تعريف بالمستشعرات
لقد وصلت الهواتف الذكية في زمننا الحالي لأفاق عالية من التكنولوجيا و التعقيد حيث أنها الأن قادرة علي تحديد وجهتنا و متابعة حركتنا كما أنها تستطيع استشعار قربنا و بعدنا و يرجع الفضل في استشعار الهواتف لكافة الأمور الي المستشعرات التي هي عبارة عن شرائح دقيقة توفر لنا خصائص و استشعارات دقيقة و من أهم المستشعرات :
- مستشعر التسارع (Accelerometer)
- مستشعر القرب (Proximity)
- مستشعر الجيروسكوب (Gyroscope)
- المستشعر المغناطيسي أو البوصلة (Magnetometer – Compass)
- مستشعر البارومتر (Barometer)
- مستشعر الضوء (Ambient light)
- القياسات الحيوية (Biometrics)
و سنتناقش حول هذه المستشعرات و استخدامتها في باقي المقال :
مستشعر التسارع (Accelerometer)
هو عبارة عن مستشعر يقيس التغير في السرعة و قوي الجاذبية الموئثرة علي الجهاز ومن أمثلة استخداماته :
- في السيارات : عندما تسير السيارة بسرعة مرتفعة ثم تنخفض السرعة بطريقة مفاجئة تقوم السيارة باخراج وسائد هوائية لحماية الراكب من الوقوع في حادث
- في الحواسيب : عندما يتم القاء حسوب محمول من علي ارتفاع مرتفع قليلا تزيد السرعة تدريجيا مما يؤدي الي قيام الحاسوب باغلاق نفسه تلقائيا لتقليل الضرر
- في الهواتف : تستخدم الهواتف مستشعر تسارع ثلاثي المحور لقياس الجاذبية المؤثرة علي الجهاز مما يؤدي لمعرفة زاوية الهاتف و تغير وضع العرض تبعا لهذه الزاوية
عندما تم اختراع هذا النوع من المستشعرات كان حجم المستشعر كبيرا و لم يكن مناسبا للاستخدام في الهواتف المحمولة حتي قامت شركة أبل بانجاز رائع حيث أنها نجحت في تطوير نسخة ضئيلة الحجم من المستشعر عبر نوع من الشرائح تحت مسمي MEMS و لكن قبل أن نشرح كيفية عمل هذه الشرائح يجب أولا أن نعلم المبدأ الأساسي لهذه المستشعرات :
- فهي عبارة عن محاور تتكون من كرات متصلة بملف زنبركي يتم احتوائها بحاوية و يوجد منها نوعان اما ثنائي المحور (2D) أو ثلاثي المحور (3D) لكننا سنتكلم فقط عن ثلاثي المحور الذي يتكون من ثلاث محاور تمثل الأبعاد X (العرض) , Y (الطول) , Z (الارتفاع) و عند تغير اتجاه الجهاز يتم سحب الكرة الموجودة بالمحور الممثل لاتجاه الجهاز فمثلا :عند وضع الجهاز بوضع أفقي يتم سحب المحور الأفقي الي الأسفل بفعل الجاذبية مما يعطي رسائل للجهاز تحدد الاتجاه
و بالاتجاه الي عصرنا الحالي و شرائح الMEMS نجد أن المستشعر يعمل عن طريق :
- ثلاث محاور تمثل الأبعاد X (العرض) , Y (الطول) , Z (الارتفاع) و تتكون من حاوية من السيليكون و جسم مرن بشكل مشط الشعر يهتز يمينا و يسارا و يوجد أيضا بالحاوية أجسام تنقل الشحنات كما هو موضح بالصورة الأتية
و بالمقارنة مع المبدأ الأساسي نجد أن : الجسم A يمثل الكرة – مرونة الجسم A تمثل الزنبرك و يعد الجسم B أحد أهم الزيادات و التحسينات علي المبدأ الأساسي و هو عبارة عن أمشاط متقاربة و تتمثل طريقة عمل هذه الشريحة في : عند تغير وضع الهاتف يهتز الجسم A مما يقوم بتغغير المسافة بين أمشطة الجسم B مما يترتب عليه تغير في السعة الكهربية و يقوم الهاتف بحساب و معاينه هذا التغيير لمعرفة إتجاه الهاتف
مستشعر القرب (Proximity)
عبارة عن مستشعر يقوم باستشعار الأجسام المادية دون الملامسة و يستطيع القيام بعدة مهام فمثلا :
- في الهواتف : عند القيام بمكالمة و تقريب الهاتف من الأذن تنغلق شاشة الهاتف تلقائيا لتوفير الطاقة و منع حدوث ضغطات خاطئة أوعندما تكون شاشة الهاتف منغلقة و يتم تقريب الهاتف تضئ الشاشة و يظهر القفل
- في السيارات : عند محاولة ركن السيارة مع وجود عائق في الخلف تعطي السيارة انذارا للسائق
و لا يوجد نوع محدد من مستشعر القرب فبعضها يعمل بالموجات و البعض الأخر يعمل بالضوء فالهواتف علي سبيل المثال تعمل بمستشعر تحت اسم IR Proximity Sensor الذي يتكون من باعث للضوء و مستشعر له و يعمل عن طريق :
- ارسال اشعة تحت الحمراء
- تصطدم الأشعة بجسم مادي و تنعكس
- يستقبل مستشعر الضوء هذه الأشعة و يقوم المستعر بتحديد مكان الجسم و تنفيذ احد المهام علي أساس ذلك
مستشعر الجيروسكوب (Gyroscope)
مستشعر الجيروسكوب هو عبارة عن مستشعر يقيس معدل دوران الجهاز فمن استخداماته :
- في الهواتف : يستخدم في تحديد زاوية الهاتف و معدل دورانه و يستخدم الجيروسكوب مع مستشعر التسارع لاعطاء قراءات أفضل كما أنه يستخدم في مشاهدة الفيديوهات بدرجة 360
- في التصوير : يستخدم مع مثبتي الكاميرات لاعطاء استقرار أفضل
- في تحديد الأماكن : يوجد نوع من البوصلات مبني علي الجيروسكوب و يتميز علي البوصلة المغناطيسية باستقراره عند الحركة
و بعصرنا الحالي يستخدم مستشعر الجيروسكوب في العديد من الهواتف و يرجع الفضل الي شركة أبل التي قامت بتصنيع نسخة مصغرة منه عبر شرائح MEMS و لكن قبل الحديث عن هذه الشرائح يجب علينا أولا معرفة المبادئ الأولية للجيروسكوب :
- الجيروسكوب هو عبارة عن حلقة قابلة للدوران مدمجة بمحور دوار و يتم حماية كلاهما من قبل حواجز حديدية و قد يبدو أنه بسيط في بادء الأمر لكن عند تدوير الحلقة يكتسب الجيروسكوب بعض الخواص فمثلا : في حالة دوران الجيروسكوب و محاولة امالته لا يقف الدوران و لا يتأثر أو في حالة وضع الجيروسكوب بشكل رأسي فبدلا من أن يقع يستمر في الدوران دون الوقوع
و بالاتجاه الي نسخة الجيروسكوب المصغرة الموجودة في شرائح الMEMS نجد الأتي :
- تتكون الشريحة من حاوية تحتوي علي أمشاط تتحرك رأسيا أو أفقيا باستمرار مع مستقبلات للشحنات و عند دوران الهاتف يتحرك جزئ مرن من الأمشاط منتجا ازاحة عمودية تؤدي لتغير السعة الكهربية و يتم استشعار هذا التغيير عبر المستقبلات التي تقوم بارسال شحنات يقوم الهاتف بتحليلها لمعرفة الزاوية و معدل الدوران
المستشعر المغناطيسي أو البوصلة (Magnetometer – Compass)
يستخدم المستشعر المغناطيسي في استشعار المجال المغنطيسي لتحديد الاتجاهات و من أمثلة استخداماته :
- في الهواتف : لتحديد الاتجهات و توفير البوصلة
- في التنقيب : لاستشعار المعادن كالحديد
- في الفضاء : يستخدم لمعرفة قوة المجال المغناطيسي عند استكشاف الكواكب
و توجد العديد من أنواع المستشعر المغناطيسي بعضها يستخدم لقياس المجال و البعض الأخر يستخدم في كشف المعادن لكن في مقالنا هذا سنتحدث فقط عن النوع المبني علي شرائح الMEMS الموجود في الهواتف الذكية و تتمثل فائدته في تحديد الاتجاهات و توفير البوصلة عن طريق تأثير تحت مسمي Hall Effect الذي يعمل عن طريق :
- مرور تيار كهربي عبر جسم موصل للطاقة و يستمر التيار الكهربي بالمرور خلال الجسم بكل سلاسة لكن عندما يؤثر المجال المغناطيسي علي التيار و الجسم يتم اعاقة التيار الكهربي مما يؤدي لانحراف الشحنات السالبة لأحد جانبي الجسم و انحراف الشحنات الموجبة للجانب الأخر و يقوم الهاتف باستشعار هذه الشحنات و تحليلها لمعرفة قوة المجال المغنطيسي و الاتجاهات
مستشعر البارومتر (Barometer)
مستشعر يستخدم في قياس الضغط الجوي في كافة البيئات و من أمثلة استخداماته :
- في الهواتف : المساعدة في تحديد الموقع خصوصا الارتفاع عن طريق قياس الضغط الجوي
- في أخبار الطقس : يستخدم في توقع الحالة المناخية علي المدي القصير
- في الغوص : يستخدم في متابعة كمية الهواء الموجودة بخزانات الهواء
و يوجد العديد من الأنواع من البارومتر بعضها يستخدم الماء و البعض الأخر يستخدم الزئبق لككنا سنتحدث فقط عن نسخة البارومتر المصغرة المبنية علي شرائح الMEMS و سنتحدث بالتحديد عن الموجودة في الهواتف و تعمل هذه الشريحة عن طريق :
- طبقة مرنة حساسة للضغط الجوي مع وجود مستقبلات للشحنات و عند تغير الضغط ترتفع أو تنخفض هذه الطبقة منتجتا تغير في السعة الكهربية و يقوم الهاتف بتحليل هذا التغيير مما يؤدي لمعرفته لمستوي الضغط و بالتالي ارتفاع الهاتف
مستشعر الضوء (Ambient light)
مستشعر الضوء هو عبارة عن نسخة مصغرة من نوع من الأجهزة باسم PhotoDetector و أشهرهم هو جهاز PhotoDiode الذي يتمثل مبدأه في :
- جسم يتكون من طرفين احدهما يستقبل شحنات سالبة و الأخر يستقبل شحنات موجبة و يوجد بين الطرفين منطقة انخفاض و عندما يسقط الضوء علي منطقة الانخفاض ينتج زوج من الثقوب الالكترونية (Electron Hole) و تتجه الثقوب الي الطرف السالب بينما تتجه الالكترونات الي الطرف الموجب
- كلما زادت شدة الضوء زاد عدد الثقوب الالكترونية الناتجة
- في حالة عدم وجود ضوء ينتج ما يسمي بDark Current و هي عبارة عن شحنات ضعيفة تمر بالجهاز و فيزيائيا تنتج هذه الشحنات بسبب الظهور العشوائي لثقوب الالكترونات في منطقة الانخفاض
أما بالنسبة لمستشعر الضوء فهو شريحة تقوم بانتاج شحنة كهربية متناسبة مع قوة الضوء الممتص و تتمثل فائدتها في :
- في الهواتف و الشاشات : التغيير التلقائي لسطوع الشاشة حسب شدة الضوء و تنفيذ عدة أوار علي حسب شدته
القياسات الحيوية (Biometrics)
القياسات الحيوية هي عبارة عن مجموعة من طرق الأمان التي تستخدم صفات جسدية للتعرف علي المستخدم و يوجد العديد من الصفات التي تستخدمها القياسات الحيوية مثل البصمة, الوجه, الصوت,الحمض النووي, العين و أبعاد اليد و لكن في مقالنا هذا سنتحدث فقط عن القياسات الحيوية الموجودة في الهواتف و هم البصمة, الوجه و العين
البصمة
يتكون جلد الانسان من عدة طبقات منها طبقة باسم الأدمة التي تتكون من جزئين هما الأدمة الشبكية و الأدمة الحليمية و تتكون الأدمة الحليمية من أجزاء أصغر باسم الحليمات الجلدية التي تظهر علي الجلد الخارجي علي شكل نمطي من الوديان و التلال و يتميز هذا النمط باختلافه بين شخص و أخر و قد أوحي العلماء بتصنيع تقنيات التعرف علي البصمة التي تعمل بعدة أنواع من المستشعرات هي :
- المستشعرات البصرية : يعمل هذا المستشعر عن طريق أخذ صورة من الاصبع كما يمكن توجيه الضوء للأصبع للحصول علي قراءات أفضل و يستخدم هذا النوع عادة في الحواسيب
- المستشعرات الكهربية : يعمل هذا المستشعر عن طريق ارسال شحنة كهربية الي الأصبع مما يؤدي لحدوث تغير في السعة الكهربية عند التلال و عدم حدوث أي تغير عند الوديان و يقوم المستشعر بتحليل هذه التغيرات و اعطاء صورة لنمط الأصبع و يستخدم هذا النوع في الهواتف عادة
- المستشعرات الصوتية : يقوم هذا المستشعر بارسال موجات فوق الصوتية الي الأصبع و ينتظر ارتداد هذه الموجات و يقوم كل من الوديان و التلال بعكس الصوت بطريقة مختلفة و يقوم المستشعر بتحليل الأصوات المنعكسة و رسم نمط الأصبع و يتم حاليا تجريب هذه التقنية في الهواتف
و بعدما تقوم المستشعرات برسم نمط الأصبع تقوم بحفظ هذه الأنماط في حافظة و عندما يحاول المستخدم الحصول علي أذن الدخول عبر مستشعر الأصبع يقوم المستشعر بمقارنة بصمة المستخدم مع الأنماط المحفوظة
الوجه
يمتلك كل أنسان سمات وجهية مميزة من أبعاد الوجه حتي شكل عظامه و تستخدم تقنيات التعرف علي الوجه هذه السمات لمعرفة المستخدم و تقوم بذلك عبر عدة خطوات تتمثل في :
- أخذ صورة للمستخدم
- تحليل الصورة و هذا يعني تحديد أبعاد الوجه, البعد بين العينين, عمق تجويف العين, المسافة بين الجبين و الذقن, شكل عظام الخد, شكل الأذن و الشفة و الذقن و تستخدم هذه السمات في تمييز الوجه
- بعدما يتم تحليل السمات الوجهية يتم انتاج بيانات رقمية تمثل هذه السمات و تحفظ هذه البيانات بحافظة
- و أخيرا عند محاولة الحصول علي أذن الدخول عبر تقنية التعرف علي الوجه يتم مقارنة بيانات وجه المستخدم مع البيانات الموجودة بالحافظة
العين
تمتلك قزحية العين نمط غير مرئي للعين المجردة و ما يميز هذا النمط هو اختلافه بين شخص لأخر مما أدي لظهور تقنيات التعرف علي القزحية (Iris Recognition) و ماسحاتها الضوئية و التي تعمل عن طريق عدة خطوات تتمثل في :
- يقوم الماسح الضوئي بتسليط أشعة تحت الحمراء غير مرئية علي العين لكي تظهر انماط القزحية
- تقوم الماسحات الضوئية بكشف باقي اجزاء العين مثل الحواجب و الجفون و تقوم بازالتها من الصورة كي تبقي القزحية فقط
- يتم تحليل نمط القزحية و انتاج بيانات رقمية تمثل النمط و يتم حفظ هذه البيانات بحافظة
- و أخيرا عند استخدام ماسح ضوئي للقزحية للحصول علي اذن الدخول يقوم المستشعر بتحليل القزحية و مقارنة بياناتها بالبيانات الموجودة بالحافظة