整合而大規模部署，並由此帶動了價格的下降。現在如果還有哪款手機或者音樂播放器不配備這個感應器阿，出廠去商店都不好意思和擺在一起的別的裝置打招呼。加速度計的原理很簡單，現在手機裡面基本配備的都是3維線感應器，也就是說，用來測量x，y，z三個軸上的加速力。加速力就是當物體在加速過程中作用在物體上的力，就好比地球引力，也就是重力。用一個簡單的圖例表示：

我為什麼說大家應該都熟悉加速度感應器呢，如果用IBM筆記本的朋友就知道，前IBM，現聯想，的Thinkpad系列筆記本，一直都有硬碟保護功能，這個功能利用的就是通過加速度感應器動態監測出筆記本的震動，並根據這個震動選擇關閉硬碟還是繼續運行。這樣可以最大程度的保護由于振動，比如顛簸的工作環境，或者不小心摔了電腦做造成的硬碟損害，最大程度的保護裡面的資料。類似的一個非常普及的用處就是目前用的數位相機和攝像機裡，用加速度感應器，來檢測拍攝時候的手部的震動，並根據這些震動，自動調節相機的聚焦。現在，我們手頭都有iPhone，Android軍團，Nokia N900等手機，我們至少都知道，加速度感應器可以協助你打遊戲。典型的例子比如Labyrinth2，中文名叫做迷宮滾球。但更廣義地說，加速度感應器在檢測人的即時背景環境資訊上更有用處。比如說，通過三個軸上加速度的變化值的分析處理，手機可以知道你現在是在走路還是騎車還是坐車，是上坡還是下坡，等等。

從理論上講，有了三個軸的加速度立體資訊，我們可以推斷出加速方向的資訊，比如，你加速騎車的方向，或者你乘坐的電梯正在朝上還是朝下。根據初中數學的知識，這些方向和角度都是可以通過向量的加減運算算出來的。可惜的是，我們沒法僅僅依靠加速度感應器來檢測加速方向的角度，也無法得知手機本身的朝向。這是為什麼呢？要解釋這個，就牽涉到一個困擾加速度儀的大問題，就是重力加速度分量的幹擾。

當你的行動裝置處於靜止狀態時，加速度計能告訴你它相對於地平面的朝向，這是沒有問題的; 然而，當裝置動起來的時候，分析朝向就相當複雜了。這種情況下，要分四種類型討論

1. 裝置處於水平完全靜止或者勻速運動，這時的它會在垂直方向的軸上輸出一個值，那就是重力加速度，接近9.8 。
2. 裝置自由落體的時候，會三個軸都輸出0呢。
3. 裝置靜止或者勻速運動狀態時，但沒有處於絕對水平。此時任何軸都可能有輸出值，但都是重力加速度的分量。一旦處於這種狀態，我們可以通過求分量於三個軸的角度來得知手機旋轉的角度。
4. 裝置沿著任意方向加速。這時，問題就變複雜了，因為你沒辦法知道裝置目前的方向角度資訊，所以你根本就不知道重力加速度的分量到底是怎麼分解的，於是……你也就不清楚某個軸所報告的數值，哪些是重力加速度部分，哪些是真正的線性加速度部分

除此之外，另一個加速度感應器無能為力的地方，就是純水平旋轉，或者勻速水平變向，見：

這類運動，加速度感應器也只會輸出一個值：g。因為無論是x，y，還是z軸，都沒有真正意義上的加速運動。這會帶來什麼問題呢？好比你帶著一個手機在街上走，沿著一條大街走了一段路，這段路的加速度自然是能被採到的。然後你轉彎，在另一條路上走一段，這一段的加速度也是能被採到的。你回到家，拿出手機看資料，沒錯阿，兩端加速度都有，手機知道我走了兩段路，很智能阿，缺少了什麼東西？你轉彎的動作和角度！這個加速度計是采不到的，而這個資訊，在很多增強現實的智能應用中，卻是非常有用的。

為瞭解決這個問題，人們開始引入其他種類的感應器，比如接下來要介紹的這個陀螺儀。

3. 陀螺儀

陀螺儀代表著另一個重要的，但可能還需要等待一兩年才能騰飛的感應器領域，主要是因為導航級MEMS陀螺儀目前對於手機來說仍然過於昂貴，普通陀螺儀一般廠商都很少看上眼。當然，在iPhone4的帶動下，可以預見的手機軍備競賽，遲早會讓陀螺儀逐漸普及開來。陀螺儀的主要作用，是基於角動量守恒的理論，沿著某個特定的座標軸測量旋轉速率。在使用中，陀螺儀的轉子在高速旋轉時，始終指向一個固定的方向，當運動物體的運動方向偏離預定方向時，陀螺儀就可以感受出來。在現代航空裝備中，飛機駕駛的時候，就是通過多達十多個的陀螺儀來測量機體是否翻滾，以及如何翻滾的。

下面三個圖，是Wiki上關于飛行動力學講解中的，分別表示飛機上pitch, roll和yaw三個角度變化，這三種變化，都是陀螺儀的測量目標。同樣的，在人帶著行動裝置到處走動的時候，行動裝置也會有這三個角度方向上的變化，而監測這種變化，並將該變化以角度變動率的形式輸出，就是行動裝置中三維陀螺儀的任務。需要注意的是，這裡的三個角度，和加速度計的x，y，z三維意義完全不同，不要混淆了。具體的區別，請參考這裡。

 

陀螺儀的測量是隨時間累計的，要知道當前的角度，只需要將之前所有的輸出數值積分即可。當然，陀螺儀只會輸出當前旋轉的變化值，比如說，如果一架飛機是以60度的傾斜角度徑直飛行，此時陀螺儀的輸出為0，因為當前就沒有機體旋轉。但是，你可以通過之前的輸出累計計算出當前機體傾斜角度是多少。陀螺儀有兩個好處：

1. 可測頻率比較大，低可以低到直流訊號，就是0Hz，高可以高到60-70Hz。這個範圍，基本是根據人類的普遍動作頻率所決定的，而且也考慮了很大的餘量。一般的陀螺儀會對採集到的訊號濾波，最終顯示的資料基本是在0-20Hz範圍的。當然，並不是所有陀螺儀都能測量到這個頻率範圍，這個取決於具體的檔次了。
2. 在裝置中的位置並不重要。陀螺儀測量的角速度本質上是慣性角速度，所以你把它放在裝置的前端或者後端，輸出的值都會是一樣的，沒有什麼區別。

說完了陀螺儀的優點，說說缺點吧。聰明的讀者在看到陀螺儀計算角度的原理是，肯定能一下就發現陀螺儀的缺陷：這玩意的誤差是累計的！也就是說，某一個時刻你因為不管什麼樣的原因引進了角度的誤差，可能是靜態漂移誤差，可能是讀數誤差，whatever，這個誤差就會一直跟著你，一直在後面的讀數和計算中延續！更有趣的是，陀螺儀有一個臭名昭著的特性：它會隨著時間而漂移！換句話說，每分每秒，它都會自動引入附加的誤差！！時間一長，完了，你關於旋轉度的測量值就變成了中國有關部門：可信度為0 。當然，科技是在發展的，現在很多高端的陀螺儀的隨機誤差很小，普通應用有時候都可以不用管這個誤差。當然，一分錢一分貨，這種高端陀螺儀通常都很貴，很少會採用到手機系統中。

這下好玩了，在一個短的時幅裡，加速度值雜訊特別大，而且還有重力的影響。在長的時幅裡呢，加速度值總體是靠譜的，沒有誤差累計。而在短的時幅裡，陀螺儀很准，因為誤差累計的速度還是很慢的。但在長的時幅裡，陀螺儀就不準得離譜。在某些情況下，加速度感應器可以用來校準陀螺儀，比如裝置完全靜止的時候，和重力相關的方向上，就可以這樣做。那麼，什麼時候不行呢？回頭看我們剛才放的那三個圖，其中yaw的

yaw角度的變化方向是垂直於重力方向的！所以，通過剛才關於加速度的介紹我們知道，在這個垂直於重力的平面上，加速度感應器就沒辦法幫陀螺儀了。

本質上，通過三維加速度感應器+三維陀螺儀的合作，我們等同於擁有了一個六維的感應器，但無處不在的誤差會讓這個六維感應器偶爾感到無助。這時候，我們就需要另外的裝置來幫忙做進一步的校正，這就是下面要介紹的電子羅盤。

4. 電子羅盤

電子羅盤，也稱磁力計，或者電子指南針，是繼加速度計之後，從09年開始井噴的一種感應器。如果我沒記錯的話，最早整合這個感應器的主流智能手機就是Google的G1，從這個意義上講，G1對於磁性感應器市場的帶動作用，可能堪比iPhone對於加速度感應器的意義。這玩意啥用處？顧名思義，就是告訴你南北極方向的。以前古老的那種指南針，或者叫平面羅盤，可以在你放平羅盤後告訴你南極北極在哪，這樣，你就知道了目前你的正前方在地球這個大平面座標軸上的角度了。當然，出於技術的限制，平面羅盤要求你保持水平，如果有傾斜就不準確了。後來出現的電子羅盤，很多是兩軸的，也就是說，等同於電子平面羅盤。在我記憶中，幾年前的openmoko手機就是整合的這種，所以有同樣的限制。現在高端智能手機裡面整合的都是三維電子羅盤，由於加入了傾角感應器，可以對羅盤進行傾斜補償，這樣就克服了這個缺陷，可以輸出三維方向上的角度資訊。

電子羅盤的原理也很簡單，就是我們物理都學過的霍爾效應。當電流通過一個位於磁場中的導體的時候，磁場會對導體中的電子產生一個橫向的洛倫茲力，電荷因此產生偏轉，偏轉的方向垂直於電流方向和磁場方向，而且正電荷和負電荷偏轉的方向相反，從而在導體的兩端產生電壓差。 這個電壓差也叫霍爾電壓，和兩個因素成比例：電流大小和磁場強度。當然這裡有一個要注意的問題，如果磁場的方向是和導體非垂直的話，實際作用的磁場實際上是原來磁場的一個向量分量。如何知道這個磁場分量的角度呢？我們可以用兩個或者多個霍爾效應感應器，相互垂直，這樣的話，磁場的方向就可以通過不同感應器上霍爾電壓的比例值來求出，這個計算過程只需要知道基本的線性代數運算即可。當然，具體的計算中肯定有一些tricky的地方，不過不是關鍵點，所以這裡就暫時不介紹了。所以和陀螺儀不一樣的是，電子羅盤輸出的是角方向值，而陀螺儀輸出的是角方向的加速度。

所以大家應該都明白了，在電子羅盤的應用中，上述的磁場就是地球磁場，電子羅盤測量地球磁場的向量值，然後再轉換並表示在系統座標中。在理想情況下，這樣測出來的方向值也是比較準確的，一旦我知道行動裝置剛開始的方向值，就能通過之後電子羅盤的輸出，求出該裝置接下來的一系列方向改變資訊。

不幸的是，這個世界上的理想情況不存在。在我們經常使用行動裝置的環境中，有時候會存在除了地球以外的別的，未被有效屏蔽的磁場，這個外加磁場會有很大可能干擾電子羅盤的讀書，而讓結果不可信。而且，如果行動裝置周圍有金屬，一旦金屬被磁化，電子羅盤也會受很大的影響。比如說，下面這張圖，是把Nexus One平放在案頭上，旋轉一圈，得到的值對應到座標繫上的

但是，當我們把一把剪刀放在Nexus One上，得到的值變成了

很明顯的，受剪刀材質的影響，所有的值被聚類成了兩類。

很有意思的是，有人根據這個特性，專門做了一個基於Android的金屬監測器，參見這裡，基本原理就是上面這個金屬影響磁場。

回過來說電子羅盤，從上面的講解，我們知道，電子羅盤在實際生活應用中，一是容易受到幹擾，二是受了幹擾你也很難明白為什麼會被幹擾，再加上一些民用電子羅盤固有的缺陷，比如低信噪比，低動態範圍，等等，所以呢，電子羅盤在很多的實際應用中，都是用來做校正作用的，換句話說，人們不會直接採用它的值，但可以參考這個值來校正陀螺儀或者加速度計計算出的角度。因為不管怎麼說，電子羅盤至少誤差是不會隨著時間增長的，也不會受重力的幹擾。

5. 綜合應用

看了上面的介紹，相信大家心裏面也都有了數。這三個玩意，各有神通，也各有缺陷，很多時候還真得相互配合來使用，才能達到預期的效果，真正準確檢測出裝置主人的行動資訊。這個協作的過程比較複雜，但一般就是兩個階段，一是多感應器資訊融合，一是濾波。要知道，進階點的感應器，一個都有幾千美元，行動裝置上自然不會使用很高檔的感應器，同時也就意味著你從行動裝置上得來的數值都會有很多雜訊。

對於一般的app開發人員來說，沒有很多控制論方面的背景知識，所以濾波方面，可能簡單的固定增益濾波方法就可以了。如果你能確定雜訊訊號可以被建模為隨機過程的話，你還可以用卡曼濾波器。這裡要提醒一下，不是所有的雜訊都可以建模為隨機過程，陀螺儀的通常符合，但加速度感應器的通常不符合：很多雜訊是來源於人體的抖動，這個抖動是不能被建模成隨機過程的。

下面這張圖是學術界使用這三種感應器的典型的框圖，供大家參考

說到這裡，目前手機普遍整合的最重要的幾種感應器就都介紹完了。希望能給普通使用者提供一些普及性的知識，也希望能給app開發人員們一些參考。多使用感應器，讓你的app更加智能，你能從中得到的利潤就更多。記住，在移動計算時代，利潤瓜分的主人已經從生產製造者，變成了服務提供者。

參考網址:

1 http://www.motusbioengineering.com/index.htm
2 http://droidsensors.com/2010/02/sensors-for-mobile-phones-more-data-more-services-more-profit/
3 http://mylifewithandroid.blogspot.com/2010/03/sensors.html

 

本文轉自http://www.kunli.info/2010/07/07/mobile-device-sensor/