Акселерометр и гироскоп в телефоне что это: Что такое гироскоп в телефоне

alexxlab 08.07.1976 Leave a comment

Содержание

Что такое гироскоп в телефоне

Новые поколения смартфонов включают в себя функции, которые могут потребовать использования гироскопа, позволяющего изменять ориентацию устройства и не только.

02 октября 2021 года Разное 3 минуты, 49 секунд читать 25

Область его применения довольно обширна, поэтому давайте ознакомимся с тем, что такое гироскоп, для чего он необходим в смартфоне и где применяется.

Гироскоп

Это встроенный датчик, который позволяет смартфону обнаруживать и измерять вращательное движение, такое как наклон и боковая ориентация объектов.

Гироскоп помогает определить, насколько сильно повернут телефон и в каком направлении. Его польза особенно ощущается во время игр на мобильном устройстве или при просмотре видео и фотографий, которые перемещаются вместе с тем, как меняется положение вашего телефона.

Гироскопические датчики могут контролировать и управлять положением устройства, ориентацией, направлением, угловым движением и вращением. К примеру, популярные приложения Pokemon Go и Google Sky Map, используют датчик для определения направления.

Впервые гироскоп установили в iPhone 4, поэтому считается, что с лучшим датчиком гироскопа поставляются айфоны.

Отличие гироскопа от акселерометра

Акселерометр — это элемент, измеряющий ускорение, а также наклон, угол наклона, наклон, вращение, вибрацию и столкновение устройства. Как и гироскоп, он обеспечивает функциональность смартфона и упрощает его использование.

Гироскоп и акселерометр тесно взаимодействуют в сочетании с операционной системой смартфона и специальными программными приложениями. Первый высчитывает угол наклона смартфона относительно поверхности и передает информацию в ОС, а второй выполняет точные вычисления ускорения. Благодаря им гаджеты справляются с функцией шагомеров.

В целом современные телефоны оснащены гироскопом и акселерометром, чтобы экран смартфона случайно не поворачивался во время передвижения. Также датчики предназначены для определения вашего устройства в пространстве.

Применение гироскопа в смартфонах

Графический интерфейс для определения движения

Гироскоп в смартфоне предоставляет графический интерфейс, позволяющий пользователю выбирать меню, наклоняя телефон.

Это также позволяет запускать предустановленные команды для различных движений. Например, можно встряхнуть телефон, чтобы его заблокировать или слегка отклонить устройство для перехода в начало и конец вашего списка контактов.

В приложении калькулятор при повороте смартфона на 90 градусов представлен широкий выбор различных тригонометрических функций.

Ответить на звонок/открыть веб-сайт

На некоторых смартфонах датчик гироскопа обеспечивает возможность отвечать на звонки или открывать сайт с помощью таких команд, как вращение, легкое встряхивание телефона 2-3 раза и т.д.

Стабилизация изображения

Стабилизация – функция гироскопа, которая выравнивает изображения и при этом не портит качество снимков. Это позволяет телефону получить более четкие фотографии и устраняет дрожание при записи видео.

При помощи гироскопа GPS помогает автомобилю ориентироваться в туннелях или подземных дорогах при потере сигнала сети.

Датчик движения в игровом процессе

Выпуская iPhone 4, Apple сделала гироскоп ключевым механизмом в играх с движением. Датчик позволяет владельцу использовать свой гаджет в различных играх как рулевое колесо при управлении автомобилем или самолетом, проводить поединки, отыскивать персонажей и многое другое.

Просмотр визуального контента

Благодаря работе встроенного датчика, людям стало удобнее смотреть видео на YouTube и просматривать фотографии.

Главным недостатком гироскопа является нежелательный поворот экрана во время изменения позы человека, допустим, при чтении или просмотре изображений. Для этого предусмотрено простое решение — отключение функции автоповорота в настройках смартфона, которая отвечает за смену ориентации экрана.

Как откалибровать гироскоп

Гироскоп по умолчанию встроен во все смартфоны и всегда активен, поэтому его нельзя включить или отключить, а также невозможно настроить самостоятельно. В этой ситуации возможно лишь настроить или откалибровать акселерометр, включив или выключив функцию поворота экрана.

Заключение

Смартфоны — это сложные маленькие машины, которые за последнее десятилетие совершили невероятную эволюцию. Теперь они способны предвидеть наши потребности, отслеживать наши движения, а также могут работать в качестве личного помощника,

Изо дня в день наши гаджеты становятся умнее — и нам определенно нужно учесть, насколько важную роль в этом играют датчики.

Что такое гироскоп в смартфоне, для чего нужен и отличие от акселерометра

Для каждого современного смартфона обычным делом является оснащение различными датчиками. К примеру, в смартфонах датчики отвечают за освещенность, приближение, магнитометрию, ускорение, приближение, измерение расстояния. Кроме того, смартфоны оснащаются акселерометрами и гироскопами. Вот о последнем мы и поговорим, поскольку многих интересует – что такое гироскоп, который зачастую работает в тандеме с акселерометром, а также – как им пользоваться?

Примечательно, что гироскоп был изобретен еще в середине XIX столетия французским ученым Леоном Фуко. С помощью изобретенного им гироскопа Фуко проводил наблюдения суточного вращения Земли. Что касается современных гироскопов, они применяются не только для того, чтобы определить вращение тела. Их основное предназначение – определить угол отклонения определенного тела по отношению к плоскости. Очень часто в смартфонах гироскоп работает в паре с акселерометром, благодаря чему можно отслеживать и фиксировать движение, причем в данном случае это касается трехмерного пространства.

Интересно, что первый смартфон, в спецификациях которого фигурировал гироскоп, стал «яблочный» гаджет iPhone 4. А, поскольку очень часто компания Apple выступает в роли законодателя моды, многие производители мобильных аппаратов подхватили идею и стали также оснащать свои смартфоны гироскопом. Справедливости ради стоит заметить, что применение гироскопа является не просто трендом, когда практическая польза вызывает сомнение. Применение гироскопа на самом деле привнесло пару совершенно новых и интересных возможностей. Как уже было сказано, в смартфонах гироскоп как правило применяется вместе с акселерометром, благодаря чему устройство становится более чувствительным к изменению положения, к примеру, это касается наклона, поворота и прочих даже самых незначительных движений. Такое оснащение с определенным программным обеспечением может обеспечить защиту смартфона во время его падения или удара.

Рентген гироскопа в iPhone 4

Кроме того, чтобы можно было полноценно взаимодействовать с гарнитурой виртуальной реальности гироскоп является просто незаменимой вещью, поскольку с его помощью происходит определение движения смартфона во всех направлениях. Иными словами, для того, чтобы нормально взаимодействовать с виртуальной реальностью, необходимо точное определение человека в пространстве, для чего собственно и нужен гироскоп. И, несмотря на то, что на сегодняшний день даже недорогие аппараты оснащена акселерометром, но для работы с приложениями виртуальной реальности его датчиков недостаточно по причине многих погрешностей и невозможности определения поворотов и движения в горизонтальной плоскости. Для наиболее эффективного погружения в виртуальную реальность требуется как акселерометр, так и гироскоп.

По своей сути, гироскоп в смартфоне является микроэлектромеханическим преобразователем угловых скоростей в электрический сигнал. Иными словами, в способность гироскопа входит расчет изменения угла наклона по отношению к оси в процессе поворота смартфона. Гироскоп относится к такому типу микроэлектромеханических систем (МЭМС), в которых присутствует как механическая, так и электронная часть. Размер такого чипа в среднем достигает нескольких миллиметров или даже меньше.

Между тем, современные мобильные аппараты оснащены гироскопом в основном для того, чтобы улучшить качество игры. Чтобы играть в гонку или другую игру на смартфоне уже не нужны виртуальные джойстики. Управление автомобилем или вертолетом можно осуществлять, просто изменяя положение смартфона в пространстве – наклоняя его вправо или влево, на себя или от себя, а также вперед или назад, держа его горизонтально. Гироскоп также умеет определять скорость, с которой аппарат перемещается. К примеру, для того, чтобы управлять игрой, можно воспользоваться не только поворотом смартфона, но и скоростью поворота. Благодаря этому не только играть, но и управлять смартфоном в целом можно более точно и удобно.

Вдобавок ко всему, гироскоп в смартфоне можно использовать для того, чтобы определить текущее местоположение на местности. С помощью смартфона, в оснащение которого входит гироскоп удобно определять направленность движения. В частности, это можно сделать с помощью GPS-навигации, когда карту можно повернуть в нужную сторону. Это можно сделать, просто повернувшись со смартфоном в руках в нужную сторону по отношению к искомому объекту, например, населенному пункту – карта также повернется в нужную вам сторону. Познавательную статью о том, какая разница между GPS и A-GPS вы найдете на нашем портале.

Чем отличается акселерометр от гироскопа

Между тем, раз уж мы упомянули об акселерометре, не вдаваясь в лишние подробности, коротко отметим, в чем заключается основное отличие акселерометра от гироскопа. Если коснуться основных отличий акселерометра и гироскопа, то стоит упомянуть о принципе их работы. В случае с гироскопом происходит вычисление угла наклона по отношению к земле, в то время как в возможности акселерометра входит подсчет собственного ускорения, также – относительно к земле. Как показывает практика, оба этих аппаратных компонента могут служить как поодиночке – хотя в некоторых случаях недостаточно эффективно – так и дополнять друг друга. Поэтому на сегодня подавляющее большинство смартфонов получают в оснащение как гироскоп, так и акселерометр.

В заключение стоит отметить, что некоторые пользователи предпочитают отключить гироскоп на смартфоне. Обусловлено это тем, что многие программы могут реагировать на изменение положение в пространстве с некоторым запозданием. Например, при просмотре картинок или фотографий, ориентация страницы может меняться при малейшем изменении положения тела, что может нервировать.

Гироскоп или акселерометр? — ITC.ua

После выхода iPhone 4 многие много внимания было уделено новому дисплею, корпусу и прочим важным вещам. И лишь мимоходом отметили замену акселерометров на гироскопы для улучшения управления в играх. В своей статье для «Компьютерного обозрения» я отметил этот момент, в следствие чего даже консультировал одного из читателей. Почему бы не уделить этому моменту внимание и не разобраться зачем одни датчики были заменены на другие и чем они собственно отличаются?

Начнем с того, что и акселерометры и гироскопы являются инерционными датчиками. Акселерометры (лат. accelero — ускоряю и μετρέω — измеряю) — приборы, предназначенные для имерения проекции кажущегося ускорения.

Простейшая модель акселлерометра

В данном случае русская Википедия дает на удивление неплохое определение. В случае с мобильными телефонами датчики реагировали на изменение вектора ускорения свободного падения и все последующие действия исходили из этого.

Условная схема определения положения устройства в пространстве с применением двух акселлерометров

Точность в результате была довольно низкой, так как угол поворота устройства в пространстве напрямую измерить таким образом невозможно, лишь примерно оценить. На практике это выражалось в задумчивости поворота экранов, ложных срабатываниях и т.д. Какие же преимущества дает гироскоп и чем он собственно отличается?

Определение на Вики настолько далеко от общего, что обратимся к первоисточнику.

Впервые определение гироскопу дал Леон Фуко, назвавший так свой прибор, с помощью которого он наблюдал суточное вращение Земли. В Большой Советской Энциклопедии приводится следующее «Гироскоп — быстро вращающееся твердое тело, ось которого может изменять свое направление в пространстве». В современных гироскопах могут происходить разнообразные физические процессы, не обязательно основанные на вращении твердого тела. Хотя и классические гироскопы все еще применяются.

Примеры гироскопов. Банальный волчок по своей природе является гироскопом.

Примером классического гироскопа является ротор в кардановом подвесе. При вращении ротора он будет сохранять неизменным свое положение в пространстве независимо от движения основания. Таким образом можно измерять угол поворота основания, а соответственно и корабля/самолета etc. Именно по гирокомпасам ходят суда и летают самолеты, не полагаясь на примерные показания магнитного компаса, особенно в полярных широтах, а данные о положении самолета в пространстве получаются с гировертикали и гирогоризонта.

Естественно, классический гироскоп не может применяться в электронике. Для этого используются вибрационные микромеханические гироскопы — датчики угловой скорости. Чувствительный элемент таких приборов закреплен, при попытке его поворота возникает кориолисова сила, пропорциональная угловой скорости. Не вдаваясь в подробности работы, которые вряд ли будут кому-то интересны скажем, что выходным сигналом ДУС является напряжение, пропорциональное угловой скорости. Такие датчики имеют небольшие габариты (около 10x10x2 мм) и могут быть легко интегрированы в печатную плату.

Мировым лидером в производстве таких датчиков является компания Analog Devices, датчик которой изображен на рисунке. Можно с большой долей вероятности утверждать, что именно датчики этой компании установлены в iPhone 4.

Преимущества очевидны. В любой момент времени можно знать положение телефона в пространстве. В играх для управления можно использовать не только поворот устройства, но и скорость поворота, что позволяет организовать более точное и реалистичное управление.

Надеюсь, этот небольшой экскурс в теорию и практику гироскопов вас не утомил, а лишь еще раз подчеркнул, что современный мобильный телефон крайне сложное устройство, в котором применяются технологии ранее доступные только авиационной и космической промышленности. А мы тем временем не брезгуем ими открывать пивные бутылки.

Изображения датчиков взяты с сайта представительства Analog Devices в СНГ и странах Балтии

Всё, что нужно знать о датчиках в вашем смартфоне | Технологии

Для чего нужны и как работают акселерометр, гироскоп, магнитометр и GPS.

Ваш смартфон — настоящее произведение инженерного искусства. Он сочетает в себе функции по меньшей мере десятка разных гаджетов. И большей частью своих удивительных возможностей он обязан разнообразным сенсорам. Но каким именно и как они устроены?

Как телефон подсчитывает ваши шаги? Расходует ли GPS ваш трафик? На какие датчики нужно обратить внимание при выборе нового телефона? Вот все, что вам нужно знать о современном смартфоне.

Акселерометр

Один из наглядных примеров работы акселерометра — анимированные стикеры Snapchat

Акселерометр отслеживает изменение скорости движения устройства и его повороты вокруг своей оси. Такие датчики устанавливаются не только в телефонах, но и в фитнес-трекерах — именно с их помощью смартфон может подсчитывать ваши шаги, даже если у вас нет никаких носимых гаджетов.

Анализируя данные акселерометра, приложения могут определить, в какую сторону направлен телефон, — эта технология находит все более широкое применение с распространением дополненной реальности.

Существуют различные типы акселерометров, но самый распространенный — пьезоэлектрический. В таких акселерометрах сенсор представляет собой микроскопический кристалл, который деформируется под действием сил ускорения. При этом кристалл вырабатывает электрический ток. Анализируя силу тока, система определяет, как быстро и в каком направлении движется ваш телефон. Поэтому Snapchat добавляет на карту забавный стикер с автомобилем, когда вы используете приложение за рулем.

Всё, чего вы не знали о Wi-Fi

Акселерометр является одним из самых важных датчиков вашего телефона: без него вы не могли бы пользоваться автоматическим поворотом экрана, а навигационные приложения не могли бы определять текущую скорость.

Гироскоп

Гироскоп дает точные данные о положении смартфона в пространстве, что бывает полезно в играх и при создании 360-градусных фотографий

Гироскоп помогает акселерометру с гораздо более высокой точностью определить, как именно ваш телефон ориентирован в пространстве. Поэтому 360-градусные панорамы выглядят так впечатляюще.

Всякий раз, когда вы запускаете на смартфоне гоночный симулятор и наклоняете экран, чтобы повернуть руль, именно гироскоп помогает приложению понять, что вы делаете. Поскольку при этом вы не перемещаетесь в пространстве, этих условий было бы недостаточно недостаточно для работы акселерометра.

Гироскопы используются не только в телефонах. Их можно найти в самолетах, где они помогают определить высоту и положение, и в системах стабилизации, которые позволяют фото- и видеокамерам делать плавную съемку в движении.

10 странных, но полезных аксессуаров для iPhone

Старые гироскопы, которые еще можно найти в самолетных высотомерах, используют механическое движение маховика, но гироскоп в вашем смартфоне представляет собой микроэлектромеханическую систему (МЭМС) — крошечный инерциальный датчик, который может поместиться на печатной плате.

Впервые МЭМС-гироскопы были использованы в iPhone 4 в 2010 году — и произвели фурор: никогда еще телефон не умел определять свою ориентацию в пространстве с такой точностью. Сегодня мы считаем это чем-то само собой разумеющимся.

Магнитометр

Именно благодаря магнитометру работает компас в вашем телефоне.

Последний из трех главных датчиков, ответственных за определение положения телефона в пространстве, — это магнитометр. Его название говорит само за себя: он регистрирует магнитные поля и таким образом может определить, в каком направлении находится север.

Когда вы включаете режим компаса на Картах Apple или в Google Maps, именно магнитометр определяет, как нужно развернуть карту. Существуют и отдельные приложения, которые эмулируют работу компаса.

Магнитометры также можно найти в металлодетекторах — они могут обнаруживать магнитные металлы. Существуют даже приложения-металлодетекторы для смартфона!

Сам по себе этот датчик мало на что способен, но если соединить его показания с данными, поступающими с акселерометра и модуля GPS, можно точно определить ваше расположение, что очень полезно при построении маршрутов.

GPS

Спутники GPS всегда знают, где находится ваш телефон.

Ах, GPS, где бы мы были без тебя? Вероятно, блуждали бы где-то в глуши, проклиная день, когда решили сменить бумажные карты, компас и секстант на электронные устройства.

GPS-модуль в вашем телефоне связываются со спутниками на орбите, чтобы определить, где именно на поверхности планеты вы находитесь. Для этого даже не нужна сотовая сеть: если ваш телефон потерял сигнал, вы все равно можете видеть свое местоположение, хотя загрузить подробную карту вам, скорее всего, не удастся.

Фактически телефон поочередно связывается с несколькими спутниками, а затем вычисляет, где вы находитесь, по задержке сигнала. Если связаться со спутниками не удается, — например, когда вы находитесь в помещении или под очень плотной облачностью, — определить ваше положение не получится.

Вся правда об iPhone: Как создавался легендарный смартфон

GPS не расходует трафик, но связь со спутниками и вычисления могут сильно сказаться на заряде батареи, поэтому многие руководства рекомендуют отключать GPS-навигацию, чтобы дольше оставаться на связи. По этой же причине модуль GPS обычно не включается в более мелкие устройства — например, в большинство смарт-часов.

GPS— не единственный способ определить ваше положение на карте: его можно приблизительно установить по расстоянию до сотовых вышек. Однако высокой точности без него не добиться. Современные GPS-модули объединяют данные от спутников с показаниями компаса и уровнем сигнала сети, чтобы определить ваше местоположение с точностью до нескольких метров.

Лучшие из остальных датчиков

Если хотите, ваш телефон будет регулировать яркость экрана в соответствии с окружающим освещением.

Конечно, датчиков в вашем телефоне гораздо больше — но эти четыре, пожалуй, можно назвать самыми важными. Многие телефоны, в том числе iPhone, также имеют встроенный барометр, который измеряет давление воздуха. У него есть множество применений — от предсказания погоды до расчета высоты, на которой вы находитесь.

Еще есть датчик расстояния: обычно расположен рядом с верхним динамиком. Он позволяет телефону определить, когда вы подносите телефон к уху, чтобы отключить экран. Датчик состоит из инфракрасного светодиода и детектора отраженного света.

Датчик освещенности выполняет именно ту функцию, которую можно предположить судя по его названию: измеряет освещенность в помещении и соответствующим образом настраивает яркость экрана (если вы разрешите такую автоматическую настройку).

Как и остальные технологии, используемые при производстве смартфонов, эти датчики становятся все меньше, умнее и энергоэффективнее. В телефонах, выпущенных пять лет назад, тоже есть датчики GPS, это не значит, они работают так же точно, как последние модели. А если вспомнить о постоянной оптимизации программного обеспечения, становится ясно, почему так важно регулярно обновлять свои гаджеты — пусть даже эти датчики никогда не упоминаются в рекламе.

Подготовила Евгения Сидорова

📱 Гироскоп в телефоне: возможности и преимущества

Что такое гироскоп: теоретический экскурс в физику

Для начала, давайте разберёмся, как гироскоп появился на свет и чем он является в классическом научном понимании. Первый полноценный образец аппарата был представлен в 1817 году немецким учёным-астрономом Иоганном Боненбергом. Термин же «гироскоп» (от греческих слов «круг» и «смотреть») был внедрён французским исследователем Жаном Фуко в 1852 году. Визуально герой нашего обзора похож на схематичный макет, изображающий вращение как планеты вокруг своей оси, так и её спутников (недаром открытие имеет астрономические «корни»). В центре прибора расположен элемент, близкий по внешнему виду к простому волчку, а вокруг него с определённой скоростью движутся в нескольких плоскостях два или более колец.

[show/hide]

Принцип данного изобретения состоит в следующем: во время вращения «волчок» сохраняет постоянное положение центральной оси, пока не испытает различные действия со стороны внешних сил. Следовательно, вы можете использовать в качестве объекта, расположенного в центре, любое твёрдое тело, точно определяя его положение в пространстве. Эта функция, в первую очередь, полезна при навигации, поэтому наиболее широкую популярность гироскоп приобрёл в авиации, судоходстве, а также космической отрасли.

Применение гироскопов в смартфонах: история появления и особенности работы

Помимо навигации, эта технология нашла своё место и среди мобильных устройств. «Первопроходцем» установки подобных датчиков в свои продукты стала легендарная американская компания Apple. Произошло это знаменательное событие в 2010 году, когда свет увидел знаменитый телефон IPhone 4. В дальнейшем применение технологичного оборудования превратилось из «диковинки» в обыденность. В 2019 году трудно найти смартфон, не снабжённый подобным чипом.

Появление новой «фишки» открыло путь в массы сотням разработчиков полезных и развлекательных программ различного уровня. Конечно, в электронных изделиях гироскоп преобразовался из громоздкой конструкции в миниатюрную микросхему – иначе он попросту не поместился бы в компактном корпусе. Соответственно, изменился и принцип, по которому распознаются угловые изменения положения гаджета в пространстве и иные движения. Внутри элемента расположены специальные грузики, смещения которых фиксируются процессором, преобразующим механические импульсы в электрические.

Различия между гироскопом и акселерометром – такие разные «братья»

Прежде чем перейти к дальнейшему анализу героя нашего обзора, стоит упомянуть о «родственном» чипе, который встречается в телефонах даже чаще гироскопа – об акселерометре. Его основная функция – измерение ускорения относительно точки, в которой изначально был расположен объект. В этом и состоит главное отличие двух популярных чипов. Но давайте рассмотрим различия более подробно:

Акселерометр	Гироскоп
Измеряет расстояние, на которое был перемещён прибор в пространстве	Рассчитывает угловое отклонение тела в трёх плоскостях
Необходим для расчёта размеров, но бесполезен при вращении и перемещении самого гаджета	Важен для измерений, связанных с вращением и углами, но не измеряет расстояние

Портативный и полезный гироскоп: на что способно это оборудование в телефоне

«Теория, это, конечно, хорошо, но как я смогу использовать такое приспособление на практике?» — спросит наш читатель. И наша редакция готова перейти от скучной науки к рассказу о реальном применении оборудования в современных условиях. Поехали!

Автоматический поворот экрана

Наиболее популярной и заметной функцией является автоматическое изменение расположения изображения на экране. Вертикальный режим, можно сказать «повседневный», удобнее для общения и иных простых действий. Но для комфортного веб-сёрфинга, мобильных игр, просмотра фильмов и сериалов куда удобнее горизонтальное (ландшафтное) расположение экрана. За переключение между двумя этими состояниями и как раз отвечает гироскоп.

Функцию автоповорота можно отключить, если на текущий момент в ней нет потребности

Управление телефоном при помощи движений

Эта опция используется не столь часто. Однако она удобна в час пик в переполненном транспорте или при банальной нехватке времени. Вам достаточно лишь встряхнуть аппарат для ответа на звонок, переключения трека в плеере или иных действий, в других условиях требующих полноценных действий обеими руками.

Единственным недостатком такой «фишки» является вероятность случайного срабатывания во время быстрых перемещений

Навигационные программы

Как мы уже говорили ранее, изначально гироскопы использовались в навигационных системах самолётов, кораблей и иных средств передвижения. Из этой сферы инженеры и перенесли удобную функцию в портативные устройства. Запомните, спутники GPS, ГЛОНАСС или BeiDou будут «сотрудничать» с вашим аппаратом только при наличии встроенного датчика! Также существуют десятки программ, превращающих телефон в компас – без героя нашего обзора их эффективность была бы равна нулю.

Программы для измерений

Если вы работаете в сфере строительства, то нередко сталкиваетесь с таким инструментом, как уровень. Он необходим для определения ровности поверхности. При отклонении в ту или иную сторону будет увеличиваться нагрузка на материал, а также элемент приобретёт неэстетичный внешний вид. Поскольку гироскоп измеряет углы, скачав соответствующую программу из Play Маркета или App Store, вы сможете превратить мобильный телефон в строительный уровень – это очень удобно и практично.

В некоторых случаях расчёты программы могут давать более точные цифры, чем физические измерения инструментом

Цифровые развлечения

В обзоре нельзя не упомянуть про любимые всеми игры и весёлые приложения для поднятия настроения. Многие приобретают смартфоны не только для работы и связи, но также и для всевозможных развлечений. И здесь прибору есть, где разгуляться. Наклонами гаджета можно управлять рулём в гоночных играх или перемещениями протагониста в зажигательных шутерах. Есть даже приложения, полностью построенные на физике изменения углов. Самым популярным примером является Doodle Jump.

Управление при помощи движений не только усиливает впечатления от процесса прохождения, но также улучшает реакцию и координацию игрока

Недостатки датчика

К сожалению, даже у столь технологичного оборудования имеется ряд досадных недостатков, мешающих некоторым пользователям полноценно пользоваться всеми достоинствами. Вот наиболее заметные из них:

незапланированное изменение ориентации экрана с «портрета» в «ландшафт» во время резких движений;
при длительном использовании возникают погрешности в расчётах, связанные с воздействием внешних факторов (например, сторонние вибрации или колебания температур). Со временем это может привести к ошибкам в правильном определении положения аппарата в пространстве.
поскольку сенсор не способен измерять пройденное расстояние, без акселерометра его польза в определённых приложениях значительно снижается.

Чтобы выявить погрешность, достаточно сравнить значения с несколькими точно откалиброванными телефонами

Как узнать о наличии в смартфоне гироскопа

В 2019 году трудно найти человека, у которого бы не было мобильного средства связи. Но думаем, что каждый из наших читателей хотел бы знать, есть ли в его гаджете подобное оборудование. Для этого существует два наиболее распространённых способа:

Найти на официальном сайте производителя характеристики вашего электронного помощника и прочитать в них соответствующий раздел.
Если на сайте отсутствует интересующая нас информация (именно отсутствуют сведения, а не указано, что гироскоп не установлен в нашем устройстве), необходимо воспользоваться сторонними программами, которые анализируют работу основных и вспомогательных модулей системы. Лучшим выбором среди всего многообразия предложений является знаменитая программа AnTuTu Benchmark либо более узкоспециализированный продукт Sensor Sense.

Можно попробовать найти данные на страницах онлайн-магазинов, но это менее надёжный источник информации

Чтобы определиться с наличием модуля, достаточно найти соответствующий пункт – информация в данном случае точная

Управление гироскопом и его калибровка – возможны ли эти действия в телефоне

Сразу скажем – стандартными средствами вы не сможете изменить настройки, заложенные производителем в этот датчик. Вы можете только включить или отключить определённую функцию, напрямую связанную с гироскопом – автоповорот экрана. Делается это следующим образом (для примера возьмём ОС Android, телефон фирмы Xiaomi):

Описание действия	Иллюстрация
Заходим в меню и находим пункт «Настройки»
Выбираем либо раздел «Экран» (как в нашем случае), либо «Дополнительные возможности»
Находим пункт «Автоповорот экрана» и выбираем нужное нам значение (вместо «ползунка» может быть «галочка»)

Полностью гироскоп вы не сможете включить или выключить. Что же касается калибровки – некоторые программы, например, упоминаемая нами ранее Sensor Sense или штатная система на смартфонах Meizu, предлагают данную опцию. Но это, скорее, исключение, нежели правило.

Будьте осторожны, настраивая работу прибора – подобные действия под силу только опытным пользователям Android и iOS

Выводы

Подводя черту под всем, что мы сегодня исследовали и проанализировали, хочется сказать, что потенциал гироскопов раскрыт ещё далеко не на все 100%. С каждым годом появляется всё больше решений для применения подобного чипа. Особенно интересным видится внедрение их в VR-шлемы и очки, постепенно набирающие популярность по обе стороны океана. А пока что пользуйтесь удобными и доступными опциями, которые предоставляет модуль сегодня.

Гироскоп в смартфоне: что это и зачем нужен? | AndroidLime

Гироскоп — один из многих современных датчиков, без которых сложно представить работу смартфона. Область применения этого датчика в телефоне достаточно обширна. Полноценный гироскоп визуально напоминает юлу внутри нескольких обручей. Ввиду габаритов такая конструкция не может быть установлена в гаджете, поэтому ее заменили на датчик, основанный на микроэлектромеханической системе.

Что такое гироскоп?

Гироскоп в современном телефоне — датчик, который позволяет автоматически менять ориентацию экрана в зависимости от положения смартфона.

Впервые гироскоп был установлен в iPhone 4, благодаря чему устройство обрело новый полезный функционал. С датчиком пользователи получили возможность, например, перелистывать страницы и переключать треки в плеере встряхиванием смартфона.

Для включения датчика на устройствах с операционной системой Android 4.0 KitKat и выше достаточно выкатить шторку уведомлений и активировать опцию автоповорота экрана.

Акселерометр и гироскоп

Как правило, современные телефоны оснащены этими датчиками в паре. Принцип их работы хоть и похож, но не дублируется. Акселерометр измеряет ускорение объекта при перемещении, в то время как гироскоп измеряет угол отклонения аппарата относительно разных плоскостей.

Функции гироскопа в смартфонах

Гироскоп вывел игровой процесс на новый уровень. Вращая устройство в пространстве, пользователь может управлять автомобилем, вести игровой поединок, искать персонажей и многое другое.

Если говорить о стандартных приложениях, наиболее показательными преимущества гироскопа выглядят, например, в приложении калькулятор. В портретной ориентации пользователю доступны стандартные действия: сложение, вычитание, умножение и деление. Повернув телефон на 90 градусов, можно получить большой выбор тригонометрических функций на все случаи жизни.

Разумеется, с автоматической работы датчика гораздо удобнее смотреть видео в YouTube и листать фотографии. Еще датчик можно использовать, чтобы сделать из телефона строительный уровень — для этого нужно скачать специальное приложение.

По сути, недостатков у гироскопа нет. Конечно, иногда появляется дискомфорт при просмотре картинок или чтении, когда при изменении позы человека и устройства возможны нежеланные изменения ориентации экрана. Решение простое — отключить автоповорот в настройках.

Первоисточник: AndroidLime.ru

Гироскоп в смартфоне — для чего он нужен

А Вы знали, что в Вашем смартфоне есть гироскоп?! А Вы думали он просто так автоматически поворачивает экран при изменении положения телефона в пространстве? Как бы не так. За это отвечает встроенный гироскоп — специальное устройство, которое способно реагировать на изменение углов ориентации аппарата в пространстве относительно инерциальной системы отсчета. Гироскопы уже достаточно давно применяются в различных сферах — авиация, судоходство, космонавтика. В последнее время из-за удешевления их стали использовать в разной бытовой технике и даже в игрушках.

История создания гироскопа

Принято считать, что создатель гироскопа — немецкий математик и астроном Иоанн Боненбергер. В 1817 году он опубликовал описание своего изобретения, согласно которому гироскопа Боненбергера представлял собой вращающийся массивный шар на карданном подвесе.

Немного позже, в 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон представил свою версию гироскопа — уже с вращающимся диском. Впервые как прибор, он был использован в 1852 году французским учёным Фуко для отображения изменения направления в пространстве. Надо отметить, что именно Фуко и назвал прибор «гироскоп». А вот в промышленности он впервые был использовал в 1880 году и использовался для стабилизации курса торпеды.

Кстати, самый простой пример бытового гироскопа — это обычный волчок. И хотя между ними нельзя поставить знак равенства, и гироскоп, и волчок — это физические тела, способные быстро вращаться вокруг своей оси симметрии и имеющие неподвижную точку. Они оба обладают способностью устойчиво сохранять при вращении направление своей оси в пространстве.

Для чего нужен гироскоп в телефоне?

Как я уже сказал ранее, в настоящее время гироскоп применяется достаточно широко. В том числе и в мобильных гаджетах — телефонах и планшетах.

Началось всё с мобильных игр, которые благодаря использованию гироскопа становятся значительно интересней и увлекательнее. Затем производители стали добавляться разные функции, которые активировались с помощью поворота или встряхивания. Например, подняв телефон, можно вывести его из ждущего режима, а встряхиванием — ответить на звонок.

Сейчас практически невозможно найти современный смартфон или планшет на ОС Android или iOS, который не имеет встроенного гироскопа. Благодаря ему работает автоматический поворот изображения на экране.

Чем отличается гироскопа от акселерометра

Многие современные мобильные девайсы имеют не только встроенный гироскоп, но ещё и акселерометр. Некоторые люди почему-то путают эти два устройства, хотя их принципы работы достаточно сильно отличаются. Один определяет угол своего наклона. Другой — высчитывает собственное ускорение. Акселерометр сейчас активно применяют в фитнес-браслетах для подсчёта пройденного расстояния.

И да, оба устройства используют в качестве точки отсчёта поверхность земли. Но вот заменить одним другое — нельзя. Потому, на практике, в телефоне могут использоваться сразу два устройства — и гироскоп, и акселерометр, которые достаточно удачно дополняют друг друга.

Что делают гироскоп и акселерометр в моем мобильном устройстве? | пользователя d‘wise one | Chip-Monks

Мы покажем вам еще одну грань того, как он творит чудеса.

Гироскоп — чрезвычайно сложный маленький механизм, который нашел множество разнообразных применений благодаря своей способности обеспечивать упрощенные и точные измерения ориентации.

Гироскоп отвечает за поддержание баланса / ориентации и сопротивляется изменениям, исправляя любое угловое смещение, тем самым обеспечивая контроль устойчивости.

Сложно? Проще говоря, он измеряет угол и определяет свою ориентацию настолько точно, что используется для внесения поправок в этот угол. Думайте об этом как о версии Complex Physics магнитного компаса.

Гироскоп получил известность в ходе экспериментов французского физика Леона Фуко, который использовал его для объяснения вращения Земли. В настоящее время он используется для многих критически важных приложений, таких как поддержание ориентации самолетов, ракет и космических кораблей, а также для других приложений потребительского уровня в смартфонах, таких как возможность управления жестами на мобильных устройствах среди множества других разнообразных реализаций.

Гироскоп в своей простейшей форме представляет собой ротор на оси вращения, заключенный в рамку для минимизации внешних крутящих моментов, называемую подвес , и внешнюю гироскопическую рамку.

Прецессия (нет, мы не ошиблись в слове «точность» — это другое дело, хотя этимологически говоря, может просто иметь свое происхождение от Прецессии!) — это действие гироскопа, которое поддерживает ориентацию оси вращения. даже после приложения внешних сил, дезориентирующих ось вращения; поэтому, когда к оси вращения прикладывается деформирующая сила, вместо вращения самой оси она вращает структуру, окружающую металлический диск.

На диаграмме выше видно, что наклон не изменил направление ротора и был компенсирован подвесом. Вращение ротора означает, что любое изменение ориентации одинаково влияет на все точки ротора, заставляя ротор вращаться на фиксированной оси.

Это называется прецессией, и она создает фиксированную ориентацию даже после приложения внешних сил, дезориентирующих ось вращения. Если приложена внешняя сила, ось вращения передает отражений (отсюда и английское слово) этой силы на ротор, который, в свою очередь, передает силу на внешний каркас (карданный шарнир), заставляя его вращаться под прямым углом к ротору. приложенная начальная внешняя сила поддерживает форму оси вращения, тем самым сохраняя ориентацию.

Прецессия — это то, что поддерживает ориентацию оси вращения и, таким образом, помогает в ряде областей, таких как навигация беспилотных летательных аппаратов, управление вашими устройствами, космическими шаттлами и т. Д., А также использовалась производителем мотоциклов для изобретения двухколесного велосипеда, который использует два гироскопа, чтобы оставаться в вертикальном положении.

Если вы установите два гироскопа с их осями под прямым углом друг к другу на платформе и поместите платформу внутри набора карданов, платформа останется полностью жесткой, так как карданы могут свободно вращаться по любой оси.Это заставляет использовать инерциальные навигационные системы (INS) в беспилотных транспортных средствах.

Большие гироскопы также используются для стабилизации лодок и даже спутников во время их полета!

Хорошо, теперь, когда вы понимаете, как работает гироскоп, давайте подробнее рассмотрим вариант, используемый в ваших мобильных устройствах.

В наших мобильных телефонах гироскоп называется гироскопом для микроэлектромеханических систем ( MEMS). гироскоп. Он отличается от описанного выше механического, хотя принцип остается прежним.

МЭМС-гироскопы компактны и содержат небольшие встроенные микросхемы. Датчики регистрируют изменение углового смещения, в то время как ток генерируется за счет вибрационного действия гироскопа и передается в жизнеспособной форме, чтобы предупредить пользователя.
Это была бы простая демонстрация обнаружения движения в наших смартфонах.

Гироскоп в телефоне позволяет определять линейную ориентацию телефона и автоматически поворачивать экран. В то время как гироскоп заботится о вращательной ориентации, именно акселерометр определяет линейные изменения относительно системы отсчета устройства.

Акселерометр — это устройство, используемое для измерения силы ускорения, вызванного ли гравитацией или движением.

Груз (M) прикреплен с помощью пружины (K) и в состоянии покоя находится в положении «0» (покой). Если вы потянете рамку вправо, масса будет оставаться неподвижной в течение некоторого времени, а затем будет двигаться вместе с движением. Эта задержка фиксируется и преобразуется в ускорение.

Рассмотрим корпус, который удерживает сейсмическую массу на пружине. В зависимости от того, идет ли устройство вверх или вниз, сила тяжести будет создавать смещение, которое либо сжимает пружину, либо расширяет ее.В зависимости от степени и характера изменения пружины мы можем сказать, движется телефон вверх или вниз.

Располагая такое устройство по всем трем измерениям в пространстве (одно по осям x, y и z), мы можем сказать, на какой стороне находится устройство, в то время как гироскоп заботится о наклоне и углах. Акселерометр определяет движение и смещение силы тяжести, что делает его идеальным инструментом для точной регистрации изменений в движении и ориентации движения.

Давайте рассмотрим пример игры на WII , чтобы понять это дальше.
Когда вы играете в гольф с помощью контроллера WII, акселерометр фиксирует ваше движение поворота и преобразует его в снимок экрана. Ускорение, с которым вы поворачиваете контроллер WII, будет регистрироваться в силе вашего удара и переводиться в расстояние, на которое мяч проходит по траве, в то время как угол движения преобразуется в направление, в котором мяч будет двигаться.

Вместе акселерометр и гироскоп могут определять ориентацию устройства и скорость его ускорения.Пейзаж против портрета? — Наши предпочтения по ориентации экрана, как телефон чувствует, что он на боку? Ответом на этот вопрос является технология MEMS (микроэлектромеханические системы гироскопа), интегрированная в небольшой чип, хорошо установленный на материнской плате устройства.

Тактично расположенный корпус и масса позволяют одновременно считывать данные во всех измерениях, а гироскоп сохраняет ориентацию в форме. Как только возникает смещение, указывающее на ускорение в определенном направлении, с вибрационным движением, вызванным гироскопом, образуется падение потенциала, генерирующее ток, который уходит в схему, чтобы сообщить остальной части устройства, как реагировать. .

Таким образом, устройство точно знает, где оно находится.

Некоторые другие места, где они вступают в игру, встроены в элементы управления жестами вашего медиаплеера (два хороших примера — Sony Shake и Samsung Motion Play), управление направлением в играх — вместо использования клавиатуры, отключение вашего жужжания телефон, просто перевернув его вверх дном — и все это с помощью этих двух трудолюбивых маленьких электронных штуковин.

Итак, теперь вы знаете, что происходит внутри вашего устройства, когда вы наклоняете его, чтобы схватить те монеты, которые смотрят на вас в Temple Run!

Таким образом, та же самая технология, которая используется в самолетах для управления пилотом и даже марсоходом, позволяя ему перемещаться по внеземной земле, — вот что определяет, насколько сильно вы размахиваете своей виртуальной клюшкой для гольфа!

Акселерометр против датчика гироскопа и IMU, как выбрать один?

С ростом популярности датчиков акселерометра и гироскопа MEMS для обнаружения движения Arduino многие рассматривают возможность выбора одного из них, чтобы начать свой следующий проект.Однако из-за множества доступных вариантов выбор подходящего может оказаться сложной задачей.

Прежде, чем волноваться и беспокоиться о том, как выбрать акселерометр и гироскоп, вам сначала нужно узнать разницу между ними.

В этом руководстве я расскажу вам следующее:

Что такое акселерометр?
Что такое гироскоп?
В чем разница между акселерометром и гироскопом?
Как выбрать акселерометр?
Как выбрать гироскоп?
Почетные упоминания с IMU

Что такое акселерометр?

Акселерометры — это электромеханические устройства , которые измеряют ускорение, скорость изменения скорости объекта. Другими словами, это устройства, которые реагируют на любые вибрации, связанные с движением.

Как работает акселерометр?

Акселерометры работают двумя способами; Пьезоэлектрический эффект и изменение емкости. Это сбивает с толку? Это относительно просто. Вот как это сделать:

Пьезоэлектрический эффект:

Акселерометры содержат микроскопические кристаллические структуры, генерирующие напряжение при возникновении вибрации
Генерируемое напряжение будет определять величину ускорения

Изменение емкости:

Этот метод использует формулу для определения ускорения.Поскольку мы знаем, что Сила = Масса x Ускорение, чтобы найти ускорение, потребуется Сила / Масса объекта.

Так работает эффект емкости в акселерометре MEMS:

Имеются 2 емкостные пластины
Масса объекта давит на одну из пластин конденсатора, изменяя емкость и позволяя измерить силу
При известных силе и массе объекта затем измеряется ускорение

Акселерометры MEMS Акселерометры

могут быть основаны на других принципах работы, например, акселерометры mems с микрочипом.В наши дни акселерометры Mems предназначены для простой интеграции с Arduino или другими микроконтроллерами, наиболее распространенными из которых являются датчики серии ADXL (популярные — ADXL345, ADXL335).

Благодаря миниатюрным датчикам акселерометры Mems подходят для использования в IoT, маломощных, промышленных и автомобильных приложениях, здравоохранении и т. Д.

Приложения акселерометров

Теперь, когда мы поняли, как работает акселерометр, мы рассмотрим, для чего он обычно используется.Вот основной список приложений:

Приложения для компаса / карты на смартфонах (iPhone, Andriod и т. Д.) С осевым распознаванием
Определение наклона; iPhone использует акселерометр, чтобы определить, находится ли телефон в портретном или ландшафтном режиме.
Обнаружение землетрясения
Обнаружение падения
Медицинские устройства, такие как искусственные части тела
Фитнес-трекеры / носимые устройства
Игры / приложения, требующие обнаружения движения ( Wii, Kinect и т. Д.)

Примечание. Акселерометры обычно используются для определения положения, скорости, вибрации и определения ориентации.

Что такое гироскоп?

Прежде чем мы коснемся различий, нам нужно сначала понять, что такое гироскоп. Гироскоп — это устройство, используемое для измерения вращательных изменений или поддержания ориентации. Он основан на принципе сохранения углового момента.

Как работает гироскоп?

Типичный гироскоп содержит ротор, подвешенный внутри трех колец, называемых стабилизаторами.

Он работает через эффект прецессии, позволяя гироскопам преодолевать гравитацию при вращении оси вращения. Это означает, что вместо того, чтобы упасть под действием силы тяжести, он автоматически поворачивается в сторону.

Подробнее о том, как работают гироскопы, вы можете прочитать в этой статье!

Приложения гироскопа

Понять, как это работает, — это одно, но для чего он используется? Хотя гироскопы относятся к 18 веку, они все еще используются и сейчас, и они стали неотъемлемой частью навигационных систем, которые мы обычно видим в наши дни:

Самолеты
Космические станции
Устойчивость транспортных средств; мотоциклы, корабли
Инерционные системы наведения
Потребительская электроника через гироскопы MEMS (большинство телефонов Andriod среднего и высшего класса)

МЭМС-гироскоп

Вам может быть интересно, что такое гироскопы MEMS? Разве гироскопы не просто гироскопы?

Гироскопы

MEMS — это небольшие миниатюрные датчики, разработанные благодаря интеграции в них технологии MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System).Это позволяет использовать функции гироскопов в меньшем корпусе!

Подобно акселерометрам MEMS, с такой технологией, он обеспечивает меньшую стоимость, меньшую мощность и применимость с вашими Arduino, Raspberry Pi и т. Д.!

Акселерометр и гироскоп

Разница акселерометра и гироскопа:

Для облегчения понимания разницы между акселерометром и гироскопом я для иллюстрации привел сравнительную таблицу:

	Акселерометры	Гироскопы
Что это такое	Электромеханические устройства для измерения ускорения Невозможно отличить вращение от ускорения	Устройство, используемое для измерения угловых изменений или поддержания ориентации Не подвержено ускорению
Назначение	Измерение линейного ускорения на основе вибрации	Измерение скорости вращения и углового положения вокруг определенной оси
Приложения	Обычно встречается и применяется в бытовой электронике	Обычно встречается и применяется в самолетах и летательных аппаратах

В целом, хотя оба устройства имеют свои заметные различия, многие устройства все еще выигрывают от наличия обоих датчиков.В конечном итоге все сводится к тому, какие приложения вы ищете.

Как выбрать акселерометр и гироскоп?

Как выбрать акселерометр?

Чтобы помочь вам выбрать подходящий акселерометр MEMS для Arduino, вот важные критерии, которые вы должны учитывать!

Критерии	Рекомендации / соображения
Диапазон	Для точных показаний: Выберите меньший диапазон полной шкалы, так как он даст вам более точные показания благодаря более чувствительному выходному сигналу. Рассмотрите диапазоны ускорения, которые подходят для ваших проектов.
Интерфейс	Самый простой интерфейс для работы: Аналоговый интерфейс, поскольку аналого-цифровые преобразователи (АЦП) реализованы в большинстве микроконтроллеров Для получения фиксированной частоты: Интерфейс ШИМ, выдает прямоугольную волну с фиксированной частотой, но рабочий цикл импульса варьируется с измеренным ускорением Большинство функций и меньший уровень шума: Цифровой интерфейс, имеет последовательный интерфейс SPI или I²C, но может быть трудно интегрировать с микроконтроллером
Оси	Трехосные акселерометры, наиболее распространенные и не намного более дорогие по сравнению с одно- или двухосными акселерометрами
Энергопотребление	Требуемый ток потребления акселерометра обычно находится в диапазоне сотен мкА. Учтите требуемую мощность.
Бонусные функции	Выбор более новых моделей акселерометров может быть лучшим выбором, поскольку они включают в себя больше бонусных функций, таких как: Выбираемые диапазоны измерения Контроль сна Обнаружение 0-g Обнаружение касания

Какой акселерометр купить?

На основании вышеуказанных критериев я рекомендую эти акселерометры, доступные в Seeed!

Grove — 3-осевой цифровой акселерометр со сверхнизким энергопотреблением ± 16 г (BMA400)

Основанный на датчике BMA400, этот 3-осевой цифровой акселерометр представляет собой 12-разрядный трехосный датчик ускорения с функцией интеллектуального управления движением и прерыванием по положению.С легкостью обнаруживайте движения, такие как ходьба, бег, стояние!

Оценка критериев:

I2C Оси

Критерии	Оценка
Диапазон	± 2g, ± 4g, ± 8g, ± 16g
Интерфейс	3 оси
Потребляемая мощность	18 мкА при 5 В, 14 мкА при 3.3V
Дополнительные функции	Автоматическое снижение энергопотребления / пробуждение Активность / бездействие Счетчик шагов Распознавание активности (ходьба, бег, неподвижность) Обнаружение ориентации Касание / двойное касание

Хотите узнать больше? Дополнительная информация, наряду с руководством по акселерометру Arduino, доступна на нашей вики-странице здесь!

Трехосевые акселерометры ADXL серии

Помимо вышеупомянутого акселерометра на базе BMA400, популярная серия ADXL также доступна для покупки здесь, в Seeed! Предлагаем вашему вниманию следующие 3-осевые акселерометры ADXL:

The Grove — 3-осевой аналоговый акселерометр ± 20 г (ADXL356B) и Grove — 3-осевой цифровой акселерометр ± 200 г (ADXL372) в настоящее время нет в наличии, но внимательно следите за его пополнением, подписавшись или рассмотрите ADXL356C и ADXL357!

Как выбрать гироскоп?

Теперь, когда вы поняли, как выбрать подходящий акселерометр, вот критерии, которые помогут вам с легкостью выбрать гироскоп!

Критерии	Соображения / Рекомендации
Диапазон	При выборе гироскопа убедитесь, что максимальный диапазон гироскопа не превышает максимальную угловую скорость, которую вы хотите измерить.
Интерфейс	Подобно интерфейсам акселерометра, выбор гироскопов с аналоговым выходом приведет к простейшей интеграции с вашим микроконтроллером. . Однако выбор гироскопа с цифровым интерфейсом — привлекательный вариант, поскольку он, как правило, имеет больше функций Вам не придется беспокоиться об этом критерии, так как большинство гироскопов на рынке имеют аналог
Количество осей	Гироскопы доступны с 1, 2 или 3 осями, и вам нужно будет решить, какой из этих трех гироскопов будет измерять, поскольку это повлияет на вращение. Некоторые 2-осевые гироскопы измеряют оси Y и Z, в то время как другие измеряют Y и Оси X
Энергопотребление	Чтобы избежать чрезмерного / недостаточного питания, проверьте, сколько энергии будет потреблять гироскоп, если ваш проект работает от батареи
Бонусные функции	Гироскопы, как правило, не предлагают много дополнительных функций, кроме вывода температуры. Если есть дополнительные функции, это будет плюсом!

Какие гироскопы купить?

На основании вышеперечисленных критериев я рекомендую покупать эти гироскопы!

Примечание: Следующие рекомендации относятся к гироскопам, интегрированным вместе с акселерометром, что позволяет использовать их функции всего в одном модуле!

Grove — 6-осевой акселерометр и гироскоп

Основанный на микросхеме LSM6DS3, этот 6-осевой акселерометр и гироскоп представляет собой экономичный вариант с подробным SDK для упрощения программирования с вашим Arduino!

Оценка критериев:

Критерии	Оценка
Диапазон	Гироскоп: ± 125, ± 245, ± 500, ± 1000, ± 2000 градусов в секунду (dps) Акселерометр: ± 2 / ± 4 / ± 8 / ± 16 g полное ускорение обедненной смеси
Интерфейс	I2C
No.осей	3-осевой гироскоп 3-осевой акселерометр
Потребляемая мощность	Стандартный комбинированный режим: 0,9 мА Комбинированный высокопроизводительный режим: 1,25 мА
Дополнительные функции 9006-

Хотите узнать больше? Более подробная информация вместе с этим руководством по гироскопу Arduino доступна на нашей вики-странице здесь!

Grove — 6-осевой акселерометр и гироскоп (BMI088)

Основанный на гироскопе BOSCH BMI088,
, этот 6-осевой акселерометр и гироскоп разработан для дронов, робототехники и промышленных приложений с возможностью удовлетворения сложных требований к производительности!

Оценка критериев:

Критерии	Оценка
Диапазон	Гироскоп: ± 125 ° / с @ 262.1 LSB / ° / с ± 250 ° / с при 131,1 LSB / ° / с ± 500 ° / с при 65,5 LSB / ° / с ± 1000 ° / с при 32,8 LSB / ° / с ± 2000 ° / с при 16,4 младшего бита / ° / с Акселерометр: ± 3g при 10920 младшем бит / г ± 6g при 5460 младшем бит / г ± 12g при 2730 младшем бит / г ± 24g при 1365 младшем бит / г
Интерфейс	I2C
Число осей	16-битный трехосный гироскоп 16-битный трехосный акселерометр
Потребляемая мощность	Рабочее напряжение: 3.3V / 5V Низкое энергопотребление в зависимости от используемого гироскопа
Дополнительные функции	Низкий спектральный шум

Почетные грамоты

Гироскоп, акселерометр, датчик магнитометра (IMU) Акселерометры и гироскопы

— отличные варианты, чтобы начать работу с датчиком движения, но если вы погрузитесь глубже и изучите другие варианты, вы обнаружите, что у вас есть инерциальные измерительные устройства (IMU).

IMU

— это, по сути, акселерометры + гироскопы + датчики магнитометра, что делает его полным пакетом, способным легко вычислять ориентацию, положение и скорость!

Здесь, в Seeed, мы также предлагаем IMU на ваш выбор, вот некоторые из них, которые стоит рассмотреть!

Роща — IMU 9DOF v2.0

Хотите начать работу с IMU? Роща — IMU 9DOF — отличное место для начала!

Оснащенный 3-осевым гироскопом, 3-осевым акселерометром и 3-осевым магнитометром, это 9-осевой модуль отслеживания движения на основе MPU-9250.

Его функции включают в себя:

Сверхнизкое энергопотребление, низкое напряжение
Широкий диапазон обнаружения
Внутренний процессор Digital Motion Processing ™ (DMP ™) поддерживает расширенные функции обработки движений и функции с низким энергопотреблением, такие как распознавание жестов с использованием программируемых прерываний.
Функция самопроверки
Digital- выходной 3-осевой датчик угловой скорости (гироскопы) с программируемым пользователем диапазоном полной шкалы ± 250, ± 500, ± 1000 и ± 2000 ° / с
Трехосевой акселерометр с цифровым выходом и программируемой полной шкалой диапазон ± 2 г, ± 4 г, ± 8 г и ± 16 г
Трехосевой акселерометр с цифровым выходом и полным диапазоном измерения ± 4800 мкТл

Хотите узнать больше? Вы можете перейти на страницу продукта, чтобы узнать больше!

Grove — IMU 10DOF v2.0

Требуется существенное обновление по сравнению с предыдущей рекомендацией? Grove — IMU 10DOF v2.0 предоставляет вам в общей сложности 10 осей данных, гораздо больше приложений и лучшую производительность!

Созданный на основе новых и улучшенных Bosch BMP280 и MPU-250, наряду с цифровым процессором движения (DMP) в корпусе 3 * 3 * 1 мм, этот IMU не только маленький, но и потребляет намного меньше энергии!

Для получения дополнительной информации о MPU-9250 и BMP280 обратитесь к соответствующим таблицам данных

Его функции включают в себя:

Датчики угловой скорости по осям X, Y и Z с цифровым выходом (гироскопы) с программируемым пользователем диапазоном полной шкалы ± 250, ± 500, ± 1000 и ± 2000 ° / сек.
Цифровые- выходной 3-осевой акселерометр с программируемым диапазоном полной шкалы ± 2g, ± 4g, ± 8g и ± 16g
Магнитометр с цифровым выходом и полным диапазоном шкалы ± 4800uT
Измерение температуры с ± 1.Точность 0 ° C
Диапазон измерения атмосферного давления 300 — 1100 гПа с точностью ± 1,0 гПа

Хотите узнать больше? Вы можете перейти на страницу продукта, чтобы узнать больше!

Сводка

Это все на сегодняшний день руководства по акселерометрам, гироскопам и выбору подходящего. Учитывая растущую популярность обоих, пришло время выбрать один для себя! Подходящий!

Следите за нами и ставьте лайки:

Теги: 9DOF, акселерометр, акселерометр Arduino, руководство по акселерометру, акселерометр против гироскопа, ADXL335, ADXL356C, adxl357, adxl372, bma400, акселерометр Grove, гирометр, гироскоп, гироскоп Arduino, IMU, lsm303, акселерометр, акселерометр

Продолжить чтение

Руководство по покупке акселерометра, гироскопа и IMU

Акселерометры и гироскопы

становятся все более популярными в бытовой электронике, так что, может быть, вам пора добавить их в свой проект! Прокрутка категории датчиков SparkFun показывает огромный список этих датчиков, которые могли бы идеально подойти для вашего следующего проекта, если бы вы знали, что они делают, и какой из них лучше всего подходит для вашего проекта.Цель этого руководства по покупке — научить вас говорить на том же языке, что и спецификации этих датчиков, и помочь вам выбрать тот, который лучше всего подходит для ваших нужд.

Акселерометры

Что такое акселерометр? Ну разгон. Вы знаете … как быстро что-то ускоряется или замедляется. Вы увидите ускорение, отображаемое либо в метрах в секунду в квадрате (м / с ²), либо в перегрузке (g), что составляет около 9,8 м / с ² (точное значение зависит от вашего уровня высоты и масса планеты, на которой вы находитесь).

Акселерометры

используются для определения как статического (например, силы тяжести), так и динамического (например, внезапных пусков / остановок) ускорения. Одним из наиболее широко используемых приложений для акселерометров является определение наклона. Поскольку на них влияет ускорение свободного падения, акселерометр может сказать вам, как он ориентирован относительно поверхности Земли. Например, в iPhone от Apple есть акселерометр, который позволяет узнать, находится ли он в портретном или ландшафтном режиме. Акселерометр также можно использовать для определения движения.Например, акселерометр в WiiMote от Nintendo можно использовать для определения имитированных ударов правой и левой руки теннисной ракетки или катания шара для боулинга. Наконец, акселерометр также можно использовать для определения того, находится ли устройство в состоянии свободного падения. Эта функция реализована на нескольких жестких дисках: при обнаружении падения жесткий диск быстро отключается для защиты от потери данных.

Теперь, когда вы знаете, что они делают, давайте рассмотрим, какие характеристики вам следует учитывать при выборе акселерометра:

Диапазон — Верхний и нижний пределы того, что может измерять акселерометр, также известен как его диапазон.В большинстве случаев меньший диапазон полной шкалы означает более чувствительный выход; так вы можете получить более точные показания акселерометра с низким диапазоном полной шкалы.
Вы хотите выбрать диапазон чувствительности, который лучше всего подходит для вашего проекта, если ваш проект будет подвергаться только ускорениям от +2g до -2g, акселерометр с диапазоном ± 250g не даст вам большой точности, если таковая будет.
У нас есть хороший ассортимент акселерометров с максимальным диапазоном от ± 1 г до ± 250 г. Большинство наших акселерометров настроены на жесткий максимальный / минимальный диапазон, однако некоторые из более модных акселерометров имеют выбираемые диапазоны.
Интерфейс — это еще одна из наиболее важных спецификаций. Акселерометры будут иметь аналоговый интерфейс с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) или цифровой интерфейс.
- Акселерометры с аналоговым выходом вырабатывают напряжение, прямо пропорциональное измеренному ускорению. При 0g аналоговый выход обычно находится примерно в середине подаваемого напряжения (например, 1,65 В для датчика 3,3 В). Как правило, с этим интерфейсом проще всего работать, поскольку аналого-цифровые преобразователи (АЦП) реализованы в большинстве микроконтроллеров.
- с интерфейсом PWM будут генерировать прямоугольную волну с фиксированной частотой, но рабочий цикл импульса будет изменяться в зависимости от воспринимаемого ускорения. Это довольно редко; в нашем каталоге только один.
- обычно имеют последовательный интерфейс, будь то SPI или I²C. В зависимости от вашего опыта, их может быть труднее всего интегрировать с вашим микроконтроллером. Тем не менее, цифровые акселерометры популярны, потому что они обычно имеют больше функций и менее восприимчивы к шуму, чем их аналоговые аналоги.
Количество измеренных осей — Это очень просто: сколько из трех возможных осей (x, y и z) может определить акселерометр? Обычно лучше всего подходят трехосевые акселерометры; они являются наиболее распространенными и на самом деле не дороже, чем одно- или двухосные акселерометры с такой же чувствительностью.
Энергопотребление — Если ваш проект работает от батареи, вы можете подумать, сколько энергии будет потреблять акселерометр.Требуемый ток потребления обычно находится в диапазоне 100 мкА. Некоторые датчики также имеют функцию сна для экономии энергии, когда акселерометр не нужен.
Дополнительные функции — Многие недавно разработанные акселерометры могут иметь несколько отличных функций, помимо простого получения данных об ускорении. Эти более новые акселерометры могут включать в себя такие функции, как выбор диапазонов измерения, контроль сна, обнаружение нулевого ускорения и определение касания.

См. Нашу полную линейку акселерометров

Гироскопы

Гироскопы измеряют угловую скорость, то есть насколько быстро что-то вращается вокруг оси.Если вы пытаетесь отслеживать ориентацию движущегося объекта, акселерометр может не дать вам достаточно информации, чтобы точно знать, как он ориентирован. В отличие от акселерометров, на гироскопы не действует сила тяжести, поэтому они отлично дополняют друг друга. Обычно угловая скорость выражается в единицах оборотов в минуту (об / мин) или градусах в секунду (° / с). Три оси вращения обозначаются как x, y и z, или крен, тангаж и рыскание.

В прошлом гироскопы использовались для космической навигации, управления ракетами, подводного наведения и управления полетом.Теперь их начинают использовать вместе с акселерометрами в таких приложениях, как захват движения и навигация по транспортным средствам.

Многое из того, что было учтено при выборе акселерометра, все еще применимо к выбору идеального гироскопа:

Диапазон — Убедитесь, что максимальная угловая скорость, которую вы ожидаете измерить, не превышает максимальный диапазон гироскопа. Но также, чтобы получить максимально возможную чувствительность, убедитесь, что диапазон вашего гироскопа не намного больше, чем вы ожидаете.
Интерфейс — На самом деле в этом разделе нет большого разнообразия, 95% гироскопов, которые у нас есть, имеют * аналоговый * выход. Есть несколько, у которых есть цифровой интерфейс — SPI или I ² C.
Количество измеренных осей — По сравнению с акселерометрами гироскопы немного отстают от кривой. Лишь недавно на рынке стали появляться недорогие 3-осевые гироскопы. Большинство наших гироскопов одно- или двухосные. При их выборе необходимо обратить внимание на то, какую из трех осей будет измерять гироскоп; например, некоторые двухосные гироскопы будут измерять тангаж и крен, а другие — тангаж и рыскание.
Power Usage — Если ваш проект работает от батареи, вы можете подумать, сколько энергии будет потреблять гироскоп. Требуемый ток потребления обычно находится в диапазоне 100 мкА. Некоторые датчики также имеют функцию сна для экономии энергии, когда гироскоп не нужен.
Бонусные функции — Немногое в этом разделе вас поразит. Многие гироскопы имеют температурный выход, что очень полезно при компенсации дрейфа.

Двухосный гироскоп — IDG1215

В наличии COM-09071

IDG-1215 — это встроенный двухосевой датчик угловой скорости (гироскоп).Он использует запатентованную технологию MEMS от InvenSense…

IMU

Гироскопы и акселерометры

великолепны, но сами по себе они не дают достаточно информации, чтобы можно было удобно рассчитывать такие вещи, как ориентация, положение и скорость. Для измерения этих и других переменных многие люди комбинируют два датчика, чтобы создать инерциальный измерительный блок (IMU), который обеспечивает от двух до шести степеней свободы (DOF). IMU широко используются в устройствах, требующих знания их точного положения, например, в роботизированных манипуляторах, управляемых ракетах и инструментах, используемых для изучения движения тела.

IMU

SparkFun действительно можно разделить на два класса: простые комбинированные платы IMU, которые просто устанавливают акселерометр и гироскоп на одну печатную плату, и более сложные блоки, которые связывают микроконтроллер с датчиками для получения последовательного вывода. Если вы просмотрели предыдущие разделы, вы должны знать, какие спецификации следует искать в IMU: количество осей (как для акселерометра, так и для гироскопа), диапазон измерения датчиков и интерфейс.

Глоссарий терминов

Диапазон: Диапазон значений, которые может измерять устройство, является важным фактором при выборе подходящего для вашего проекта.Очевидно, что акселерометр 24g не принесет вам много пользы для отслеживания движений тела, если вы не планируете быть брошенным в космос самой большой рогаткой в мире. Точно так же, если ваш акселерометр достигает максимума в 1g, вы не получите много полезных данных, скажем, о запуске ракеты. Диапазон акселерометра измеряется в g-силе или кратном ускорении свободного падения на Земле. Диапазон гироскопа, который измеряет ускорение вращения, указан в градусах вращения в секунду.

Интерфейс: Метод, с помощью которого вы отправляете и получаете данные между контроллером и устройством, называется интерфейсом.Доступно несколько стандартов, у каждого из которых есть свои преимущества и недостатки. Аналоговые сигналы легко читаются и могут быть измерены большинством микроконтроллеров с очень небольшим кодом. Последовательная связь в этом случае относится к UART и требует немного больше накладных расходов на обработку, но способна передавать больше информации, чем аналоговые сигналы. Последовательный порт или I2C распространены в ситуациях, когда необходимо считывать данные с нескольких осей в контроллер. I2C — это двухпроводной последовательный интерфейс, который позволяет нескольким устройствам совместно использовать шину и взаимодействовать друг с другом, это также очень распространенная возможность среди микроконтроллеров.

Оси: Это относится к количеству направлений, в которых можно измерить ускорение. Акселерометры измеряют ускорение вдоль указанных осей, тогда как гироскопы измеряют ускорение около осей.

Требования к электропитанию: Это количество энергии, которое устройство обычно потребляет во время работы, ваша система должна быть способна обеспечивать, по крайней мере, этот большой ток, а затем некоторый, чтобы избежать неустойчивого поведения или условий отключения.Многие устройства также имеют режимы пониженного энергопотребления или энергосбережения, в которых они потребляют значительно меньше энергии. Мы также указали номинальное напряжение устройства для вашего удобства.

Бонусные функции: У каждого производителя устройств есть свои представления о том, какие «навороты» следует добавить к гироскопу или акселерометру. В этом столбце мы перечисляем те дополнительные функции, которые отличают каждое устройство от остальных.

Акселерометры, гироскопы и магнитометры | Voler Systems

Accelero

метра, гироскопы и магнитометры могут использоваться для измерения движения.Они упакованы так же, как и другие интегральные схемы, и могут иметь аналоговые или цифровые выходы. Они широко используются в смартфонах, игровых устройствах, камерах и многих других приложениях. Panasonic, Robert Bosch GmbH, InvenSense, Seiko Epson, Sensonor, STMicroelectronics, Freescale Semiconductor и Analog Devices являются крупными производителями.

Акселерометры MEMS используют гибкую кремниевую структуру, которая работает как пружина и определяет деформацию для измерения величины ускорения.Три отдельные структуры ориентированы под прямым углом друг к другу, чтобы определять направление и величину в любом направлении.
MEMS используют вибрирующую структуру для определения скорости вращения, а не вращающееся колесо обычных вращающихся гироскопов.
Магнитометры измеряют ориентацию, определяя направление магнитного поля Земли.

Большим преимуществом этих распространенных датчиков является то, что они объединены на одном кристалле, что делает их чрезвычайно простыми в использовании.Теперь вы можете получить один чип с тремя акселерометрами, тремя гироскопами и магнитометром примерно за 5 долларов. Эта тенденция к созданию мультисенсорных чипов будет продолжаться и позволит значительно снизить стоимость каждого отдельного сенсора.

Недавние проекты

Voler помогает командам выбрать подходящий акселерометр, гироскоп и магнитометр для их применения. Вот несколько недавних реализованных нами проектов.

Управление движением в носимом устройстве

Программное обеспечение: Тестирование обнаружения движения для носимых устройств

Управление движением в реабилитационном устройстве

Проекты управления движением

Программное обеспечение для комплексного управления движением в хирургическом столе

Управление движением для медицинских устройств

Дополнительные ресурсы

Как работают гироскопы

Поставщики и ресурсы беспроводной связи RF

О компании RF Wireless World

Веб-сайт RF Wireless World является домом для поставщиков и ресурсов радиочастотной и беспроводной связи.На сайте представлены статьи, руководства, поставщики, терминология, исходный код (VHDL, Verilog, MATLAB, Labview), тестирование и измерения, калькуляторы, новости, книги, загрузки и многое другое.

Сайт RF Wireless World охватывает ресурсы по различным темам, таким как RF, беспроводная связь, vsat, спутник, радар, оптоволокно, микроволновая печь, wimax, wlan, zigbee, LTE, 5G NR, GSM, GPRS, GPS, WCDMA, UMTS, TDSCDMA, Bluetooth, Lightwave RF, z-wave, Интернет вещей (IoT), M2M, Ethernet и т. Д. Эти ресурсы основаны на стандартах IEEE и 3GPP.Он также имеет академический раздел, который охватывает колледжи и университеты по инженерным дисциплинам и MBA.

Статьи о системах на основе Интернета вещей

Система обнаружения падений для пожилых людей на основе Интернета вещей : В статье рассматривается архитектура системы обнаружения падений, используемой для пожилых людей. В нем упоминаются преимущества или преимущества системы обнаружения падений Интернета вещей. Читать дальше➤
Также обратитесь к другим статьям о системах на основе Интернета вещей следующим образом:
• Система очистки туалетов самолета. • Система измерения столкновений • Система отслеживания скоропортящихся продуктов и овощей • Система помощи водителю • Система умной торговли • Система мониторинга качества воды. • Система Smart Grid • Система умного освещения на базе Zigbee • Умная парковка на базе Zigbee • Система умной парковки на основе LoRaWAN

RF Статьи о беспроводной связи

В этом разделе статей представлены статьи о физическом уровне (PHY), уровне MAC, стеке протоколов и сетевой архитектуре на основе WLAN, WiMAX, zigbee, GSM, GPRS, TD-SCDMA, LTE, 5G NR, VSAT, Gigabit Ethernet на основе IEEE / 3GPP и т. Д. .стандарты. Он также охватывает статьи, относящиеся к испытаниям и измерениям, по тестированию на соответствие, используемым для испытаний устройств на соответствие RF / PHY. УКАЗАТЕЛЬ СТАТЬИ ДЛЯ ССЫЛКИ >>.

Физический уровень 5G NR : Обработка физического уровня для канала 5G NR PDSCH и канала 5G NR PUSCH рассмотрена поэтапно. Это описание физического уровня 5G соответствует спецификациям физического уровня 3GPP. Читать дальше➤

Основы повторителей и типы повторителей : В нем объясняются функции различных типов ретрансляторов, используемых в беспроводных технологиях.Читать дальше➤

Основы и типы замирания : В этой статье описываются мелкомасштабные замирания, крупномасштабные замирания, медленные, быстрые и т. Д., Используемые в беспроводной связи. Читать дальше➤

Архитектура сотового телефона 5G : В этой статье рассматривается блок-схема сотового телефона 5G с внутренними модулями 5G. Архитектура сотового телефона. Читать дальше➤

Основы помех и типы помех: В этой статье рассматриваются помехи в соседнем канале, помехи в совмещенном канале, Электромагнитные помехи, ICI, ISI, световые помехи, звуковые помехи и т. Д.Читать дальше➤

5G NR Раздел

В этом разделе рассматриваются функции 5G NR (New Radio), нумерология, диапазоны, архитектура, развертывание, стек протоколов (PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC) и т. Д. 5G NR Краткий указатель ссылок >>
• Мини-слот 5G NR • Часть полосы пропускания 5G NR • 5G NR CORESET • Форматы DCI 5G NR • 5G NR UCI • Форматы слотов 5G NR • IE 5G NR RRC • 5G NR SSB, SS, PBCH • 5G NR PRACH • 5G NR PDCCH • 5G NR PUCCH • Эталонные сигналы 5G NR • 5G NR m-последовательность • Золотая последовательность 5G NR • 5G NR Zadoff Chu Sequence • Физический уровень 5G NR • Уровень MAC 5G NR • Уровень 5G NR RLC • Уровень 5G NR PDCP

Учебные пособия по беспроводным технологиям

В этом разделе рассматриваются учебные пособия по радиочастотам и беспроводной связи.Он охватывает учебные пособия по таким темам, как сотовая связь, WLAN (11ac, 11ad), wimax, bluetooth, zigbee, zwave, LTE, DSP, GSM, GPRS, GPS, UMTS, CDMA, UWB, RFID, радар, VSAT, спутник, WLAN, волновод, антенна, фемтосота, тестирование и измерения, IoT и т. Д. См. УКАЗАТЕЛЬ >>

Учебное пособие по 5G — В этом учебном пособии по 5G также рассматриваются следующие подтемы по технологии 5G:
Учебное пособие по основам 5G. Частотные диапазоны Учебник по миллиметровым волнам Волновая рама 5G мм Зондирование волнового канала 5G мм 4G против 5G Испытательное оборудование 5G Сетевая архитектура 5G Сетевые интерфейсы 5G NR канальное зондирование Типы каналов 5G FDD против TDD Разделение сети 5G NR Что такое 5G NR Режимы развертывания 5G NR Что такое 5G TF

В этом руководстве GSM рассматриваются основы GSM, сетевая архитектура, сетевые элементы, системные спецификации, приложения, Типы пакетов GSM, структура или иерархия кадров GSM, логические каналы, физические каналы, Физический уровень GSM или обработка речи, вход в сеть мобильного телефона GSM, установка вызова или процедура включения питания, MO-вызов, MT-вызов, VAMOS, AMR, MSK, модуляция GMSK, физический уровень, стек протоколов, основы работы с мобильным телефоном, Планирование RF, нисходящая линия связи PS и восходящая линия связи PS.
➤Подробнее.

LTE Tutorial , охватывающий архитектуру системы LTE, охватывающий основы LTE EUTRAN и LTE Evolved Packet Core (EPC). Он обеспечивает связь с обзором системы LTE, радиоинтерфейсом LTE, терминологией LTE, категориями LTE UE, структурой кадра LTE, физическим уровнем LTE, Стек протоколов LTE, каналы LTE (логические, транспортные, физические), пропускная способность LTE, агрегация несущих LTE, передача голоса по LTE, расширенный LTE, Поставщики LTE и LTE vs LTE продвинутые.➤Подробнее.

RF Technology Stuff

Эта страница мира беспроводной радиосвязи описывает пошаговое проектирование преобразователя частоты RF на примере преобразователя RF UP от 70 МГц до диапазона C. для микрополосковой платы с использованием дискретных радиочастотных компонентов, а именно. Смесители, гетеродин, MMIC, синтезатор, опорный генератор OCXO, колодки аттенюатора. ➤Подробнее.
➤Проектирование и разработка радиочастотного трансивера ➤Конструкция RF-фильтра ➤Система VSAT ➤Типы и основы микрополосковой печати ➤ОсновыWaveguide

Секция испытаний и измерений

В этом разделе рассматриваются контрольно-измерительные ресурсы, испытательное и измерительное оборудование для тестирования DUT на основе Стандарты WLAN, WiMAX, Zigbee, Bluetooth, GSM, UMTS, LTE.УКАЗАТЕЛЬ испытаний и измерений >>
➤Система PXI для T&M. ➤ Генерация и анализ сигналов ➤Измерения слоя PHY ➤Тест устройства на соответствие WiMAX ➤ Тест на соответствие Zigbee ➤ Тест на соответствие LTE UE ➤Тест на соответствие TD-SCDMA

Волоконно-оптическая технология

Волоконно-оптический компонент , основы, включая детектор, оптический соединитель, изолятор, циркулятор, переключатели, усилитель, фильтр, эквалайзер, мультиплексор, разъемы, демультиплексор и т. д.Эти компоненты используются в оптоволоконной связи. Оптические компоненты INDEX >>
➤Учебник по оптоволоконной связи ➤APS в SDH ➤SONET основы ➤SDH Каркасная конструкция ➤SONET против SDH

Поставщики беспроводных радиочастотных устройств, производители

Сайт RF Wireless World охватывает производителей и поставщиков различных радиочастотных компонентов, систем и подсистем для ярких приложений, см. ИНДЕКС поставщиков >>.

Поставщики радиочастотных компонентов, включая радиочастотный изолятор, радиочастотный циркулятор, радиочастотный смеситель, радиочастотный усилитель, радиочастотный адаптер, радиочастотный разъем, радиочастотный модулятор, радиочастотный трансивер, PLL, VCO, синтезатор, антенну, генератор, делитель мощности, сумматор мощности, фильтр, аттенюатор, диплексор, дуплексер, микросхема резистора, микросхема конденсатора, индуктор микросхемы, ответвитель, оборудование ЭМС, программное обеспечение для проектирования радиочастот, диэлектрический материал, диод и т. д.Производители RF компонентов >>
➤Базовая станция LTE ➤RF Циркулятор ➤RF Изолятор ➤Кристаллический осциллятор

MATLAB, Labview, встроенные исходные коды

Раздел исходного кода RF Wireless World охватывает коды, связанные с языками программирования MATLAB, VHDL, VERILOG и LABVIEW. Эти коды полезны для новичков в этих языках. ИНДЕКС ИСХОДНОГО КОДА >>
➤3-8 декодер кода VHDL ➤Код MATLAB для дескремблера ➤32-битный код ALU Verilog ➤T, D, JK, SR триггеры labview коды

* Общая информация о здоровье населения *

Выполните эти пять простых действий, чтобы остановить коронавирус (COVID-19).
СДЕЛАЙТЕ ПЯТЬ
1. РУКИ: часто мойте их.
2. КОЛЕНО: Откашляйтесь.
3. ЛИЦО: не трогайте его
4. НОГИ: держитесь на расстоянии более 3 футов (1 м) друг от друга.
5. ЧУВСТВОВАТЬ: Болен? Оставайся дома

Используйте технологию отслеживания контактов >>, соблюдайте >> рекомендации по социальному дистанцированию и установить систему видеонаблюдения >> чтобы спасти сотни жизней. Использование концепции телемедицины стало очень популярным в таким странам, как США и Китай, остановить распространение COVID-19, поскольку это заразное заболевание.

RF Беспроводные калькуляторы и преобразователи

Раздел «Калькуляторы и преобразователи» охватывает ВЧ-калькуляторы, беспроводные калькуляторы, а также преобразователи единиц измерения. Сюда входят такие беспроводные технологии, как GSM, UMTS, LTE, 5G NR и т. Д. СПРАВОЧНЫЕ КАЛЬКУЛЯТОРЫ Указатель >>.
➤ Калькулятор пропускной способности 5G NR ➤5G NR ARFCN против преобразования частоты ➤Калькулятор скорости передачи данных LoRa ➤LTE EARFCN для преобразования частоты ➤Калькулятор антенн Яги ➤ Калькулятор времени выборки 5G NR

IoT-Интернет вещей Беспроводные технологии

Раздел IoT охватывает беспроводные технологии Интернета вещей, такие как WLAN, WiMAX, Zigbee, Z-wave, UMTS, LTE, GSM, GPRS, THREAD, EnOcean, LoRa, SIGFOX, WHDI, Ethernet, 6LoWPAN, RF4CE, Bluetooth, Bluetooth Low Power (BLE), NFC, RFID, INSTEON, X10, KNX, ANT +, Wavenis, Dash7, HomePlug и другие.Он также охватывает датчики Интернета вещей, компоненты Интернета вещей и компании Интернета вещей.
См. Главную страницу IoT >> и следующие ссылки.
➤ НИТЬ ➤EnOcean ➤Учебник по LoRa ➤Учебник по SIGFOX ➤WHDI ➤6LoWPAN ➤Zigbee RF4CE ➤NFC ➤Lonworks ➤CEBus ➤UPB

СВЯЗАННЫЕ ЗАПИСИ

RF Wireless Учебники

Датчики разных типов

Поделиться страницей

Перевести страницу

VibraTilt: приложение для измерения акселерометра и гироскопа | Приложения для телефонов и мобильные устройства Scientific

Воспроизводимость — важный критерий экспериментального исследования.Таким образом, откалиброванное оборудование и стандартизированные меры описаны в статьях экспериментальных исследований. Для обеспечения оптимальных условий крайне приветствуются дополнительные устройства для калибровки или сравнения. В связи с широким использованием смартфонов и мобильных устройств с несколькими датчиками существует большой потенциал для использования телефонов в качестве исследовательского оборудования. Они могут функционировать как желаемые устройства «второго мнения», и все, что требуется для раскрытия этого потенциала, — это мобильные приложения (http: // www.biospectrumasia.com/biospectrum/opinion/220592/use-smartphone-apps-biomedical-research). Мобильные приложения теперь начинают оказывать влияние на исследовательские процессы, начиная от замены оборудования, например, GelApp (Sim et al. 2015). Несмотря на то, что был создан широкий спектр приложений, связанных с наукой, для помощи в исследованиях, еще многое предстоит сделать.

И гироскоп, и акселерометр широко используются в научных дисциплинах и повседневной жизни, например. спортивный. Гироскопы могут использоваться для мониторинга землетрясений, процессов точной инженерии, неврологических сотрясений, таких как болезнь Паркинсона, или стабильности процесса и езды (например,грамм. в процессах кристаллизации белков и процедурах слияния клеток). Акселерометры измеряют наклон и горизонтальность поверхностей, которые важны для строительной индустрии, а также для чувствительных экспериментов по посеву клеток или чувствительных к наклону экспериментов в экспериментальных лабораториях. Хотя они полезны, устройства с такими возможностями обычно не доступны. Поэтому, чтобы удовлетворить потребность сделать такие устройства более распространенными для включения в приведенные выше примеры, VibraTilt был разработан как бесплатное приложение для Android и iOS, чтобы разблокировать популярный смартфон, чтобы иметь эти дополнительные функции.

Несмотря на то, что существует множество приложений, которые разблокируют эти датчики смартфонов, отличительной особенностью VibraTilt является простой интерфейс и настраиваемые порог, чувствительность и ограничение по времени для «количества встряхиваний». Это позволяет VibraTilt работать на другом уровне использования, начиная от спорта, клинической практики, точного машиностроения, калибровки и т. Д.

Разработка

VibraTilt для Android был разработан с использованием версии 4.4 интегрированной среды разработки Eclispe, Luna (https: // eclipse .org /), а также открытый исходный код от aChartEngine (http://www.achartengine.org/) для создания логарифмических графиков.

Приложение VibraTilt для iOS было разработано с использованием версии 6.3.2 интегрированной среды разработки Xcode с использованием библиотек с открытым исходным кодом: ползунков цвета RGB (https://github.com/eappel/RGBColorSlider) для изменения цвета пузырька акселерометра.

Функция акселерометра

VibraTilt измеряет наклон поверхности объекта в функции акселерометра.При наклоне телефона анимированный пузырь перемещается из центрального круга, как это видно на реальных весах в лабораториях. Приложение обнаруживает три типа наклона по 3 осям x, y и z со значениями до десятичной точки (рис. 1). Если смартфон требует повторной калибровки, нажатие кнопки «Калибровка» устанавливает пузырек в центр, а значения осей — на «0». При нажатии кнопки «Сброс» акселерометр возвращается к заводским настройкам по умолчанию. Для визуализации цвет круга можно изменить с помощью кнопки «Цвет», которая ведет к панели с тремя ползунками, соответствующими цветовой схеме RGB (Рис.1).

Рис. 1

Функция акселерометра. Анимация акселерометра показывает анимированный пузырь, плавающий в круглой полусфере (слева). Когда телефон / устройство выровнено, пузырек будет в центре (в центре). Для лучшей наглядности цвет жидкости в полусфере можно изменить (справа)

Функция гироскопа

Функция гироскопа (см. Рис. 2) позволяет пользователям определять диапазон осей x, y и z (измеряется в движениях рад / с для измерения.Ключевой уникальной особенностью VibraTilt является функция измерения встряхивания за заданное время и порог. Для конкретных параметров активности пользователи могут установить любое число для пробного запуска и использовать функцию графика (доступна только на Android и ограничена измерением движений каждые 10 миллисекунд), чтобы определить желаемую величину движения целевой активности. После того, как пределы установлены, нажатие кнопки «Пуск» запускает обратный отсчет установленного предела времени и количества оборотов, которые превышают определенное значение рад / с.Чтобы завершить измерение раньше, пользователи могут в любой момент нажать кнопку «Стоп». На панели графиков (только в Android) пользователи могут просматривать скорость вращения, где радианы осей нанесены на график в зависимости от времени (рис. 2 внизу справа). Для измерения быстрых движений также доступна опция высокой чувствительности (движения измеряются каждую миллисекунду). Однако эта функция отключает функцию графика из-за ограничений текущих возможностей обработки смартфонов для построения данных с высокой чувствительностью.Для отчетов скриншоты можно делать в любой момент.

Рис. 2

Функция гироскопа. Функция гироскопа измеряет количество оборотов сверх установленного предела (слева). Для установки пределов график (Android) можно использовать в качестве руководства для определенных действий (справа)

Приложения

В экспериментальной лаборатории VibraTilt может использоваться для измерения устойчивости и угла наклона поверхностей для калибровки оборудования и в качестве портативного гироскопа для чувствительных экспериментов.Ключевая особенность измерения движения с установленным временным пределом и величиной позволяет функции акселерометра не только стандартизировать эксперименты с тряской, но и проводить неврологические исследования, связанные с тремором и даже походкой (LeMoyne et al. 2010). За пределами экспериментальной лаборатории VibraTilt можно использовать для физических упражнений и отдыха (шагомер, измерение вибрации мобильного телефона или для определения наклона стола / стула и т. Д.).

Большие возможности и огромные сомнения

Индустрия интеллектуальных устройств позволяет разработчикам и дизайнерам встраивать различные датчики, процессоры и память в небольшие электронные устройства.Датчики добавлены для повышения удобства использования этих устройств и повышения качества обслуживания за счет сбора и анализа данных. Однако в эпоху больших данных и машинного обучения данные датчиков могут обрабатываться различными методами для получения различной скрытой информации. Извлеченная информация может быть полезной для пользователей устройств, разработчиков и проектировщиков для улучшения управления, работы и разработки этих устройств. Однако извлеченная информация может быть использована для компрометации безопасности и конфиденциальности людей в эпоху Интернета Всего (IoE).В этой работе мы пытаемся рассмотреть процесс получения значимых данных с датчиков смарт-устройств, особенно смартфонов. Кроме того, показаны различные полезные приложения машинного обучения на основе данных датчиков смартфонов. Кроме того, рассматриваются различные атаки по побочным каналам с использованием одних и тех же датчиков и одних и тех же алгоритмов машинного обучения.

1. Введение

Интернет всего (IoE) — это информационный технологический термин, объединяющий в одном устройстве функции зондирования, вычислений, извлечения информации и связи.IoE позволяет различным электронным устройствам с разными возможностями распознавать окружающую среду и обмениваться данными [1]. IoE — это общая форма беспроводных сенсорных сетей [2]. Узлы IoE могут иметь разные классы, типы и возможности. Например, смартфоны, планшеты, ноутбуки, бытовая техника и даже автомобили являются примерами узлов в IoE. Эти узлы могут определять среду, используя свои различные датчики и обрабатывать данные, извлекать полезную информацию, обмениваться данными через Интернет и адаптивно управлять своим поведением.Интеллигентность и интеллект узлов IoE заключается не в их вычислительных возможностях, а в их способности общаться и обмениваться информацией. Каналы связи позволяют этим устройствам учиться на полученных ими данных. Он обучает эти устройства использовать свою информацию для выполнения новых полезных задач [3]. Например, холодильник со встроенным процессором не является умным, пока у него нет возможности общаться с людьми, другими холодильниками и супермаркетами, чтобы заказывать недостающие продукты. Кроме того, он должен выбирать из разных супермаркетов, чтобы покупать товары с ценовыми предложениями.Эта хитрость появилась благодаря передаче данных через Интернет.

IoE — это комплексный подход с огромными приложениями, мечтами и мифами. Он находит бесчисленное множество приложений в здравоохранении, инженерии, информатике, маркетинге и даже в социальных науках [4, 5]. Однако у него есть много вопросов, требующих дальнейшего изучения. Безопасность и конфиденциальность преобладали в области исследований IoE [6]. Как защитить ваши данные и приложения — горячая тема исследования IoE. Тем не менее, безопасность людей как недостаток парадигмы IoE должна быть изучена.В этой области возникло много вопросов. Что ощущать из окружения и что загружать в Интернет? Как повысить конфиденциальность, если датчики есть в жизни людей? Как научить людей ответственно относиться к IoE? Может ли IoE быть вредным?

Смарт-устройства играют основную роль в IoE [7]. Они оснащены мультикоммуникационными интерфейсами, такими как Wi-Fi, Bluetooth, связь ближнего поля (NFC) и сотовая связь. Кроме того, они оснащены огромным количеством датчиков.Более того, у них есть встроенные операционные системы (ОС), которые называются ОС IoT [3]. Когда в этом обзоре упоминаются смартфоны, мы имеем в виду смартфоны, планшеты и умные часы, поскольку они имеют одинаковые характеристики с небольшими отраслевыми отличиями. Согласно статистике, предоставленной Statista (https://www.statista.com/statistics/330695/number-of-smartphone-usersworldwide), количество смартфонов во всем мире превысило 2,8 миллиарда с оценкой в 5 миллиардов в 2019 году. активно использовались для управления и мониторинга сотен продуктов для умного дома.Например, продукт WeMo (Belkin Wemo: домашняя автоматизация, http://www.belkin.com/us/Products/home-automation/c/wemo-home-automation/) позволяет пользователям управлять несколькими функциями в своих домах, например, потребление энергии различными приборами. Этот продукт управляется смартфонами. Другой пример — Apple HomeKit (https://developer.apple.com/homekit/) для систем безопасности и наблюдения. Третий пример — Reemo (http://www.getreemo.com/), который превращает дома в умные дома. Смартфоны играют в этих приложениях роль мониторинга и управления.Однако возможности и датчики смартфонов позволяют им играть большую роль в обеспечении здоровья, идентификации, локализации и отслеживания.

Датчики используются для повышения удобства использования смартфонов. Однако исследователи и разработчики попытались использовать эти датчики в гораздо более сложных приложениях, таких как идентификация пользователей, отслеживание подписчиков и даже личностные особенности. Эти приложения требуют извлечения скрытой информации из данных датчиков смартфонов. Другими словами, данные датчиков используются новыми косвенными способами для прогнозирования и оценки новых характеристик, которые напрямую не предназначены для оценки этими датчиками.Эта новая парадигма использования сенсоров смартфонов выявляет проблемы с конфиденциальностью и безопасностью, поскольку пользователи смартфонов готовы загружать свои собранные данные, не зная об информации, которую они могут получить [8]. Эта проблема была названа аварией с большими данными [9]. Автор в [10] предложил систему, основанную на теории обычных аварий, чтобы показать недостатки аварий с большими данными. Он показал, что большие данные могут быть превращены во «зло» при добыче информации, загружаемой бесплатно. В [8] автор показал, что пользователи имеют ограниченный контроль над загружаемыми данными, что является одной из основных проблем конфиденциальности в IoE.В [9] авторы предложили десять правил для решения проблем конфиденциальности и безопасности в больших данных и этические нормы, которые должны возникать. Основная мотивация в этой работе — получить больше информации о проблемах конфиденциальности смартфонов как устройств в IoE.

В этой работе некоторые из интересных приложений, которые были предложены и разработаны для использования данных датчиков интеллектуальных устройств, показаны как большие возможности в новую эру IoE. Тем не менее, точность этих приложений показана как один из существенных вопросов, требующих ответов.С другой стороны, проблемы безопасности и конфиденциальности вводятся как сомнения этих устройств. В этой работе мы стремимся показать, что безопасность, конфиденциальность и точность больших данных интеллектуальных устройств в эпоху IoE — это данные, хранящиеся не только на устройстве, но и на серверах Интернета. Однако даже необработанные данные, извлеченные с датчиков интеллектуальных устройств, могут представлять больше угроз, чем хранимое содержимое.

Наш вклад в эту работу резюмируется следующим образом: (i) Исследование применений скрытых данных датчиков интеллектуальных устройств, которое было проведено в период 2004–2018 гг. (ii) Разделение угроз скрытых данных датчиков интеллектуальных устройств на три основные категории и предложение различных сценариев этих угроз (iii) ) Обсуждение нескольких предлагаемых решений для скрытых угроз данных (iv) Предлагается простой подход для начала вывода скрытой информации из данных датчиков интеллектуальных устройств без глубоких навыков программирования

Остальная часть этого документа организована следующим образом: Раздел 2 представляет собой обзор архитектуры интеллектуальных устройств и их внутренние компоненты.В разделе 3 показано, как интеллектуальный анализ данных и IoE сталкиваются в области интеллектуальных устройств. В разделе 4 показаны полезные приложения для извлечения скрытых данных. В разделе 5 показаны недостатки извлечения скрытых данных сенсора и способы начать копать скрытые данные смарт-устройства. Наконец, мы завершаем эту работу в Разделе 6.

2. Архитектура интеллектуального устройства

Смарт-устройства в этой работе определяются как портативные устройства. К ним относятся смартфоны, планшеты и умные часы. Эти устройства имеют примерно одинаковую внутреннюю архитектуру с разницей в скорости, размере, количестве датчиков и емкости памяти.Кроме того, они используют те же операционные системы и программные пакеты. Приложения, разработанные для смартфона, работают и работают в планшетах. На рисунке 1 показана блок-схема внутренней архитектуры интеллектуального устройства. Как показано на рисунке, интеллектуальные устройства состоят из двух основных частей: процессоров и датчиков. Существуют также другие элементы интерфейса, которые соединяют датчики с процессорами, такие как аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), голосовые кодеки и основная память для обработки инструкций приложений смарт-устройств. .В следующих разделах рассматривается основная часть рисунка с упором на датчики.

2.1. Процессоры для смартфонов
Современная архитектура смартфонов содержит два или более процессора. К ним относятся процессоры приложений и основной полосы частот. Ниже представлены эти процессоры.
2.1.1. Прикладной процессор
Этот процессор аналогичен центральному процессору (ЦП) в персональных компьютерах (ПК) или портативных компьютерах. Тем не менее, у него есть три основных конструктивных особенности.Во-первых, в нем есть механизм энергосбережения. Во-вторых, он отвечает за управление всеми датчиками, SD-картой и коммуникационными модулями смартфона. Встроенные в смартфон датчики являются аналоговыми датчиками. Для этих датчиков требуются аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Чтобы уместить все эти компоненты в тонкие смартфоны, используется технология «система на кристалле» (SoC), как и в микроконтроллерах. Кроме того, технология микроэлектромеханических систем (MEMS) используется для разработки небольших датчиков. В-третьих, он использует доверенную среду выполнения, которая отвечает за хранение данных в надежной, безопасной и защищенной области [11].В дополнение к этим компонентам может быть встроен другой сопроцессор, например Huawei Kirin 970, Apple M7 и Motorola X8. Этот сопроцессор представляет собой маломощный электронный компонент, имеющий собственную структуру и способный выполнять обработку естественного языка (NLP) и обработку контекстных вычислений (CCP). CCP обрабатывает данные датчиков акселерометра, гироскопа и магнитометра в режиме реального времени. Сопроцессор всегда включен и обрабатывает данные датчиков в реальном времени, даже если процессор приложения находится в режиме пониженного энергопотребления и сенсорный экран выключен.Аудиопоиск Google «Google Go» в смартфонах Android является хорошим примером возможностей НЛП. Новые сопроцессоры обладают возможностями нейронной сети, например Huawei Kirin 970, который можно найти в Huawei Mate 10.
2.1.2. Процессор основной полосы частот
Этот процессор представляет собой аппаратно изолированный компонент, который имеет соединения с картами модуля идентификации абонента (SIM), микрофоном и динамиками. Он отвечает за сотовую связь, SMS и передачу данных по сотовой сети. Он оснащен операционными системами реального времени (RTOS).Этот процессор изолирован, чтобы голосовые вызовы продолжались в обычном режиме, даже если другие компоненты и приложения смартфона перегружены. Наконец, этот процессор отвечает за процесс передачи обслуживания между ячейками сотовой сети. Стоит упомянуть, что все эти процессоры могут быть спроектированы в методе SoC, чтобы разрешить доступ к общей памяти.
2.2. Датчики
Датчики интеллектуальных устройств были встроены в эти устройства для повышения удобства их использования, управляемости и управления.Например, датчик приближения был добавлен для улучшения управления питанием устройства; то есть, если устройство находится рядом с ухом пользователя, экран автоматически выключится. Другой пример — акселерометр, который определяет положение экрана и поворачивает его содержимое в соответствии с положением пользователей. И последний пример — датчик батареи, который контролирует процесс зарядки и температуру батареи.
Исследование скрытых данных показало, что данные, полученные от этих датчиков, можно использовать и интерпретировать для отображения другой информации, как в следующих разделах.Кроме того, в разделе 3 показано, как компоненты связи и сети, оснащенные интеллектуальными устройствами, могут быть использованы в качестве скрытых датчиков сбора данных. Это приводит к разделению сенсоров интеллектуальных устройств на активные и пассивные сенсоры в зависимости от их функциональности. Любой датчик может действовать как активный или пассивный датчик в зависимости от его использования. Другими словами, если данные, собранные с датчика, используются так же, как разработчики интеллектуальных устройств или разработчики их спроектировали, это называется активной функциональностью.Однако, если собранные данные были интерпретированы по-новому, эти датчики работают пассивно. Если датчики используются таким образом, возникает проблема со скрытой информацией. В следующих разделах представлены различные датчики интеллектуальных устройств.
2.2.1. Сенсорный экран
Сенсорный экран — это электронный компонент, который отвечает за основные операции ввода и вывода. Он используется для нажатия и набора символов. Для сенсорного экрана определены три основные процедуры взаимодействия.Во-первых, касание или касание определяется как процесс щелчка по экрану в любом месте для открытия, закрытия или ввода символа. Это основное действие сенсорного экрана. Во-вторых, мультитач — это процесс касания экрана более чем одним пальцем одновременно. Эта функция широко используется в игровых приложениях [12]. В-третьих, жест определяется как процесс рисования определенного рисунка на сенсорном экране. Жесты могут быть реализованы одним пальцем в режиме перетаскивания или несколькими пальцами, как в процессе изменения размера фотографий и изменения масштаба камеры.Было проведено множество научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с целью использования данных этих трех видов деятельности различными методами для получения некоторых скрытых данных. Один из методов визуализации данных с сенсорных экранов — это тепловые карты.
(1) Тепловые карты . Один из новых методов визуализации данных с помощью мультитач или жестов на экране смартфона известен как тепловые карты [13]. Разработчики разработали несколько методов для создания этих карт [14]. На рисунке 2 показан пример этих карт.

Эти карты, как упоминалось ранее, используются для визуализации данных.Многие приложения для смартфонов были написаны для использования этих карт для отладки написанных приложений и изучения поведения пользователей при отладке проблем приложений, таких как Appsee [15]. Более того, было проведено множество работ по изучению сенсорных жестов с использованием сенсорных карт для диагностики состояния здоровья, таких как синдром Дауна [16], воспринимаемая трудность [17] и проблемы с мелкой моторикой и глазами [18].
(2) Сенсорный экран как пассивный датчик . Во всех примерах, которые мы покажем, сенсорный экран используется активным образом: скорость касания, задержка, время набора текста и жесты.Однако исследователи нашли другой метод получения полезных данных с сенсорного экрана, который можно использовать с другими сенсорами смартфонов для изучения поведения пользователей во сне, подсчитывая, сколько раз сенсорный экран открывается и закрывается [19]. Более того, его можно использовать с приложением будильника, чтобы изучить, насколько быстро пользователи реагируют на сигналы будильника [20].
2.2.2. Датчики движения
В современные интеллектуальные устройства для обнаружения движения встроены три основных датчика: акселерометр, гироскоп и магнитометр.Акселерометр определяет изменения смещения, ориентации и наклона устройства вокруг трех осей, измеряя силы ускорения. Теория его работы зависит от изменения значения емкости, в то время как подвижная масса свободно перемещается между фиксированными пластинами в МЭМС. Полные изменения напряжения со всех пластин могут быть записаны и использованы. На рисунке 3 показана простая двухмерная структура акселерометра.

С другой стороны, гироскоп измеряет, насколько быстро устройство вращается по трем осям [21].Его внутреннее устройство аналогично устройству акселерометра. Однако сила вращения перемещает массу, чтобы изменить значения емкости внутренних неподвижных пластин. На рисунке 4 показана простая двухмерная структура гироскопа. Фактически, гироскопы и акселерометры часто используются вместе в приложениях, как показано в разделе 4.1.

Магнитометр — это датчик, который измеряет силу магнитного поля вокруг телефона, с помощью которого телефон может определить его абсолютное направление относительно геомагнитного поля Земли [22].Большинство магнитометров зависят от величины напряжения, которое обнаруживается на металлическом элементе при наличии магнитного поля. Поэтому магнитометры в основном используются в электронных компасах [23, 24].
Датчики движения — аналоговые датчики. На выходе этих датчиков разный уровень напряжения. Изменение напряжения преобразуется с помощью АЦП в цифровое число, которое можно прочитать и отобразить в цифровом мире. Датчики движения имеют разные частоты, которые определяют, сколько новых измерений выполняется каждую секунду.Функции извлекаются для извлечения полезной информации из данных датчика движения. Для извлечения этих признаков устанавливается частота чтения. Более того, значения многопоточности группируются вместе, образуя окно. Размер этих окон варьировался в проведенных исследованиях от 10 до 120 отсчетов. Наконец, из этих окон рассчитываются различные характеристики. Эти функции делятся на три основных класса: время, частота и вейвлеты. В таблице 1 показаны наиболее популярные функции временной области, а в таблице 2 показаны функции частотной области, которые доминируют при извлечении скрытой информации с этих датчиков.Определения этих характеристик и их уравнений можно найти в [25].
180–184, суммирование 95, сумма точек данных, разделенных на их количество
Признак Цитирование Определение
Среднее
Стандартное отклонение [18, 58, 74, 75, 180, 183, 184] Это квадратный корень из дисперсии
Среднее отклонение [18, 58, 74, 180, 183] Среднее расстояние между точками данных и их средним или средним значением
Асимметрия [18, 180, 183] Измеряет асимметрию от среднего значения.Он использует среднее значение и дисперсию
эксцесс [18, 180, 183] Оценивает частоту экстремальных значений. Он использует среднее значение в своей формуле
Среднеквадратичная амплитуда [18, 180, 183, 184] Используется для вычисления мощности сигнала. Он использует максимальное значение набора
Наименьшее значение [18, 180, 182–184] Максимальная точка данных
Наивысшее значение [18, 180, 182–184] Минимальная точка данных
ZCR [18, 183] Скорость пересечения нуля — это счетчик того, сколько раз точки данных пересекают нулевое значение
Неотрицательное число [18, 183] Общее количество положительных точек данных в наборе
Средняя абсолютная разница [75, 185] Среднее значение общих различий между всеми точками данных в наборе
Время между пиками [75, 184, 185] Число точек между двумя высокими или низкими пиками
Групповое распределение [75] Процессы группировки точек данных в меньшее количество точек или «интервалов» 90 237
Спектральный 9023
Характеристика Цитирование
Стандартное спектральное отклонение [180, 183]
Спектральный эксцесс [18, 180, 183]
Спектральная асимметрия [18, 180, 183]
гребень [18, 180, 183]
Неровность-J [18, 180, 183]
Гладкость [18, 180, 183]
Плоскостность [18, 180, 183 ]
Откат [18, 180, 183]
Энтропия [18, 183]
Яркость [18, 183]
Roughn ess [18, 183]
2.2.3. Датчики мультимедиа
В интеллектуальные устройства встроены два основных датчика мультимедиа: камера, отпечаток пальца и микрофон. В следующих разделах описывается процесс получения изображения с камеры и датчики отпечатков пальцев.
(1) Камера . Фотосъемка с помощью камеры смарт-устройства проходит пять различных сложных этапов. Процесс начинается со сбора света через объектив камеры и его фокусировки на внутреннем фильтре. Впоследствии выходные цвета RGB передаются на датчик основной камеры, датчик CCD / CMOS.На этом этапе каждый цвет обрабатывается как отдельные компоненты. Для просмотра последнего изображения требуется интерполяция цвета и этап постобработки изображения. Каждый из этих этапов оставляет отпечаток пальца на полученном изображении. Этот сбой можно использовать для отслеживания любой фотографии обратно в камеру, которая ее сделала, как показано в следующих разделах. На рисунке 5 показана конвейерная процедура сбора изображений камеры смартфона.

(2) Отпечаток пальца . Отпечаток пальца — это разновидность систем биометрического распознавания.Биометрическое распознавание можно определить как процесс, при котором личность пользователя устанавливается посредством идентификации или проверки [26]. Он набирает популярность, поскольку его процесс зависит от пользователей, а не от того, что они носят или помнят, как другие традиционные системы безопасности. Функция биометрического распознавания сильно зависит от физических, химических и поведенческих характеристик тела пользователя, таких как отпечаток пальца, радужная оболочка глаза, лицо, голос или даже запах тела или тепло тела [27].Делак и Грджич провели хороший обзор методов биометрического распознавания, охватывающий большинство из них [28]. Среди этих определяющих характеристик отпечаток пальца является наиболее часто используемым в системах идентификации пользователя, поскольку у пользователей есть отличительные образцы отпечатков пальцев для каждого пальца [29]. Следовательно, системы отпечатков пальцев — это в основном системы распознавания образов для пальцев [30], где датчик измеряет расстояния и обнаруживает образцы между выступами и канавками, которые формируют отпечаток пальца [31].После этого система либо сравнивает результат с биометрическими данными, которые были ранее получены от пользователя — процесс проверки, — либо сравнивает его с базой данных биометрических данных отпечатков пальцев от разных пользователей — процесс идентификации [26].
Существует два основных типа датчиков отпечатков пальцев, которые по-прежнему популярны и широко используются в различных системах биометрического распознавания [32, 33]: оптические датчики, в которых улавливается свет, отражающийся от выступов и впадин отпечатков пальцев, и формируется изображение отпечатка пальца. создан [34, 35], как показано на рисунке 6, и емкостные датчики, где та же процедура выполняется с использованием разницы емкостей в отпечатке пальца для создания такого же изображения, как показано на рисунке 7.Основное внимание здесь будет уделяться емкостным датчикам, поскольку почти все смартфоны, поддерживающие биометрическое распознавание, оснащены емкостными датчиками отпечатков пальцев. Этот метод идентификации пользователя становится все более популярным среди пользователей мобильных телефонов. Фактически, исследования показали, что около 35% людей используют распознавание отпечатков пальцев в качестве метода проверки пользователя на своих телефонах [36]. Подсчитано, что более половины мобильных телефонов, которые будут проданы в 2019 году, будут оснащены датчиками отпечатков пальцев [29, 37].И хотя отпечаток пальца можно считать безопасным способом блокировки и разблокировки мобильного телефона, существуют некоторые приемы и методы, которые можно использовать для создания имитации отпечатков пальцев для взлома или разблокировки мобильного телефона. Цао и Джайн показали, что смартфон можно успешно взломать или разблокировать с помощью двухмерного отпечатка пальца от первого пользователя [29]. Другие исследования пошли еще дальше, построив изображение отпечатка пальца по мелочам. Результаты показали, что существует очень большое сходство между оригиналом и восстановленным отпечатком пальца [38].Бен-Ашер и др. предложил двухэтапный метод аутентификации, при котором отпечаток пальца в сочетании с сенсорным экраном используется для проверки или идентификации пользователя [39].

2.2.4. Барометр
Барометр — это один из датчиков, которые недавно добавлены в смартфоны. Он измеряет изменения атмосферного давления вокруг телефона. Он очень чувствителен, поскольку может измерять изменения атмосферного давления внутри одного и того же здания или сооружения. Его можно использовать для предсказания погоды.Более того, он может измерять высоту устройства [40]. Wu et al. показали, что барометры смартфонов могут использоваться для обнаружения событий открытия / закрытия дверей в любом месте внутри здания на основе внезапных изменений показаний атмосферного давления [41].
2.2.5. Датчик внешней освещенности
Датчик внешней освещенности — это фотодетектор, который определяет окружающий или внешний свет интеллектуального устройства и изменяет яркость экрана интеллектуального устройства. Он также используется для уменьшения яркости экрана, чтобы снизить энергопотребление аккумулятора.В [42] он использовался для изучения психического здоровья пользователей умных часов. Более того, в разделе 4 будет показано, что этот датчик широко используется для извлечения пользовательских шаблонов блокировки экрана.
2.2.6. Другие датчики
В интеллектуальные устройства встроены и другие датчики, например датчик приближения и датчик температуры аккумулятора. Однако в литературе можно найти несколько приложений, связанных с этими датчиками. Датчик температуры батареи использовался в медицинских приложениях для решения смертельных ситуаций, когда температура тела быстро падает [43].Для датчиков приближения, насколько нам известно, не проводилось никаких приложений или исследований, позволяющих вывести различную информацию из собранных данных.
3. Смартфоны, интеллектуальный анализ данных и IoE
Интеллектуальный анализ данных — это наука извлечения полезной информации из записей и репозиториев больших данных. Эти репозитории создаются из пользовательского содержимого и машинных датчиков. Вопрос не в том, как собрать эти данные. Вопрос в том, как его добыть. Смартфоны оснащены десятками датчиков и электронных компонентов, которые генерируют данные в режиме реального времени [44].Эти электронные компоненты и датчики были встроены в смартфоны для повышения удобства использования этих устройств. Однако исследователи нашли огромные методы использования этих компонентов и датчиков для получения различной информации. За прошедшие годы было собрано множество наборов данных с открытым доступом. Их можно бесплатно скачать из Интернета. Одним из таких наборов данных является набор данных LiveLab [45], который состоит из мобильных журналов 100 добровольцев за 14-месячный период. Набор данных состоит из пятнадцати различных таблиц SQL.По данным Google Scholar, он был изучен в более чем 278 научных статьях. Из него извлечена различная скрытая информация. Другой набор данных, доступный в Интернете, можно найти в [46], который цитировался в 342 статьях. В его сборе участвовали 30 волонтеров. Сделал упор на датчик акселерометра. Он был расширен в [47] и получил еще 130 цитирований. Они расширили его на большее количество экземпляров. Однако больше датчиков не добавили. Другой пример набора данных, который был собран, содержится в [48].Этот набор данных сосредоточен на модуле Wi-Fi в смартфоне, акселерометре и гироскопе. Кроме того, были записаны данные умных часов. Последним примером является массивный набор данных [49, 50], который состоит из данных 35 пользователей, зарегистрированных за два месяца. Он записывал все действия пользователей смартфонов. Этот набор данных получил около 100 ссылок. Общей чертой всех этих наборов данных является то, что они не записывали ни контент пользователей, ни какие-либо личные данные. Другими словами, собранные данные обрабатываются как обычные данные пользователей смартфонов.Поскольку опубликовано более тысячи статей с различной извлеченной информацией из этих наборов данных, не являющихся частными, становится очевидным, как эти нечастные данные привели к извлечению огромного количества информации, которая может отслеживать и идентифицировать действия пользователей.
Как уже упоминалось, проблема не в сборе самих данных. Настоящая проблема в том, как связать данные с разных датчиков, чтобы сосредоточиться на другом скрытом значении. Процесс майнинга также не является проблемой; Алгоритмы машинного обучения полезны при поиске моделей для получения необходимой сфокусированной информации [44].Этот процесс похож на взлом системы. Информация собирается из активного и пассивного зондирования, например, данные датчиков. Впоследствии майнинг используется для поиска ошибок, нарушений и недочетов в системе. Наконец, пишутся алгоритмы для использования системы. Трудным шагом в интеллектуальном анализе данных для системы больших данных является подключение входов. Другими словами, извлеките полезные функции из данных и найдите информацию из собранных данных.
Алгоритмы машинного обучения (MLA), контролируемые и неконтролируемые, широко используются в различных хорошо известных приложениях, таких как фильтрация спама, экспертные системы и предложения друзей в социальных сетях.Было написано множество программных библиотек на всех языках программирования, позволяющих реализовать MLA в несколько строк. Это позволяет исследователям сосредоточиться на разработанном приложении и интерпретации данных. На рисунке 8 показаны наиболее популярные методы MLA, используемые в проводимых работах по извлечению скрытых данных с датчиков интеллектуальных устройств. Как показано на рисунке, количество этих алгоритмов огромно, и они не могут быть описаны в одной статье. Однако в следующих разделах будут представлены три основных алгоритма: случайный лес, машина опорных векторов (SVM) и искусственная нейронная сеть (ANN).Эти алгоритмы были выбраны, поскольку они использовались более чем в 70% проведенных исследований, рассмотренных в этой статье.

3.1. Случайный лес
Случайный лес — это управляемый MLA, который имеет два основных приложения: регрессию и классификацию. Случайный лес — это улучшенная версия деревьев решений, появившихся в 80-х годах. В случайном лесу деревья множественных решений строятся из одних и тех же обучающих данных. Впоследствии эти деревья усредняются для получения требуемого результата.Случайный лес был предложен для решения двух основных проблем классических деревьев решений: переполнения и высокой дисперсии [51]. Как и в деревьях решений, случайный лес использует метод обучения «мешковины» для получения стабильных и точных результатов.
3.2. Машина опорных векторов (SVM)
Как и случайный лес, SVM — это управляемый MLA, который можно использовать для регрессии и классификации. Однако классификация SVM преобладала. В SVM точки данных отображаются виртуально в размерной области признаков, и запускается процесс поиска гиперплоскости, которая разделяет эти точки на мультиклассы.Этот процесс инициируется выбором ряда опорных векторов из собранных данных. SVM — это расширенная версия MLA с логистической регрессией, в которой можно получить мультиклассы.
3.3. Искусственная нейронная сеть (ИНС)
Подобно случайному лесу и SVM, ИНС представляет собой контролируемую MLA, которую можно использовать для регрессии и классификации. ИНС имеет много типов и классов. Самый простой и распространенный тип — это многоуровневые сети прямого распространения. В этом типе разное количество узлов используется на трех основных уровнях: входном, выходном и скрытом.Этот тип является усовершенствованием логистической регрессии. SVM и ANN схожи во многих технических областях. Однако ИНС имеет фиксированное количество скрытых узлов в скрытых слоях и фиксированное количество узлов в первом слое, равное количеству функций плюс смещение. С другой стороны, SVM выбирает ряд данных из обучающих данных в качестве вектора поддержки. Это означает, что количество узлов в SVM не фиксировано. Более того, ИНС поддерживает несколько выходов, в отличие от SVM, которая поддерживает один выход.
4.Приложения для вывода скрытой информации
Далее будет рассмотрен обзор пяти основных применений данных, полученных с помощью сенсоров смартфонов. Точность извлеченной информации проверяется в разделе 4.2.
4.1. Применение датчиков смартфона
Некоторые из следующих приложений рассмотрены в [22]. Каждое из этих приложений будет показано с примерами проведенных работ в данной области.
4.1.1. Аутентификация нажатием клавиши
Аутентификация нажатием клавиши (KA) — это набор методов и инструментов, которые аутентифицируют пользователя компьютера или смартфона по его поведению.Были написаны тысячи исследовательских работ, чтобы показать, как различные особенности прикосновений могут различать пользователей. Одной из первых попыток изучения КА с помощью клавиатуры является [52]. Авторы попытались изучить КА статистически. 15 различным пользователям было предложено 11 раз ввести предложение из 43 символов. Были собраны и сравнены пять различных функций: продолжительность нажатия клавиш, относительная скорость нажатия клавиш, относительный порядок нажатия клавиш, клавиша Shift и ее классы. Длительность нажатия клавиш была изучена в первую очередь.Они заметили, что поведение одних и тех же пользователей при вводе одного и того же предложения 11 раз не изменилось; тем не менее, это зависит от разных пользователей. Однако наиболее эффективной функцией определения пользователей является скорость нажатия клавиш.
Эти попытки были выполнены на смартфоне. В [53] смартфон на базе Android был использован для сбора паттернов прикосновений 20 пользователей. Были собраны три основных столбца данных: действия (нажатие вниз и нажатие вверх) и расположение экрана.Из этих собранных столбцов была извлечена 21 различная характеристика. Были оценены два классификатора машинного обучения: ИНС и предлагаемый оптимизированный PSO-RBFN. По результатам было замечено, что нормальная ИНС достигла точности более 93%. В [54] сравнивались семь алгоритмов машинного обучения для KA. Была использована строка, состоящая из 664 символов. Были записаны три разных столбца данных: символ, продолжительность удержания клавиши и системное время. Впоследствии на основе этих данных были построены признаки с использованием техники -рограмм.Построены 4-, 3- и 2-граммовые элементы. Результаты показывают, что более высокие -граммы дают лучшие результаты и меньше ошибок. Наконец, в [55] авторы предложили KA для смартфонов, основанную на четырех различных характеристиках: время удержания, промежуточное время, расстояние (между двумя разными нажатыми символами (в пикселях)) и скорость. Более того, они выбрали эти функции после изучения и разделения функций КА на три основных класса. Первая категория — это способ, которым пользователи вводят сообщение на сенсорном экране, где данные были собраны для извлечения функций.В этом стиле проводились разные работы [55–57]. Сравнивались разные алгоритмы машинного обучения. Полученные результаты обнадеживают. Во второй категории используются датчики движения с сенсорным экраном, как в [58]. Последняя категория — жестовая, как в [59, 60]. Стоит отметить, что о популярности КА в смартфонах написано множество обзоров [61–63]. Более того, в [61] показана популярность исследований КА и публикации статей.
Помимо смартфонов, в последние годы большую популярность приобрели умные часы KA.В [64] авторы использовали датчики движения умных часов с функциями временной области для аутентификации пользователей. Алгоритм KNN был применен к 20 пользователям. Сообщается о точности, превышающей 80%. В [65] была предложена система непрерывной аутентификации пользователей в реальном времени, использующая умные часы и алгоритм нейронной сети. В [66] была предложена система для использования KA для разблокировки умных часов на основе шаблонов взмахов рук. Другие примеры рассмотрены в [64]. Другая работа с акселерометром была проведена в [67] для аутентификации между устройствами при подключении гарнитур и смарт-часов к смартфонам.
Методы КА можно резюмировать в три этапа. Во-первых, из пользовательского ввода извлекается множество функций, таких как скорость набора, время задержки между разными символами во время нажатия и использование мультитач [68, 69]. Впоследствии эти функции нормализуются и преобразуются в матрицу входных функций и выходных результатов. Наконец, эти данные вводятся в алгоритм машинного обучения, такой как искусственная нейронная сеть (ИНС), машина опорных векторов (SVM) или логистическая регрессия (LR), для обучения.Модель вывода может использоваться для процесса аутентификации [55, 70]. Все использованные методы следовали одной и той же процедуре с разными функциями или разными алгоритмами.
Эти системы показали высокую точность аутентификации пользователей. Однако, поскольку точность не 100%, она может не подтвердить подлинность реального пользователя смартфона. Чтобы преодолеть эту проблему, эти системы используются в качестве второй системы аутентификации и повторной аутентификации [57] или систем непрерывной аутентификации [71, 72].В этом методе имя пользователя и пароль по-прежнему используются для аутентификации; однако для непрерывной аутентификации пользователя во время сеансов телефон отслеживает поведение пользователя при касании и касании.
4.1.2. Личные качества
Прогнозирование личных качеств на основе использования смартфонов было рассмотрено за последнее десятилетие. Проведенные работы начались с опросов и анкет, которые владельцы смартфонов заполняли, чтобы лучше понять их психологические особенности. В [73] были изучены пять различных черт, названных большой пятеркой.Эти характеристики — покладистость, сознательность, экстраверсия, невротизм и открытость. Логистическая регрессия и линейная регрессия были использованы для анализа результатов анкетирования. Телефонные звонки, текстовые сообщения, просмотр веб-страниц и игры изучались с учетом возраста, пола и пола. Авторы заявляют о положительном отношении к дружелюбию и телефонным звонкам, но отрицательное отношение к коротким сообщениям. Об этой связи также сообщалось в [74], что означает «меньше согласия, больше использования телефона.Кроме того, они сообщили, что больше игр означает меньше удовольствия [75].
Другие личные качества были проведены для оценки взаимодействия между пожилыми людьми и смартфонами [76]. Анкеты и образцы использования смартфона были записаны для трех приложений для смартфонов. Они попытались изучить связь между возрастом и моделями касания экрана. Результаты могут быть использованы для улучшения разработки приложений или прогнозирования возраста пользователей. В [77] было проведено сравнение более 13 классификаторов ML, чтобы отличить детей от взрослых с помощью прикосновения к клавиатуре.С точностью более 92% у системы есть потенциал в будущем.
Еще один интересный пример, характеризующий состояние пользователей смартфонов через сенсорный экран, — это снижение мелкой моторики у пользователей смартфонов в холодную погоду, когда температура их пальцев падает [78, 79]. Это условие можно использовать для изучения местоположения пользователей, их состояния здоровья или других проблем. В [80] авторы получили точность более 90% гендерной классификации. Однако в [81] они сообщили о точности всего 61%.Несмотря на то, что количество датчиков, используемых в [81], превышает количество в [80], выбранный алгоритм и функции ML были оптимизированы.
Другим примером в этой категории является работа, проведенная в [82], в которой данные игрового поведения пользователей сенсорных экранов были собраны и использованы для прогнозирования игроков, которые играют. Этот метод зафиксировал точность 80%. Более того, предлагаемое приложение Falcon использует поведение пользователей для сокращения времени запуска приложений [83].
Другая интересная работа была проведена в [84], где авторы попытались определить настроение пользователей смартфонов, используя данные, полученные с датчиков.Настроение пользователей не считается личным. однако в будущем люди могут быть персонализированы по своему настроению.
Другие личные характеристики, полученные со смартфонов, — это физические характеристики, такие как пол, вес, рост, возраст, раса и даже размер обуви. Эти характеристики были оценены с помощью различных датчиков смартфонов. Прогнозирование этих характеристик с помощью датчиков смартфона называется мягкой биометрией. В [85] представлен обзор огромного количества мягкой биометрии и ее приложений.Более того, в [86] показаны проблемы и возможности в этой области. Стоит отметить, что в этой области преобладают функции датчика акселерометра. Тем не менее, датчик отпечатков пальцев, используемый в смартфоне, также использовался для классификации по полу и возрасту [87–89]. Таблица 3 суммирует некоторые из интересных и ранних работ, проведенных в этой области. Следует отметить, что на личные качества, оцениваемые с помощью сенсоров смартфонов, влияет одежда и обувь [90, 91].
9023 9023 Область 9023 9 0236 [87]
Работа Датчик Характеристики Алгоритм Характеристики Результаты
ANN, алгоритмы дерева решений J48 [187] и обучение на основе экземпляров (IBk) [188] Вес, рост и пол 71,2% для пола с использованием IBk, 85.7% для роста с использованием ИНС и 78,9% для веса с использованием IBk
[182] Акселерометр и сенсорный экран Характеристики временной области, давление прикосновения и размер — средний ближайший сосед Идентификация пользователя Более 96% для идентификации
[77] Сенсорный экран Задержка между нажатием двух разных клавиш ИНС, ближайший сосед, SVM, градиентный спуск bp, Евклидово расстояние, линейный дискриминантный анализ и еще 5 алгоритмов Отнесение детей к взрослым Более 92% для SVM и 89% для линейного дискриминантного анализа
[80] Сенсорный экран Задержка и продолжительность нажатия SVM Гендерная классификация Точность 91%
[81] Сенсорный экран, акселерометр и гироскоп 29 функций, включая: специальные клавиши, общий все нажатые клавиши, количество использованных обратных пробелов, расстояние редактирования, общее время завершения, среднее время между клавишами Дерево решений (количество клавиш), линейное ядро SVC (возраст), линейное ядро SVC (пол), логистическая регрессия, -ближайший, и по Гауссу NB Количество используемых пальцев, пол и возраст 80% для количества пальцев, 75% для возраста и 60% для пола
[189] Жесты сенсорного экрана, гироскоп, акселерометр 14 характеристик жеста, общая длина, общее время, ширина, высота, площадь, давление, скорость, ускорение, расстояние дуги и угол от начала до конца SVM, логистическая регрессия, наивный байесовский метод, J48 Гендерная классификация 71% точность для логистической регрессии
[190] Отпечаток пальца Функции вейвлета и разложение по сингулярным значениям -ближайший Гендерная классификация Превышена точность 88%
Сенсорный экран Скорость жеста смахивания в четырех направлениях и другие функции из [189] Статистические Длина большого пальца и высота пользователя Точность 72% отношения между длиной большого пальца и высотой
4.1.3. Отпечаток устройства
Отпечаток устройства определяется как метод обнаружения и распознавания различных интеллектуальных устройств, даже если они были произведены одной и той же компанией в один и тот же день в одном и том же месте. Исследователи обнаружили, что электронные датчики, разработанные и реализованные в интеллектуальных устройствах, имеют определенные шумные выходы, которые можно использовать как отпечатки пальцев этих устройств. В таблице 4 приведены некоторые из проведенных работ по распознаванию интеллектуальных устройств по отпечаткам пальцев.
Работа Устройства Датчики Сценарий Функции Алгоритмы Результаты
9023
, акселерометр, магнитометр, микрофон и вибратор 4 сценария: (а) смартфон на столе с вибрацией и без нее и (а) смартфон в руке с вибрацией и без нее Характеристики временной и частотной области Случайный лес и наивный байесовский Точность акселерометра выше, чем у обоих датчиков.С комбинацией всех датчиков точность идентификации превышает 90%
[191] 17 Android и 17 IOS Микрофон, динамики и акселерометр Три сценария (деревянный стол, металлический шкаф и подоконник) Частотная характеристика и значение БПФ Оценка максимального правдоподобия (MLE), простая евклидова классификация на основе расстояния и классификация -NN 95% точность для микрофона и динамика и более 98% для обоих
[180] 10 Android-устройств Акселерометр, гироскоп, магнитометр, микрофон, камера и вибратор Плоская деревянная поверхность и портативный Неоднородность фотоотклика (PRNU), особенности временной и частотной областей Дерево решений в пакетах Высокая точность для гироскопа и акселерометра, 100% для комбинации обоих
[192] 4 IOS, 1 Blackberry, и 8 устройств Android Камера — Функции вейвлета, неоднородность фотоотклика (PRNU) SVM Точность приблизительно 94%
[193] 8000 IOS Все датчики и контекстные функции — 29 различных функций SVM и случайный классификатор Точность примерно 97%
[194] 6 камер и 3 смартфона Камера — Характеристики цвета, качества и частотной области SVM Точность от 66% до 97%
[195] 12 смартфонов и камера Камера — Цвет, качество, частотная область и функция вейвлета + PRUN SVM Для всех функций точность увеличивается.Некоторые функции позволяют получить лучшие результаты в определенных сценариях.
[196] Arduino и акселерометр Акселерометр На плоском столе Функции временной области Статистические Каждый чип акселерометра 9034
[25] 3 смартфона от трех поставщиков Акселерометр и гироскоп На плоском столе Характеристики во временной области SVM Точность более 90%
[181] 9023 IOS и Android Акселерометр и гироскоп На столе Характеристики во временной и частотной области SVM, наивный байесовский алгоритм, мультиклассовое дерево решений, ближайший сосед (KNN), классификатор квадратичного дискриминантного анализа (QDA) и деревья решений в мешках Упакованные деревья решений имеют самую высокую точность
4.1.4. Статус пользователя
Статус пользователя делится на две категории: активность и локализация в помещении. Обзор этих двух категорий представлен ниже.
(1) Активность пользователей . Это массивный зонтик, охватывающий множественные действия. Тем не менее, эти действия можно разделить на три основных класса: простые, сложные и полезные. Простые действия могут быть определены одним действием, например, ходьба, подъем по лестнице, спуск по лестнице, прилегание и сон. Сложные действия сочетают в себе различные действия, которые происходят одновременно, например, вождение автомобиля, катание на велосипеде или переодевание.Наконец, здоровая деятельность — это комплексная деятельность, сочетающая в себе множество действий, влияющих на здоровье пользователей, например, упражнения и падение. В этих приложениях преобладают датчики движения. У них более высокая точность, чем у других датчиков. Однако какова мотивация определения статуса пользователей? Чтобы ответить на этот вопрос, будет показано несколько примеров обнаружения активности.
В [92] авторы утверждали, что извлечение действий пользователей из данных акселерометра и гироскопа предсказывает поведение водителя автомобиля.Они классифицировали водителей на агрессивных и нормальных водителей. Алгоритм DTW был реализован с функциями временной области. Авторы сообщили, что данные гироскопа повышают точность данных акселерометра при прогнозировании поведения водителей. В [93] авторы также использовали акселерометр и гироскоп для обнаружения пьяных водителей. Авторы предложили и разработали приложение, которое определяет, пьян ли водитель, предупреждает водителя и вызывает полицию. Статистический алгоритм был развернут в реальном времени.
В [94] авторы попытались классифицировать способы передвижения (ходьба, езда на велосипеде, автомобиль, автобус и поезд), используя данные GPS и акселерометра в реальном времени. Они попытались максимально уменьшить вектор признаков, чтобы уменьшить вычислительную мощность. KNN и случайный лес сравнивались с целью классификации. Для процесса сокращения признаков использовались анализ главных компонентов (PCA) и рекурсивное исключение признаков (RFE). Сообщается о точности более 96% на основе случайного классификатора лесов.Данные, представленные в этой работе, могут быть использованы для составления статистического отчета о способах передвижения в городах. Однако для проводимых работ необходимы данные GPS. Этот датчик требует разрешения пользователей для работы и сбора данных. Обнаружение физической активности — еще одно приложение для прогнозирования статуса пользователей. В этом классе смартфоны используются для классификации физических нагрузок, таких как ходьба, езда на велосипеде или сон. В [95] авторы использовали показания акселерометра и гироскопа с алгоритмом SVM для классификации физических нагрузок.Были классифицированы шесть различных видов деятельности. Из этих датчиков было извлечено 17 различных характеристик во временной и частотной областях. Авторы сообщили о точности более 95% при ходьбе, 79% при спуске по лестнице, 72% при подъеме по лестнице, 92% при стоянии, 94% при сидении и 100% при лежании. В [96] авторы сравнили ИНС с глубоким обучением с несколькими алгоритмами, основанными на одних и тех же датчиках движения. Они сообщили, что ANN с глубоким обучением превышает точность 95% по сравнению с другими алгоритмами.Тем не менее, они сообщили, что SVM имеет более высокую точность для стационарных действий. В [97] авторы попытались измерить производительность 6 различных позиций смартфонов с пользователями. SVM, KNN и алгоритмы случайного леса с функциями времени, частоты и вейвлетов используются для сравнения эффективности и точности действий различных пользователей в зависимости от положения смартфона. В [98, 99] обнаружение физической активности использовалось на основе датчика магнитометра, чтобы уменьшить шум датчика акселерометра, особенно при нахождении смартфона в различных областях тела.В [97] было собрано более 27 тысяч выборок данных от десяти разных субъектов. Характеристики вейвлета, частоты и временной области были извлечены из датчиков движения. Были использованы мультиалгоритмы, такие как случайный лес, SVM и KNN. Извлеченные результаты показывают высокую точность прогноза ежедневной активности. В [100] Actitracker было предложено использовать собранные данные с датчиков движения для обнаружения физической активности пользователей в качестве приложения для мониторинга состояния здоровья. Характеристики временной и частотной области были собраны и переданы в случайный классификатор леса.Приложение Actitracker позволяет пользователям определять пороговые значения своих повседневных действий для их измерения. В [101] оценивалось приложение для отслеживания активности для смартфонов Happito. Исследование показывает, что пользователи обращаются к приложению в среднем в течение 5 секунд только для проверки своего статуса, и их не интересуют свои исторические журналы. Это показывает, что эти данные следует удалять ежедневно в целях безопасности.
В области мониторинга здоровья с помощью датчиков движения выявляются различные заболевания, такие как болезнь Паркинсона, эпилепсия и инсульты [102, 103].В этой области преобладали приложения для обнаружения падений. В [104] авторы использовали четыре различных алгоритма классификации: наивный байесовский алгоритм, дерево решений J48, дерево решений случайного леса и SVM для обнаружения падения. Были зарегистрированы четыре типа падений: вперед с использованием рук, вперед с использованием колен, вбок и назад. Авторы утверждают, что точность превышает 99% для всех временных и частотных характеристик. В других работах использовались другие алгоритмы машинного обучения для обнаружения падений с учетом времени, частоты и вейвлетов [105, 106].Наконец, было написано приложение, использующее данные датчика движения для обнаружения падений и сигнализации [107].
В этой области использовались умные часы. В [108] авторы использовали умные часы для распознавания шести различных видов деятельности с использованием пяти различных ГНД. Зарегистрирована точность обнаружения нетрезвых людей с точностью более 90%. В [109] было предложено шесть различных действий с тремя разными алгоритмами, использующими функции временной области. Сообщается о точности 90% для алгоритма J48.Интересным детектором физических действий является приложение для подсчета шагов. В этом приложении классификатор сначала обнаруживает шаги; впоследствии он пытается подсчитать эти шаги [110]. Это приложение можно использовать в качестве первого шага в процессе локализации в помещении.
(2) Локализация в помещении . GPS доминирует в системе наружной локализации. Приемник GPS встроен во все новые интеллектуальные устройства. Однако внутренняя среда — это область без GPS. Это сделало его горячей темой для исследований в последние несколько лет, особенно в процессе локализации в метро, небоскребах и торговых центрах.Локализация внутри помещений в основном делится на два класса: локализация Wi-Fi и определение точного счета пешехода (PDR). Первый класс отличается высокой точностью. Однако для этого требуется установка сетевой инфраструктуры и точек доступа. В [111] датчики смартфонов и сигнал Wi-Fi были использованы для построения точной системы локализации в помещении с частотой ошибок около 1,1 м. Алгоритм KNN был принят из-за его простоты. Чтобы исключить установку точки доступа и инфраструктуры, предлагается PDR.В [112] данные гироскопа и акселерометра были записаны для локализации в помещении. В [113] авторы предложили приложение для точной локализации и отслеживания в помещении на основе магнитометра и камеры. Для сравнения изображений написана модель нейронной сети. В этом исследовании утверждается три разных факта. Во-первых, магнитные показания датчиков различаются в зависимости от их расположения в здании. Во-вторых, чтение не зависит от времени. Наконец, магнитное считывание наполовину невосприимчиво к фоновому шуму.Другие исследования показали, что магнитометры, наряду с акселерометрами, могут использоваться для создания систем слежения с очень высокой точностью, которые могут эффективно работать в помещении и иметь низкое энергопотребление, в отличие от GPS [114] в приложениях PDR. Другие исследователи показали метод создания внутренних карт зданий с помощью магнитометров и акселерометров [115]. Другой тип локализации в помещении — это высотная локализация. В этой области доминировал датчик барометра. Барометр может создавать модели определения местоположения телефона и, следовательно, пользователя телефона внутри зданий со 100% точностью [116].Телефонные барометры также использовались для определения уровня пола пользователя с высокой точностью [40]. Другие исследования показали, что местоположение пользователя можно оценить и отследить с приличной точностью только с помощью телефонного барометра [117]. Хотя акселерометры также могут использоваться в методах определения местоположения в помещении, барометры оказались более точными, особенно когда телефон отвлекается другими действиями, такими как игры или телефонный звонок [116]. Другое исследование продемонстрировало точные показания высоты телефона, в первую очередь, с помощью гироскопа телефона вместе с акселерометром [118].
4.1.5. Приложения для здравоохранения
Интеллектуальные устройства в приложениях для здравоохранения получили распространение за последнее десятилетие. Эти приложения подразделяются на три основных области: мониторинг состояния здоровья в реальном времени, отслеживание активности и обнаружение проблем со здоровьем и заболеваний. В приложениях для мониторинга здоровья интеллектуальные устройства могут использоваться для мониторинга различных аспектов и частей человеческого тела в активном или пассивном режимах. В активном режиме пользователь отвечает за выполнение определенной операции с использованием интеллектуального устройства для считывания внутренних органических сигналов.Например, в приложении Cardiio [119, 120] камера смартфона была адаптирована для измерения сердцебиения путем определения изменений цвета кожи во время циркуляции крови по телу. В приложениях для бесконтактного мониторинга здоровья преобладают акустические сигналы. Микрофоны и динамики получили широкое распространение. В [121] было предложено приложение для смартфона, использующее микрофон и динамик для отслеживания сердцебиения. В [19] было предложено приложение для мониторинга качества сна на основе акустических сигналов.Еще одно приложение для мониторинга здоровья — это мониторинг процесса реабилитации после травм. В [122] данные гироскопа и акселерометра были записаны дома для отслеживания прогресса реабилитации после тотального артропластики коленного сустава.
В литературе широко распространены интеллектуальные устройства и их сенсорные приложения для отслеживания состояния здоровья. В [123] было разработано приложение для смартфонов для отслеживания и предотвращения инсульта.
В обнаружении болезней интеллектуальные устройства продемонстрировали огромный потенциал.В разных приложениях используются разные датчики интеллектуальных устройств. В [124] камера смартфона использовалась для определения гемоглобина крови на анемию. Зарегистрирована точность от 76% до 85%. Другой пример применения контактной или активной камеры тестирования был предложен в [125] для проверки поражения кожи на предмет различных бактериальных заболеваний, таких как язва Бурули. В [126] были записаны все данные датчиков смартфонов для мониторинга психического здоровья и выявления депрессии, стресса и одиночества.Другой пример обнаружения заболеваний с помощью приложения для смартфонов — это обнаружение влияния кожных заболеваний на процесс идентификации по отпечатку пальца. Было обнаружено, что некоторые симптомы кожных заболеваний могут влиять на цвет кожи или структуру сосочковых гребней, что может влиять на сканеры отпечатков пальцев [127, 128]. Более того, исследования показали, что существует корреляция между образцами отпечатков пальцев и диабетом. Кан и др. обнаружили, что диабет был связан со средней разницей в количестве дерматоглифических гребней между большим пальцем и мизинцем с учетом поправки на пол и возраст [129].Другие также показали, что завитки, петли и дуги отпечатков пальцев у диабетиков значительно отличаются от недиабетиков [130, 131]. Хотя образцы отпечатков пальцев связаны только с диагностикой генетических заболеваний [132], это все еще поднимает вопрос о том, смогут ли мобильные телефоны, оснащенные сканерами отпечатков пальцев, выполнять такие задачи, как прогнозирование развития диабета или обнаружение определенных типов. кожных заболеваний у пользователей.
4.2. Точность извлеченной информации
Как упоминалось в предыдущем разделе, многие полезные приложения были предложены и разработаны на основе процесса обучения различных наборов данных.Процесс обучения, а также тестирование и проверка этих приложений проводились в контролируемой среде. Более того, собранные данные фильтруются перед использованием в MLA. Эти проблемы вызвали вопросы о точности разработанных приложений в реальной жизни и вне контролируемой среды [133].
Другая выявленная проблема — это количество функций, которые были извлечены и использованы в различных приложениях. Как упоминалось в предыдущем разделе, одни и те же функции использовались снова и снова для получения разных выводов.Те же функции использовались как для личных качеств, так и для личной деятельности. Если одни и те же характеристики раскрывают всю информацию, как личные качества не повлияют на извлеченные действия? Например, в [134] авторы показывают, как зашумленные данные в приложениях для работы с большими данными на смартфонах могут привести к неверным выводам. Авторы исследовали точность приложения для подсчета шагов в смартфонах Apple и Android. Они выявили большой диапазон ошибок в этих приложениях на обеих платформах. В [135] было проведено исследование качества работы приложений для здоровья на смартфонах.Полученные результаты выявили различные вопросы пользователей относительно достоверности, точности и конфиденциальности информации. Это показывает, что точность — одна из проблем пользователей. В [136] авторы сравнили классификацию приложений для смартфонов по личной повседневной деятельности двух разных групп: первой группы из 20 молодых людей и второй группы из 37 пожилых людей. Они обучили классификатор на основе данных, собранных из первой группы, и протестировали модуль во второй группе. Тот же эксперимент был повторен с другим модулем, обученным на данных второй группы и протестированным на первой группе.Они сообщили о сильном влиянии на точность в обоих сценариях. Это означает, что в эти исследования следует добавлять личные черты в качестве характеристик или собирать массивные наборы данных из разных стран для всех возрастов. В [137] авторы провели эксперимент по распознаванию походки с использованием гироскопа и акселерометра для умных часов, используя данные за один и тот же день и в разные дни для процесса тестирования и проверки. Они сообщили об увеличении количества ошибок в распознавании походки при использовании данных в разные дни.
Третья проблема — размер набора данных. Если эти приложения будут использоваться в разных странах и от людей разного возраста, как следует собирать набор данных и какого размера он должен быть? В [138] авторы провели эксперимент с данными, собранными у более чем 700 тысяч человек из 111 стран, для изучения ситуации с ожирением в странах. В других исследованиях участвовало только 10-50 человек [134, 135].
Вопрос точности приложений для смарт-устройств, использующих MLA, требует различных процедур тестирования и проверки в реальной жизни.
5. Проблемы, связанные с выводом скрытой информации
Как упоминалось выше, было предложено множество полезных приложений, использующих скрытую информацию открытого доступа датчиков. Однако использование этих данных позволяет выявить множество проблем. В следующих разделах представлены атаки на безопасность и вопросы конфиденциальности. Кроме того, будут выявлены и другие реальные проблемы физической безопасности.
5.1. Атаки по побочным каналам
Атаки по побочным каналам определяются как любые компьютерные атаки, которые могут быть реализованы с использованием собранных данных из системы законными способами, а не ошибок в развернутых алгоритмах [139].Эти атаки делятся на девять основных категорий. Четыре из этих категорий были реализованы в смартфонах, как показано в Таблице 5.
Алгоритмы
(DTMF) Программная клавиатура гироскоп, барометр, IP-адрес и часовой пояс 902 34 9023 906 Микрофон 9023
Работа Тип Датчики Функции Комментарии Результаты
[58] Движение Гироскоп и сенсорный экран Временная область, угол верхней биссектрисы и угол нижней биссектрисы Программная клавиатура только для цифр 70% точность для 4-значного PIN-кода Классификатор предположений
TapLogger [197] Движение Гироскоп, акселерометр и сенсорный экран Временной интервал и изменения угла Мягкая клавиатура для цифр 90% точность с 3 характеристиками для 8-значного PIN-кода SVM с использованием LIBSVM [198]
TapPrints [183] Motion Гироскоп и Акселерометр Временная область, частотная область и значения FTT Программная клавиатура для английских символов 90% точность для английских символов с выводом — ближайшего соседа (KNN), полиномиальной логистической регрессии, SVM, случайных лесов [199] и упакованные деревья решений
Аксессуар [184] Движение Акселерометр Временная область, среднее время от выборки до пика, общее время окна и количество выборок в окне Soft клавиатура для английских символов 6 символов пароля в 4.5 трейлов Случайный лес, ИНС, SVM и дерево решений C4.5
[200] Акустический Микрофон Функции Cepstrum [201] и распознавание речи утверждают, что это лучше, чем FFT Мягкая клавиатура для английских символов 96% точность Использовались скрытые марковские модели [202], линейная классификация, ИНС и языковые модели
Атака по времени [142] Время Микрофон FFT Мягкая клавиатура и аппаратная клавиатура Выведение ПИН-кода без срабатывания предупреждений Цепи Маркова с атакой грубой силы
Soundminer [203] Акустический Микрофон FFT, голосовая запись и двухтональный многочастотный режим Вывод PIN-кода, паролей, клавиш увеличения и уменьшения громкости Распознавание речи Google
Powerspy [145] Энергия Энергопотребление беспроводной связи Файлы энергопотребления как временные ряды — Выведение маршрутов и динамическое отслеживание в реальном времени Деформация времени (DTW) [204] и оптимальное смещение последовательности подпоследовательностей (OSB ) [205]
[149] Энергия Энергопотребление смартфона Файлы энергопотребления в виде временных рядов — Вывод приложений, геолокации, длины пароля и пользовательского интерфейса Статистика
[153] Время Прерывания Файл прерывания — Вывод приложений и разблокировка телефона DWT и скрытая марковская модель (HMM)
PinMele [151] Данные датчика — Вывод и отслеживание пользователей по всему миру SVM
[157] Акустический Микрофон Данные строки — Точность более 70% для 5-минутных аудиофайлов Статистический
[156] Данные строки — 1.5 частота ошибок Алгоритм без учителя
Идея атаки по побочному каналу зародилась давно. В этой области появилось много методов и алгоритмов. Один из самых старых методов — это электромагнитное излучение, предложенное в 1980-х годах. В этом методе исследователи обнаружили, что электронные компоненты излучают электромагнитные волны при переключении между различными состояниями. Этот метод использовался в различных атаках.В [140, 141] авторы попытались вывести компьютерные пароли с помощью электромагнитных волн нажатия клавиш. Авторы утверждали, что нажатие клавиши будет излучать электромагнитные волны, которые могут определить нажатую клавишу. Были оценены различные сценарии, такие как спад и нарастание. В [142] авторы попытались изучить уникальную звуковую обратную связь при нажатии клавиш для определения нажатых клавиш. Более того, авторы попытались изучить расстояние от клавиатуры, чтобы распознать эти звуки обратной связи.Они обнаружили, что этот метод можно использовать с помощью грубой силы, не вызывая никаких предупреждений.
Атаки по побочным каналам перешли на смартфоны за счет использования их датчиков. Некоторые данные датчиков получить труднее по сравнению с другими. Например, данные GPS требуют разрешения пользователей смартфонов, чтобы начать процесс сбора урожая. Однако для других датчиков разрешения не требуются. Например, W3C опубликовал спецификацию событий DeviceOrientation, которая позволяет JavaScript на веб-сайтах получать доступ к данным акселерометра и гироскопа в Android и IOS без разрешения пользователя [143].Одна из первых работ, которые были проведены для выявления угроз атак на сенсорные данные и защиты от сенсорных атак, содержится в [144]. Было проведено множество работ, чтобы показать, что все типы атак по побочным каналам жизнеспособны в смартфонах. Например, использование энергии в качестве атаки по побочному каналу было использовано в [145]. В смартфонах Android есть два файла с открытым доступом, которые отслеживают потребление энергии (/ sys / class / power supply / battery / Voltage now и / sys / class / power supply / battery / current now). Любой процесс или приложение могут получить доступ к этим файлам без разрешения.Авторы использовали эти файлы для отслеживания смартфонов и различения маршрутов. Были показаны два сценария для различения маршрутов, отслеживания в реальном времени и определения новых маршрутов. Были задействованы два алгоритма машинного обучения. Авторы показали, что потребление энергии смартфоном одинаково для одного и того же маршрута, даже если используются два разных смартфона. Предлагаемый метод не требует ни идентификаторов сот, ни SSID точек доступа, как в [146–148]. Все эти методы отслеживают смартфоны и определяют маршруты на основе атак по побочным каналам.Другой пример использования энергии в качестве побочной атаки был показан в [149]. В этой работе использовались те же два файла мониторинга мощности. Было показано четыре различных атаки: идентификация приложения, вывод пользовательского интерфейса, определение длины пароля и геолокация. Они показали, как статистический метод используется для получения точных результатов во всех этих ситуациях. В [150] авторы показали, как трассы питания могут использоваться для различения различных криптографических алгоритмов в Android-смартфонах.
Другой пример атак по побочным каналам — это атаки движением. В [151] авторы предложили PinMe, алгоритм, который может отслеживать пользователей по всему миру. Использованы датчики часового пояса, IP-адреса, акселерометра, гироскопа и барометра. PinMe может отслеживать пользователей при выполнении различных действий, таких как ходьба, вождение автомобиля, поездка и даже полет. В [152] авторы предложили метод, который использует акселерометр и гироскоп для поиска маршрутов в городе, по которому въезжает пользователь.Предложен алгоритм поиска, основанный на карте в виде графа. Метод был протестирован в 30 городах с точностью более 50%, чтобы найти список из десяти возможных маршрутов.
Другой пример атак по побочным каналам — это атаки по времени. В [153] авторы показали еще один файл с открытым доступом на платформе Android, который называется (/ proc / interrupts). Этот файл отслеживает все запросы аппаратных прерываний в системе. Используя этот файл, авторы успешно вывели шаблоны блокировки, выделенные пользовательские интерфейсы и идентифицированные приложения.
В [154] авторы показали, как общедоступные файлы контроля и мониторинга с нулевым доступом с открытым доступом используются для различных атак. Например, файл (/ proc / uid-stat /), который показывает статистику использования сети приложениями, может быть показан для вывода установленных приложений и наиболее популярных приложений, которые используют пользователи. Было показано, что случай позволяет сделать вывод о состоянии здоровья пользователя путем вывода страниц статей о заболеваниях, которые пользователи читают в приложении WebMD. Кроме того, авторы показали, как файл (/ proc / net / arp) может использоваться для определения местоположения пользователей.
В [155] была предложена легкая атака по побочному каналу на основе данных, собранных с датчика внешней освещенности. Автор показал, что сила света, регистрируемая этим датчиком, изменяется при изменении положения пальца на сенсорном экране. Этот процесс использовался для предсказания PIN-кода, вводимого с помощью касания сенсорного экрана смартфона. Автор показал высокую точность определения ПИН-кодов. Однако для повышения точности следует использовать другие методы.
Другая интересная атака по побочным каналам предложена в [156].Авторы утверждали, что количество людей в месте можно подсчитать, используя микрофон и неконтролируемую ВПП. Ошибка 1,5 была зафиксирована при разных уровнях шума фона.
Наконец, новая интересная акустическая атака по боковым каналам была показана в [157]. В этом методе авторы утверждали, что любые записанные голосовые или видеофайлы по всему миру имеют отпечаток местоположения. Этот отпечаток поступает из сигналов частоты электрической сети (ENF), которые можно обнаружить в записанных файлах.Загрузив сотни видеороликов с YouTube из разных стран и городов, а затем извлекая информацию ENF из этих видеороликов, можно сравнить новые записанные звуковые или видеофайлы с загруженными файлами, чтобы найти похожие ENF. Авторы заявили о точности более 70% для аудиофайлов продолжительностью более 5 минут. Другая акустическая боковая атака была показана в [158].
В таблице 5 представлена сводка атак по побочным каналам, реализованных на смартфонах.
5.2. Конфиденциальность
Конфиденциальность определяется как состояние отсутствия общественного внимания.Другими словами, любой хранит свою жизнь в тайне, не сообщая другим подробностей своей жизни. В настоящее время Интернет и социальные сети позволяют подписчикам делиться своими фотографиями, комментариями, местоположениями и статусами. Тем не менее, конфиденциальность была рассмотрена в новом методе, при котором люди или подписчики могут контролировать, чем они делятся и с кем делиться. Это настроило определение конфиденциальности для управления контентом и вниманием людей. В эпоху больших данных MLA позволили разработчикам интерпретировать массивные данные по-разному с интеллектуальных устройств [159, 160].Это увеличивает нагрузку на разработку алгоритмов и типа собираемых данных. В [8] автор показал, что одна из самых больших проблем конфиденциальности в IoE заключается в том, что пользователи имеют ограниченный контроль над тем, какие данные следует совместно использовать и распространять. В правах человека упоминается, что люди имеют право хранить личные вещи в секрете [161]. Однако, как упоминалось ранее, большие данные могут помешать этому праву, выкапывая секретную информацию из свободно доступных бессмысленных данных.
Основная проблема конфиденциальности при интеллектуальном анализе данных заключается в том, что она неявная.Пользователи не знают, какую информацию можно обнаружить с помощью их собственных датчиков. В анкетах, проведенных в [162], авторы попытались измерить конфиденциальность пользователей смарт-устройств. В исследовании сравнивался уровень конфиденциальности пользователей компьютеров и пользователей смартфонов. В анкете было написано девять различных вопросов по категориям. Исследование авторов показало, что 68% подписчиков смартфонов не вводят свой PIN-код в смартфонах из соображений конфиденциальности и безопасности.Более того, что касается отчетов о состоянии здоровья, 38% людей не хотят открывать такие отчеты со своих смартфонов. Девять человек сказали: «Чем больше у вас проблем со здоровьем, тем более частным они становятся, и чем более частными они становятся, тем меньше вероятность того, что я сделаю это по мобильному телефону». Наконец, что касается служб определения местоположения, большинство людей, которые боятся использовать такой комментарий службы, что они боятся ограбления. Этот опрос показывает, что подписчики смарт-устройств обеспокоены своей конфиденциальностью.Однако что они могут сделать, чтобы защитить свою конфиденциальность от интеллектуального анализа данных?
В [163] авторы показали, что конфиденциальность интеллектуальных устройств сложна, поскольку она состоит из различных уровней оборудования, операционной системы и приложений. Поверх этого многоуровневого стека добавляется еще один уровень процесса интеллектуального анализа данных датчиков. Это показывает, как конфиденциальность интеллектуальных устройств в эпоху IoE требует нового устройства, чтобы улучшить ее без какого-либо влияния на удобство использования устройств.
5.3. Сценарии угроз безопасности
В этом разделе будут показаны некоторые реальные атаки интеллектуальных устройств.Эти атаки иногда можно отнести к категории атак по побочным каналам. Однако в этих атаках используются некоторые физические явления с использованием интеллектуальных устройств. Например, в [158] авторы используют уровни частотной чувствительности микрофона для модуляции команды, которая не слышна для человека. Команду можно получить с микрофона смартфона, интерпретировать и запустить последовательность действий с помощью службы голосового помощника, например Siri. Команда записывается и модулируется сигналом с частотой выше 20 кГц.Авторы заявили об успехе с очень высокой точностью. В [164] авторы использовали акселерометр и гироскоп в умных часах для обнаружения комбинаций механических замков. Другими словами, всякий раз, когда пользователи умных часов открывают сейф, код может быть обнаружен любым приложением, собирающим данные акселерометра и гироскопа. Эта атака может быть представлена как атака по побочному каналу; однако собранные данные были использованы для взлома реального оборудования. Вот почему мы думаем, что он принадлежит к этой категории.Можно использовать многие другие угрозы безопасности. Другой пример был предложен в [165] для вывода информации о производственной плоскости и машинах, использующих магнитометр и микрофон. Авторам удалось выделить станки с ЧПУ, 3D-принтеры, их виды и виды. Далее мы показываем три различных возможных сценария, которые могут быть реализованы в будущем.
Первый сценарий — кража со взломом. В этом сценарии грабителю необходимы три части информации для успешного ограбления дома: активность владельцев, местоположение и количество людей в доме.В [19, 20] авторы показали, как режим сна пользователей смартфонов может быть записан с использованием света сенсорного экрана, состояния зарядки аккумулятора и подключения кабеля к зарядному устройству. Эти особенности могут быть использованы для изучения деятельности домовладельца в сочетании с акселерометром и гироскопом [160]. Вторая часть информации — это местоположение в доме. В ходе локализации в помещении мы обнаружили, что можно найти пользователя в закрытом помещении, используя только акселерометр и гироскоп.Для подсчета людей в доме можно использовать данные микрофона, как в [156].
Второй сценарий — это отслеживание местоположения, как в [166]. Если поведение пользователей сенсорных экранов было собрано и записано из различных приложений для смартфонов в течение длительного периода времени. Эти данные могут быть косвенно использованы для отслеживания и поиска пользователя. Даже если пользователь сменил смартфон и создал новые учетные записи электронной почты и новые имена и пароли, приложения и компании могут отслеживать пользователей, чтобы показать сходство между любыми новыми пользователями и существующими пользователями.Другими словами, в этом цифровом мире никто не будет снова начинать с нуля. Более того, если ваши прикосновения собираются в течение длительного времени, тепловые карты могут быть созданы для визуализации этих данных перед анализом. Впоследствии эти данные можно использовать для прогнозирования учетных данных пользователей, таких как имена пользователей и пароли для различных приложений. Другими словами, можно написать новую эру программного обеспечения для регистрации ключей.
Третий сценарий — атаки, основанные на личных характеристиках. Предположим, что это вирус, который взламывает только умные устройства женщин или детей.Такие вирусы могут распространяться по разным устройствам; однако это работает только в зависимости от поведения пользователей. Более того, приложение запускается / закрывается в зависимости от настроения пользователей.
Это откроет дверь для новых атак на поведение / личные черты.
Это несколько примеров тысяч угроз и сценариев безопасности, которые могут быть реализованы и предложены. Эти сценарии — открытое поле для инноваций.
5.4. Как и где начать копать скрытую информацию
С распространением смартфонов, планшетов, смарт-телевизоров и умных часов стало быстро развиваться инструменты и методы разработки приложений для них.Было предложено, разработано и коммерциализировано множество методов и инструментов [167]. Тем не менее, эти инструменты относятся к одному из трех классов: программируемые инструменты, инструменты кодирования с нулевой строкой и гибридные инструменты. Инструменты программирования определяются как интегрированные среды разработки (IDE), которые требуют навыков хотя бы одного языка программирования для программирования достойного приложения. Android studio [168], требующий глубоких навыков программирования на XML и Java, является официальной IDE для разработки приложений для Android. DroidEdit [169] — еще один пример из этой категории, который также требует навыков языка программирования Java.Третий пример — Cordova, для которого требуются навыки работы с языками веб-интерфейса, такими как CSS, HTML и JavaScript. Как уже упоминалось, эта категория инструментов требует глубоких знаний в области компьютерных наук и языков программирования для разработки приложений. В этом случае будет легче отследить код до его разработчиков [170]. Более того, хакерам-любителям или взломщикам сложно писать приложения для сбора данных датчиков пользователей, обновления их на сервере и минимального использования приложений.Однако такой стиль программирования может снизить удобство использования интеллектуальных устройств. В [171] авторы попытались использовать студию Android, чтобы написать приложение для сбора данных датчиков пользователей и загрузки их на сервер. Авторы попытались показать законность и этичность использования таких данных.
Была предложена еще одна группа инструментов: инструменты кодирования нулевой строки [172]. В этой категории приложение используется для преобразования веб-приложений и веб-страниц в приложения для смарт-устройств. Любое онлайн-приложение или сайт можно преобразовать в приложение, не написав ни одной строчки кода.Этот инструмент опасен, поскольку к некоторым датчикам интеллектуальных устройств можно получить доступ из JavaScript без каких-либо разрешений [143], как упоминалось в Разделе 5.1. Однако разработчикам приложений сначала необходимо преобразовать веб-приложение. Это также требует глубоких навыков.
Третий и самый сложный инструмент разработки приложений для смарт-устройств — гибридный [173]. В этом инструменте простой логический поток приложения требуется для разработки сложного кода. Навыки программирования не требуются. Однако требуется написание алгоритма.Одним из наиболее популярных примеров этого инструмента является MIT App Inventor (MAI) [174], который определяется как стиль программирования, управляемый событиями. MAI позволяет программистам получить все функции любой сложной IDE без каких-либо навыков программирования. Любой датчик можно забрать. Данными можно легко обмениваться с помощью Wi-Fi, мобильной сети, Bluetooth и NFC [175]. Бесплатная учетная запись Google — единственное требование, чтобы начать писать любое сложное приложение. Эта среда использовалась в приложении для мониторинга умного дома [176], приложении для фитнеса [177], приложении для мониторинга состояния здоровья [178] и конструкции умной лампы, использующей датчики смартфона [179].
Категория гибридных инструментов показывает, что атаки по побочным каналам легко реализовать. Чтобы начать реализацию приложений, на экране 9 показаны необходимые шаги. Во-первых, требуются дампы данных со смарт-устройств. Эти дампы, как показано, доступны в Интернете. Любой из этих дампов можно скачать. Во-вторых, должен быть реализован процесс извлечения признаков. Как уже упоминалось, из данных могут быть извлечены характеристики данных во временной, частотной и вейвлетной областях, а также в строках. Наконец, требуется механизм машинного обучения, такой как R, Python или MATLAB, для сравнения различных MLA, чтобы выбрать точный и простой.Иногда принятие самого простого в реализации преобладало над точным. Наконец, математическая модель готова к развертыванию.

Для развертывания обученного алгоритма в реальном мире требуется приложение для смарт-устройства. МАИ упрощает эту задачу. Алгоритм должен быть встроен в приложения любого типа. Шаги развертывания показаны на рисунке 10. Процесс развертывания состоит из двух основных частей: на стороне клиента и на стороне сервера. Клиентская сторона — это приложение для смарт-устройства. Это приложение должно содержать как минимум четыре разных модуля.Первый модуль — это модуль таймера, который будет записывать показания датчика в течение предварительно сконфигурированных периодов. Более того, отметка времени сбора данных датчика была использована как функция в различных алгоритмах, как было показано. Второй модуль — это сенсорные модули. На этом этапе необходимо собрать данные о том, какие данные датчиков использовались в процессе обучения. Все датчики, кроме дактилоскопического, реализованы в МАИ. Третий модуль — это модуль сохранения данных. Этот модуль необходим для уменьшения использования сети и любых модулей обработки данных, необходимых в приложении для смарт-устройства.MAI позволяет программисту сохранять данные приложения во внутренней уникальной базе данных. Последний шаг — передача данных через интернет-модуль. Для этого шага можно использовать протокол HTTP.

На стороне сервера веб-приложение должно быть написано и размещено в сети. Приложение должно извлечь все полученные данные из процесса передачи данных. Адрес интернет-протокола (IP) отправителя должен быть записан, чтобы различать пользователей приложения. Кроме того, он должен записывать временные метки.Второй шаг в этом приложении — извлечение признаков из полученных данных. Наконец, обученный математический модуль используется в собранных функциях для получения скрытой информации. Можно сделать другой выбор.
Другой метод может использоваться для уменьшения использования сети. Все шаги перенесены в приложение для смарт-устройства. В этом методе использование сети будет сведено к минимуму, поскольку устройство будет отправлять только скрытую информацию. Однако вычислительная нагрузка увеличится.Чтобы снизить вычислительную нагрузку на приложение, модуль таймера можно настроить для использования извлечения функций и математического модуля MLA в очень длительные периоды. Эти два сценария реализации показывают, насколько легко взломать безопасность пользователей смарт-устройств в эпоху IoE.
6. Заключение и обсуждение
Умные устройства есть везде. Наступила эра IoE. Преимущества, приложения и удобство использования этой парадигмы были представлены во многих исследовательских работах. Конфиденциальность и безопасность интеллектуальных устройств в IoE на протяжении многих лет привлекали исследователей к созданию безопасных систем.Тем не менее, машинное обучение и большие данные усложнили ситуацию. В этой статье мы покажем, как машинное обучение, большие данные и данные датчиков интеллектуальных устройств используются для поиска полезной скрытой информации. Было показано, как датчики интеллектуальных устройств, которые используются для повышения удобства использования устройств, могут быть использованы в полезных приложениях, с одной стороны, и при взломе и атаках, с другой стороны. Более того, было показано, как эти угрозы и атаки могут быть реализованы и развернуты простым методом с использованием программирования, управляемого событиями, без глубоких навыков программирования.
К сожалению, не существует скрытого руководства по защите данных, которое можно было бы загрузить и использовать для решения проблем точности, конфиденциальности и безопасности. Однако разработчики приложений и пользователи могут использовать множество методов, чтобы максимально уменьшить эти проблемы.
Осведомленность пользователей — самый важный шаг для предотвращения проблем со скрытыми данными. Пользователи должны знать, что загружать в Интернет. Перед установкой новых приложений следует внимательно прочитать разрешения для приложений. Пользователи не должны устанавливать приложения из неизвестных источников или разработчиков.Пользователи не должны предоставлять какие-либо разрешения, требуемые от какого-либо приложения, до тех пор, пока они не поймут, почему такое приложение требует таких разрешений. Например, для различных игр на рынке Android требуется доступ к мультимедийным файлам и файлам на смартфоне. Почему? Пользователи должны быть умнее своих умных устройств.
Разработчики операционных систем для интеллектуальных устройств должны увеличить и улучшить разрешения на доступ к датчикам интеллектуальных устройств. Пользователям следует предоставить больше контроля. Все время должно отображаться больше предупреждающих сообщений.Больше не показывать это сообщение использовать не следует. Требуются дополнительные исследования и разработки в этой области. Для повышения точности необходимо собрать больше данных из разных возрастов, полов и стран, чтобы уменьшить влияние различных переменных на конечный результат. Разработанные приложения следует протестировать в реальной жизни с помощью разных пользователей в течение определенного периода времени, прежде чем объявлять обоснованность своих выводов. Социальные сети — удобная среда для этого шага.
Наконец, мы считаем, что статическая конструкция интеллектуальных устройств является одной из основных проблем в области скрытых угроз для данных.Например, многие пользователи смарт-устройств не знают, какие датчики у них есть и как их использовать.