Ako merajú a navigujú smartfóny a tablety?

Používanie najrôznejších typov senzorov je dnes na smartfónoch a tabletoch úplná samozrejmosť. Či už meriate náklon, zrýchlenie, alebo svoju polohu v najrôznejších kútoch sveta, zvierate v rukách rôzne akcelerometre, gyroskopy, magnetometre či prijímače GPS, ktoré sú ukryté v útrobách ultramobilných zariadení. Ako však v skutočnosti tieto súčiastky vyzerajú a ako vôbec fungujú? Tieto tajomstvá poodhalíme v našom článku.

Miniaturizácia mnohých komponentov umožnila v posledných desaťročiach veľký vzrast komfortu, ktoré najrôznejšie prenosné zariadenia môžu poskytovať. V americkom televíznom sitkome Seinfeld, ktorý bol populárny v 90. rokoch minulého storočia, sa niekoľko hlavných postáv pokúša dostať spoločne do kina. Jeden z ich priateľov však nedorazí a všetci sa dovtípia, že určite čaká omylom pri inom kine. Jedna z postáv sa ho teda vyberie hľadať. Hľadaná osoba však o chvíľu dorazí, pretože si sama domyslela, že čaká na zlom mieste.

Do kina však stále nemôžu ísť, pretože zas chýba osoba, ktorá ho išla hľadať. Ďalšia postava sa opäť vyberie po ňu, počas čoho sa pôvodná osoba zas vráti a takto sa celá situácia komicky opakuje. Dnešným tínedžerom už takáto situácia pripadá celkom absurdná. V súčasnosti, keď má každý človek vo vrecku mobilný telefón, už prakticky ani nemôže nastať. Ľudia si zavolajú alebo napíšu a dôležitá informácia sa k nim ihneď dostane. V posledných rokoch sa rovnako eliminuje aj možnosť stratenia sa, respektíve zablúdenia v cudzom meste. Vstavané navigačné systémy smartfónov nás totiž dovedú do cieľa nielen pri jazde autom, ale aj pri chôdzi po chodníku. Ako je to možné?

GPS - v cudzom meste ako doma

GPS (Global Positioning System - globálny pozičný systém) je americký navigačný systém navrhnutý na vojenské a zároveň aj civilné použitie. Do plnej prevádzky sa dostal po vybudovaní siete 24 družíc v roku 1993 a odvtedy je neustále udržovaný, dopĺňaný a modernizovaný. Od roku 2000 je na základe prezidentského nariadenia dostupný pre celosvetovú verejnosť v nedegradovanej podobe.

Systém sa skladá z troch častí: kozmickej, riadiaco-kontrolnej a používateľskej. Kým používateľskú časť tvoria smartfóny, tablety či akékoľvek iné zariadenia, ktoré svojimi zabudovanými modulmi GPS systém využívajú, kozmickú časť predstavujú satelity na obežnej dráhe Zeme, ktoré signálovú sieť vytvárajú. Riadiaco-kontrolná časť je zložená z pozemných staníc po celom svete, ktoré systém kontrolujú a udržujú, pričom ide napríklad o korekcie trajektórií družíc a overovanie ich správnej funkčnosti.

Hardvér GPS v používateľských zariadeniach nie je z hľadiska technológie ani finančných prostriedkov prehnane náročný, a preto ho možno osadzovať aj do veľmi lacných zaradení. Pokiaľ rozoberiete napríklad smartfón, na jeho základnej doske nájdete osadený nielen hlavný SoC, operačnú pamäť či modul Wi-Fi, ale aj modul GPS. Jeho podobu si môžete pozrieť na obrázku. Ide o veľmi malý čip s veľkosťou okolo 4 mm, ktorý pri nepozornosti ľahko prehliadnete. V našom prípade ide o americký čip Broadcom BCM 47521, ktorý nájdete napríklad v Samsungu Galaxy S4.

Do útrob tohto smartfónu sme sa podrobne pozreli v článku Do vnútra smartfónov (PC REVUE č. 11/2013). Samsung si čip Broadcom zvolil aj pri aktuálnej verzii Galaxy S5, ale už v novšej verzii BCM 47531 (napohľad vyzerajú čipy okrem rozdielneho čísla totožne). Nie je to však tak vo všetkých výrobných sériách. Na niektorých jeho doskách sa objavil aj WFR1620 od americkej spoločnosti Qualcomm, ktorý často (v rôznych modeloch) používa aj Apple. Na smartfóne iPhone 5c môžeme nájsť napríklad WTR1605L, ktorý v rámci svojho puzdra kombinuje okrem GPS aj iné komunikačné štandardy, ako LTE, EDGE a HSPA+.

Čipy modulov GPS nie sú z hľadiska pripojenia k základnej doske ničíšpeciálne. Používajú puzdro BGA (Ball grid array), čo znamená, že sa kontakty čipu pomocou „roztopenia" malých guľôčok spájkujú s kontaktmi na doske. Prostredníctvom základnej dosky má čip spojenie so vstavanou anténou smartfónu, tabletu alebo iného zariadenia a dekóduje prijímaný signál GPS.

Kovový kryt, zovňajšok a útroby čipu GPS modulu Broadcom BCM 47521 zo Samsungu Galaxy S4

Používateľská časť GPS je z hľadiska celého systému kompletne pasívna. Ak ste si teda GPS doteraz predstavovali tak, že sa stovka miliónov zariadení neprestajne pripája k satelitom na obežnej dráhe a komunikuje s nimi, boli ste na omyle. Systém GPS o prijímačoch, ktoré ho používajú, „nevie" a ani ich polohu nijako nepočíta. Najjednoduchšie si GPS môžeme predstaviť ako veľké mestské hodiny na veži, podľa ktorých by si všetci obyvatelia nastavovali svoje náramkové hodinky. Hodinám na veži nijako neprekáža, že sú v jednom momente sledované tisícami ľudí. Čas iba ukazujú.

Vlastné nastavovanie náramkových hodiniek si podľa tejto informácie používatelia robia sami. V prípade GPS fungujú ako vežové hodiny jednotlivé satelity, ktoré neprestajne vysielajú mikrovlnný signál. Smartfón pomocou svojej antény a modulu GPS tento signál prijme zo štyroch alebo viacerých rozdielnych satelitov, analyzuje ho a na základe toho vypočíta svoju vlastnú polohu. GPS nie je jediný navigačný systém, ktorý existuje. Je však najdlhšie používaný, najrobustnejší, a teda aj najrozšírenejší, čo sa týka používateľskej základne.

Druhý globálny navigačný systém je ruský GLONASS, ktorý bol do plnej prevádzky uvedený v roku 1995 (o rok neskôr ako GPS). Finančné problémy súvisiace s rozpadom Sovietskeho zväzu však zabránili pravidelnému nahradzovaniu satelitov novými verziami, a tak v roku 2008 bolo v prevádzke už len 12 družíc (na celosvetové pokrytie je potrebných 24 a viac). Situácia sa zlepšila po finančných injekciách a od roku 2010 dosiahol GLONASS opätovne plnú prevádzku.

Na mnohých súčasných smartfónoch a tabletoch preto môžeme nájsť kombinované moduly pre navigačné siete GPS aj GLONASS (vrátane čipu Broadcom BCM 47521 na obrázku). Iba tieto dva navigačné systémy operujú globálne. Do roku 2020 by sa mali k nim pridať aj čínsky Compass (ktorý zatiaľ pod menom Beidou funguje s 15 satelitmi ako regionálny navigačný systém pre ázijský a pacifický región) a Galileo, ktorý v súčasnosti buduje Európska únia.

Vlastný regionálny navigačný systém má aj Japonsko (3 družice QZSS) a dokončuje ho aj India (GAGAN). Tie však globálne rozšírenie neplánujú. Prevádzka vlastného navigačného systému má pre veľmoci vojenský význam, pretože v krízových situáciách sa nemôžu spoliehať na cudzí systém. Z hľadiska používateľa ide o vítanú redundanciu, keďže pripojenie na viac systémov súčasne zlepšuje presnosť napríklad vo vysokej a hustej mestskej zástavbe, ktorá blokuje veľkú časť oblohy. Či už ide o GPS, GLONASS, alebo budúce globálne navigačné systémy, ich základný princíp z hľadiska fungovania sa veľmi nelíši, a preto si vystačíme s opisom jediného.

Americký systém GPS je pre drvivú väčšinu ľudí synonymom navigačného systému v smartfónoch, tabletoch či jednoúčelových zariadeniach, ktoré sú určené pre palubné dosky automobilov. Jeho kozmický segment momentálne pozostáva z 32 aktívnych družíc, pričom na celosvetové pokrytie je ich potrebných 24. Družice obiehajú vo výške 20 350 km nad zemským povrchom (dva obehy denne). Sú sústredené do šiestich kružníc, ktoré sú od seba odchýlené o 60°, pričom na každej je rozmiestnených 5 až 6 družíc v nepravidelných rozstupoch (z dôvodu prekročenia štandardného počtu 24 jednotiek).

Nad každým miestom na Zemi je tak v jednom okamihu v dohľade 6 až 12 družíc. Keďže životnosť jednej je obvykle 10 až 12 rokov, sú v prevádzke v rôznych generáciách a typoch. Ich vývoj a výroba na celú generačnú obmenu stoja približne 5 miliárd dolárov (k čomu sa ešte prirátajú náklady na štarty raketových nosičov, ktoré ich vynesú na obežnú dráhu). Medzi najdôležitejšiu výbavu každej z nich patria tri alebo štyri mimoriadne presné atómové hodiny (presnosť na 10^-13 s) s céziovým alebo rubídiovým oscilátorom a množstvo antén na vysielanie signálu v rámci systému GPS, komunikáciu s pozemnými stanovišťami a na kontakt so sesterskými družicami.

Každá družica GPS vysiela dva druhy signálov. Ide o tzv. kód C/A (pre kohokoľvek na svete) a kód P (pre americké armádne zložky). Kód C/A pozostáva z 1023-bitovej sekvencie, unikátnej pre každú družicu, ktorá sa vysiela s opakovaním každú milisekundu (vzniká teda dátový tok približne 0,12 kB/s) na mikrovlnnej frekvencii 1,57 GHz. Tento kód, respektíve signál zachytávajú antény smartfónov a iných bežných zariadení a na základe neho určujú svoju polohu. Kód P je na rozdiel od kódu C/A gigantický. Má približne 720 GB a družica ho celý odvysiela za týždeň (na frekvencii 1,22 GHz), potom sa začne ihneď opakovať.

Jeho veľkú časť pravdepodobne tvoria rôzne ochranné mechanizmy (je šifrovaný), pričom sa predpokladá, že vojenské prijímače sa najprv rýchlo zosynchronizujú s kódom C/A (od toho je zrejme odvodený jeho názov Coarse/Acquisition, teda Hrubý/Získanie) a až následne po dlhšom čase s komplexným kódom P (Precision - Precízny). Okrem kódov C/A a P družica vysiela aj navigačnú správu, ktorá obsahuje dátum a čas, stav družice (z hľadiska funkčnosti) a informáciu o orbite a ostatných satelitoch.

Pri lokalizácii cieľa cez GPS sa používa geometrický princíp trilaterácie

Úlohou smartfónu alebo iného prijímača GPS na Zemi je prijať signál od štyroch alebo viacerých družíc v jednom momente. Keďže ich kódy C/A sú vzájomne veľmi odlišné, môže zariadenie prijímať bez problémov viacnásobný signál na rovnakej frekvencii. Z prijímaného signálu zistí vzdialenosť od rôznych satelitov a na základe dostupných údajov vypočíta svoju pozíciu. Na to sa používa geometrický princíp známy ako trilaterácia.

Princíp sa dá jednoducho predstaviť v dvojrozmernej podobe. Predstavte si, že stojíte niekde na Slovensku, no netušíte kde. Vytiahnete z vrecka prístroj, ktorý by dokázal odmerať vzdialenosť od blízkych miest. Prístroj vám najprv zahlási, že ste 60 km od Banskej Bystrice. To je dôležitá informácia, ale vy môžete byť v tejto vzdialenosti ktorýmkoľvek smerom. Na východe, západe, juhu či severe. Dorazí však druhá informácia - ste 62 km od Trenčína. Vaša poloha sa razom značne spresní. Dva okruhy sa totiž pretnú (pozri obrázok).

Problém je v tom, že sa pretnú v dvoch miestach, čo znamená, že ste buď niekde na severe pri Žiline alebo na juhu pri Zlatých Moravciach. Tretí údaj všetko rozhodne - ste 65 km od Liptovského Mikuláša. Vašou pozíciou je teda Žilina. Rovnaký princíp je použitý aj pri GPS. Vďaka tomu, že signál vysielajú družice, ktoré sú nad zemou, však trilaterácia nepracuje v 2D, ale 3D priestore. Namiesto kruhovej vzdialenosti od vysielača tak nestojíte na hrane kruhu, ale gule. Vzhľadom na to, že máme o jeden rozmer viac, potrebujeme na lokalizáciu aj štvrtý zdroj. Dve gule, respektíve sféry, sa totiž pretnú v jednom kruhu, tri v dvoch bodoch a až štyri sféry v jedinom. V núdzovom prípade môže prijímač GPS počítať za štvrtú sféru samotnú Zem. S použitím štvrtého satelitu sú však dáta presnejšie.

No ako modul GPS v smartfóne odmeria vzdialenosť k družici, keď jediné, čo robí, je, že počúva jej vysielanie? Elektromagnetický signál putuje z družice na Zem rýchlosťou svetla, pričom mu chvíľku trvá, kým túto vzdialenosť urazí. Keby smartfón poznal presný čas, keď sa signál vysiela, a porovnal ho s oneskorením signálu, ktorý prijal anténou, môže vzdialenosť vypočítať.

Vzhľadom na to, že rýchlosť svetla je približne 300 000 km/s, potreboval by hodiny synchronizované s presnosťou na nanosekundy. Koniec koncov presnosť nevyhnutná na správnu funkciu GPS je taká veľká, že systém musí obsahovať korekcie podľa predpovedí Einsteinovej teórie relativity. Vzhľadom na rozdielnu silu gravitácie a rýchlosť pohybu totiž čas plynie družici trochu inak než prístroju na Zemi. Kým družica GPS si superpresné atómové hodiny za 50 000 eur môže dovoliť, so smartfónmi to také ružové už nie je.

To by si zariadenie GPS mohol kúpiť málokto. Smartfón tak používa obyčajný časovač, ktorý sa však neustále resetuje, aby sa nezačal extrémne odchyľovať. Keďže dostáva signál zo štyroch a viac rozdielnych satelitov s atómovými hodinami, použije ich styčný bod na svoje vlastné zosynchronizovanie v rámci prípustnej chyby (vždy len na zlomok času). Štyri a viac sfér sa totiž pretnú v jednom bode len pri perfektnej synchronizácii.

Aj keď prvotný odhad smartfónu bude pre horšiu synchronizáciu nepresný, správnu pozíciu sfér môže dopočítať, upraviť odchýlku tak, aby sa preťali, a vypočítať svoju polohu presne. Získa tak žiadané dáta. Keďže zemepisné súradnice väčšine ľudí veľa nepovedia, preberá ich obyčajne nejaký mapový program, ktorý pozíciu zobrazí na mape. Používateľ tak dostáva veľmi presný polohovací nástroj, ktorý je mu na voľnom priestranstve neustále dostupný zadarmo.

Akcelerometre a gyroskopy

Zatiaľ čo vďaka modulom GPS mobilných zariadení môžete zistiť svoju polohu kdekoľvek na svete a definitívne tak pustiť z mysle strach zo zablúdenia v cudzom meste, v prípade akcelerometrov a gyroskopov je už situácia značne lokálnejšia. Tieto mechanizmy merajú náklony a iný drobný pohyb zariadenia, pričom dnes už patria k bežnej výbave moderných smartfónov a tabletov. Typická úloha, pri ktorej sa tieto senzory používajú, je otočenie obrazu na displeji.

Ak držíte tablet naležato, v rovnakom smere je aj obraz. Ak tablet otočíte nastojato, akcelerometer zaznamená zmenu smeru a operačný systém otočí obraz do druhej polohy. Služby týchto súčiastok často používajú aj hry. Nakláňaním zariadenia tak ovládate postavičku či iný virtuálny objekt alebo dokonca rovno fyzické hračky, ako napríklad model autíčka alebo helikoptéry ovládaný na diaľku. Dáta z gyroskopu a akcelerometra môžu byť aj čisto informačného charakteru a používateľ ich môže využívať napríklad na meranie. Ak totiž smartfón položíte na nejaký naklonený objekt, odmeria jeho náklon tak, akoby naň položil vodováhu.

Kombinovaný čip akcelerometra a gyroskopu InvenSense MPU-6500 na Samsung Galaxy S5 (3 mm)

Z hľadiska vonkajšieho pohľadu sa čipy s týmito súčiastkami nijako nelíšia od iných čipov, a preto sa nedajú rozpoznať inak než podľa opisného štítku. Na obrázku si môžete pozrieť detail na časť základnej dosky smartfónu Samsung Galaxy S5. Tento výrez je v realite dlhý 5 cm a pod odobratým kovovým krytom (vidieť jeho okraje) dominuje veľký čip správy napájania Qualcomm PMC8974. Nás však zaujíma čip MPU-6500 od kalifornskej spoločnosti InvenSense, ktorý je označený šípkou vpravo.

V tomto jednom puzdre s rozmermi 3 × 3 mm je ukrytý akcelerometer aj gyroskop. Ide o kombinovanú mikrosúčiastku s meracími prvkami v šiestich odlišných osiach. Ak nebudeme brať do úvahy pohyb elektrónov v obvodoch, zrejme si mnoho ľudí myslí, že smartfóny a tablety sa skladajú z kompletne nepohyblivých súčiastok. Veď napokon vnútri sa netočí žiadny ventilátor, pevný disk ani optické médium. Nie je to však úplne pravda. Ich akcelerometre a gyroskopy sú totiž naozaj pohyblivé, i keď ich mechanizmus je vskutku miniatúrny. Takéto súčiastky sa označujú ako MEMS (Micro Electro Mechanical System) čiže mikroelektronické mechanické systémy.

Na schematickom nákrese môžete vidieť, že akcelerometer pozostáva z dvoch častí. Senzorov a tzv. seizmickej hmoty. Pod špecializovaným označením seizmická hmota sa myslí prvok z kremíka, ktorý je ukotvený na štyroch miestach s telom smartfónu (štvorce po stranách).Všimnite si pritom, že je ukotvený len malými prúžkami a inak je celkom voľný. V okamihu, ako smartfónom alebo tabletom pohnete, nastane rovnaká situácia, ako keď stojíte v autobuse. Ak sa autobus rozbehne, vy máte tendenciu zostať v pokoji.

Výsledkom je pocit, že vás nejaká sila tlačí dozadu a vaše telo sa nakloní. Naopak, ak autobus zabrzdí, vaše telo zostane v pohybe a pohne sa smerom dopredu, až kým sa bezpečne nepritiahnete ku kotviacemu bodu, ako je napríklad tyč na držanie. To isté sa deje s hmotou v akcelerometri. Všimnite si, že má malé výstupky v tvare hrebeňa, ktoré sú umiestnené medzi elektródami. Elektródy fungujú ako senzory, ktoré merajú rozdiely v kapacitnom odpore, spôsobené pohybujúcim sa prvkom mechanizmu. Na základe toho je určený smer pohybu do jedného alebo do druhého smeru. No keďže ide len o pohyb v rámci jedného rozmeru, je potrebný ďalší identický mechanizmus v priečnom aj zvislom smere. Akcelerometer je tak schopný merať vo všetkých troch osiach.

Princíp práce akcelerometra v jednej rovine: Pohyb v rohoch ukotvenej seizmickej hmoty (modrá) sa prejaví na elektródach (zelená) rozdielom v kapacitnom odpore

V troch osiach meria aj gyroskop. Aj keď jeho úlohu môže v mnohom zastať akcelerometer (pre podobnosť zrýchlenia a gravitačnej sily), gyroskop sa na zvýšenie presnosti obvykle takisto používa. Hlavný rozdiel gyroskopu oproti akcelerometru je ten, že môže detegovať rotáciu okolo konkrétnej osi. Predstavme si, že smartfón držíme klasicky zvislo v ruke.

Znamená to, že dva z troch odlišne smerovaných pohybových mechanizmov akcelerometra sú nehybne vo vodorovnej polohe, zatiaľ čo tretí je zvislo a v dôsledku pôsobenia gravitačnej sily je vychýlený k zemi. Akcelerometer teda odošle operačnému systému informáciu o tom, kde je aktuálne smer „dole". Ak rukou pohneme doľava, vodorovná časť akcelerometra, ktorá je v smere pohybu, sa rozkmitá a systém dostáva informáciu o pohybe. Problémom je, ak začneme otáčať telefónom okolo jeho osi.

Akcelerometer bude stále schopný merať smer pohybu a zmenu uhla gravitačnej sily, ale výpočet sa stáva náročnejším a menej presným. Práve tu prichádza na pomoc gyroskop, ktorý „ucíti" pohyb ako konkrétnu zmenu uhla. Pri slove gyroskop si mnoho ľudí vybaví typické mechanické zariadenie, ktorým je rotujúci zotrvačník diskového tvaru, upevnený na oske. V prípade miniatúrneho čipu gyroskop takýto tvar, samozrejme, nemá a jeho mikroelektronická mechanická podoba je v tvare vibračnej štruktúry. Podobne ako pri akcelerometri aj tu hmota vibruje, čo spôsobuje zmeny v elektrických signáloch zaznamenávaných detektormi. Tieto zmeny sú následne interpretované na zistenie orientácie zariadenia. Na obrázku z mikroskopu si môžete pozrieť, o aké delikátne štruktúry v prípade akcelerometrov a gyroskopov ide.

Dych vyrážajúci pohľad mikroskopom na mikroelektronické mechanické súčiastky. V hornom rade akcelerometre STMelectronics LIS331DLH a Kionix KXTF9, v dolnom rade gyroskopy STMicroelectronics LYPR540AH a L3G4200D. Na akcelerometri LIS331DLH vľavo hore je dobre rozpoznateľná seizmická hmota v dvoch rozdielnych smeroch (pripomínajúca dierovanú tehlu), ktorá je „začesaná" do dlhočizných tyčiek detekčných elektród

Magnetometer

Magnetometre sa začali na smartfónoch objavovať v hojnej miere od roku 2009 a dnes už ide o veľmi častú výbavu. Sú to prístroje, ktoré dokážu merať veľkosť a smer magnetickej indukcie alebo magnetického momentu. Pokiaľ sa magnetometer používa na meranie magnetického poľa Zeme tak, aby bolo možné určiť svetové strany, hovoríme o ňom aj ako o kompase. Práve na tento účel sa magnetometre používajú aj na bežných mobilných zariadeniach.

Spoločnosť Apple s obľubou používa produkty od japonskej spoločnosti Asahi Kasei a v útrobách rôznych verzií iPhonov môžeme nájsť jej kompasy AK8963, AK8973 či AK8975. Samsung na svojom smartfóne Galaxy S5 používa japonský magnetometer Yamaha YAS532B. Čipy magnetometrov sú neveľké a zvyčajne ide o malý štvorček s veľkosťou 1,5 až 3 mm. Existuje niekoľko rôznych spôsobov, ako detegovať magnetické pole. Na smartfónoch sa v súčasnosti veľmi často využíva tzv. Hallov jav, čo je vznik potenciálového rozdielu na elektródach polovodičovej doštičky, ktorou prechádza elektrický prúd a magnetické pole.

V dôsledku neho sa hromadí na jednej strane látky záporný a na druhej strane kladný náboj. Póly tak majú rôzny potenciál. Výhoda tohto riešenia je v tom, že umožňuje vyhotovenie magnetometrov do podoby klasických planárnych čipov. Naopak, problémom je, že takýto magnetometer je citlivý na magnetické pole len v prípade, že je smerom naň kolmé. Aby sa tento nedostatok odstránil, obsahuje špecializovaný prvok v podobe magnetického koncentrátora, ktorý umožní aj horizontálnu detekciu.

Magnetický koncentrátor je vytvorený z vysoko zmagnetizovateľného materiálu, ktorý reaguje aj na slabé magnetické pole. Obvykle ide o zliatinu železa a niklu. Na röntgenovej snímke rezu čipu môžete koncentrátor vidieť ako tenký pásik (0,3 mm) navrchu celej konštrukcie, ktorá je poprepájaná drôtmi. Magnetický koncentrátor ohýba magnetické pole ležiace paralelne s čipom do vertikálneho smeru a umožňuje jeho detekciu Hallovými senzormi.

Röntgenový pohľad do magnetometra Asahi Kasei AK8974 (iPhone) - šípkou je vyznačený jeho magnetický koncentrátor

Senzory tlaku, teploty a vlhkosti

Kým ešte pred pár rokmi gyroskopy, akcelerometre a kompasy znamenali na smartfónoch poriadne nabitú výbavu, v apríli minulého roka sa to všetko zmenilo. Samsung totiž na svojej vtedajšej vlajkovej lodi Galaxy S4 predstavil senzory vlhkosti, teploty a tlaku. Zo smartfónu sa tak razom mohla stať meteorologická stanica. Tento nový trend ešte čaká na reakciu mnohých významných výrobcov smartfónov. Na modeli Galaxy S4 použil Samsung barometer BMP180 od nemeckej spoločnosti Bosch.

Ide o malý čip vo veľkosti 3,5 mm, ktorý je dobre rozpoznateľný podľa svojho kovového puzdra. V ňom je badateľná malá dierka (pozri obrázok), čo nijako neprekvapí, pretože v puzdre je digitálny tlakový senzor, ktorý musí mať kontakt s okolím. Jeho pracovný rozsah je 300 až 1100 hektopascalov (hPa), pričom pri plnej citlivosti má elektrický odber 32 μA a v šetriacom móde 3 μA. Na aktuálnom modeli Galaxy S5 ho Samsung nahradil výrazne lepším modelom LPS25H od francúzsko-talianskej spoločnosti STMicroelectronics.

Barometer STM LPS25H prekonáva svojho predchodcu prakticky vo všetkých ohľadoch. Je fyzicky menší (2,5 mm), má menší elektrický dober (25 µA pri plnej citlivosti, 4 µA pri nízkej a 0,5 µA v spánku) a navyše má väčší pracovný rozsah (260 až 1260 hPa). Teoreticky je teda schopný merať rozdiel tlaku vzduchu v rozsahu výšok +10 000/-1800 m (od hladiny mora). Z hľadiska pracovného princípu sa na smartfónoch obvykle používajú barometre v podobe miniatúrnych piezorezistívnych tlakových snímačov. Ich citlivý element pozostáva z kremíkovej membrány, ktorá má priemer len niekoľko desatín milimetra. Prehyb membrány je prakticky nulový, ale pri výrobe je jej kremík modifikovaný prímesami rôznych stopových prvkov tak, aby bol jej elektrický odpor výrazne závislý od toho, ako je materiál namáhaný. Elektrický odpor sa pri prevádzke neustále meria, čím dochádza k odčítaniu aktuálnej hodnoty okolitého tlaku pôsobiaceho na membránu.

Čipy s dierkami. Vľavo hore 2,5 mm barometer STMicroelectronics LPS25H (Galaxy S5), vedľa neho starší 3,5 mm barometer Bosch BMP180 (Galaxy S4). Dole je len 2 mm teplotný a tlakový senzor Sensirion SHTC1 (Galaxy S4) s 0,6 mm otvorom. V priečnom reze týmto čipom (vpravo dole) môžete vidieť, ako má vnútorné dielektrikum priamy kontakt s vonkajším svetom.

V prípade smartfónov stále raritné meranie teploty a vlhkosti zabezpečuje na Samsungu Galaxy S4 jeden kombinovaný čip. Ide o SHTC1 od švajčiarskej spoločnosti Sensirion, ktorý si môžete pozrieť na obrázku. Senzor sa nachádza na úzkej doske plošných spojov pri dolnom okraji smartfónu blízko konektora micro USB. Zvonku však na rozdiel od USB nie je viditeľný. Ide o malý čierny čip s veľkosťou 2 mm, ktorý na pohľad upúta svojím 0,6 mm stredovým otvorom. Ten umožňuje prístup k jeho vnútornej meracej časti, ktorá pozostáva z kondenzátora s organickým dielektrikom. Ak je okolité prostredie vlhkejšie, dielektrikum pohlcuje vlhkosť, ak je okolie menej vlhké, dielektrikum vlhkosť stráca na jeho úroveň. Ako sa mení vlhkosť dielektrika, menia sa jeho izolačné vlastnosti. Tieto zmeny sú čip meria, na základe čoho sa určuje vlhkosť okolia. Čip odmeria relatívnu vlhkosť (0 ÷ 100 %) s odchýlkou ±3 %. Teplotu meria v rozsahu -30 až +100 °C s presnosťou ±0,3 °C. Za pozornosť stojí, že nový Galaxy S5 už tento kombinovaný senzor teploty a vlhkosti nemá. Objavil sa však nový senzor tepu.

Senzor tepu

Senzor srdcového tepu bol pre mnohých ľudí zaujímavým novým prvkom, ktorý sa objavil na Samsungu Galaxy S5. Z technologického hľadiska však nejde o nič mimoriadne a v určitom zmysle sa dá povedať, že je na telefóne celkom zbytočne. Nemáme na mysli to, že pokiaľ máte hodinky a ovládate násobilku, vlastný tep si môžete rýchlo zmerať priložením prsta na krčnú tepnu, ale situáciu, že sa tento senzor dokáže so zachovaním prakticky totožnej presnosti nahradiť aktuálnymi prvkami smartfónov. Funkciu zabezpečuje malá kamera a jedna dióda emitujúca červené až infračervené svetlo.

Prvok je osadený na základnej doske vedľa klasickej osvetľovacej LED, s ktorou má spoločný otvor v zadnej časti krytu smartfónu. Systém pracuje tak, že sa svetlom ožiari priložený prst, ktorý následne sníma kamera. Koža prsta pod vplyvom tlaku krvi a pumpovania srdca jemne pulzuje, čím sa trochu mení miera odrazu svetla do kamery. Na základe toho softvér určí, aký pulz človek práve má.

Prakticky rovnaký systém sa dá dosiahnuť obyčajným priložením prsta na kameru iného smartfónu. Stačí nainštalovať aplikáciu, ktorá zmeny odrazu dokáže zaznamenať a spočítať (na Google Play ich nájdete veľké množstvo po zadaní slov Heart Rate). Pár pokusov vás rýchlo presvedčí o tom, že rozdiel medzi presnosťou samostatného senzora tepu (tvoreného obyčajnou kamerou a svetielkom) a kamerou pracujúcou s bežným svetlom či klasickou prisvetľovacou diódou prakticky neexistuje.

Smartfóny a tablety každopádne budú v najbližších rokoch pokračovať v ďalšom rozširovaní svojej multifunkčnosti. Prítomnosť senzora, ktorý konkurencia nemá, je totiž vždy pre potenciálneho kupujúceho zaujímavosť a ľudia na výhody jednoducho počúvajú. Kým v niektorých prípadoch ide o užitočné a nádherné technologické skvosty, v iných ide skôr o zbytočnosť, ktorá je prezentovaná s falošným dojmom exkluzivity. V PC REVUE sa zaujímavých technológiám, samozrejme, vždy budeme venovať. Väčšinou totiž skutočne majú čo predviesť.