I cinque sensi del tuo smartphone

In un mondo sempre più digitale, è necessario che i nostri dispositivi tecnologici siano in grado di "percepire" la realtà che li circonda, di trasformare un tramonto in riva al mare o il suono di un violino in una stringa di 1 e 0 che ci permetta di manipolarli successivamente. Quali sono dunque i sensi del nostro smartphone?


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Inutile dire che la velocità con cui gli smartphone si sono diffusi all’interno della nostra vita ha superato la velocità di qualsiasi altro fenomeno; a meno della trasmissione della peste bubbonica, quella sì che era una malattia cazzuta.

Tale velocità ha permesso a tanti di avere tra le mani un gioiellino della tecnologia moderna, ma a pochi di conoscerne il reale funzionamento. E sono abbastanza sicuro che Billy tu fai parte di questa categoria.

Il telefono cellulare fu inventato da Martin Cooper, direttore della sezione Ricerca e sviluppo della Motorola che fece la sua prima telefonata da un cellulare il 3 aprile 1973 . Dopo 10 anni la Motorola decise di produrre un modello dal costo di 4000 dollari.

Iniziamo proprio dal capire quale recondita magia avviene quando facciamo una chiamata.

Quando “alzi la cornetta”, la tua voce, costituita da onde sonore, è captata dal microfono del cellulare e convertita in corrente elettrica che manterrà una forma analoga al segnale originario.

Il segnale viene campionato utilizzando una tecnica detta PAM (Pulse Amplitude Modulation) e successivamente codificato. Alla fine di tutti questi processi quella che inizialmente era la tua voce è trasformandola in una sequenza di bit o per dirla in maniera semplice in una sequenza di uno e zero.

Praticamente una volta trasformata l’onda in segnale elettrico, questo segnale viene “campionato” e viene digitalizzato cioè “spezzato” in tanti punti e può finalmente essere facilmente memorizzato ed eventualmente inviato.

A questo punto tramite l’antenna il segnale cosi codificato può essere inviato. Una singola antenna può inviare e ricevere centinaia di segnali telefonici che naturalmente possono sovrapporsi ma nessuno di questi subirà interferenza.

Infatti per evitare che i diversi flussi di segnali arrivino disturbati ad un antenna ricevente, prima di essere inviati vengono moltiplicati per delle sequenze di codici.
L’antenna, che riceverà tutti i segnali sovrapposti , potrà isolarli uno ad uno moltiplicando a sua volta il segnale ricevuto per un  codice. Penso che tu ci riesca ad arrivare da solo al fatto che i codici sono fatti in modo tale che ognuno di essi venga utilizzato per un solo segnale così che solo quel segnale venga decodificato con successo, mentre tutti gli altri possano tendere a zero diventando così del semplice rumore di fondo.

Un discorso analogo può essere fatto per la trasmissione dati via internet. Questo processo si è evoluto nel tempo. L’ormai antica trasmissione dati GSM (2G) , permetteva ad ogni cellulare di avere delle piccole porzioni di tempo in cui inviare/ricevere dei dati, e altre in cui bloccava ogni processo. In questo modo quei telefoni avevano periodi di “riposo” che non consentivano di trasmettere a grandi velocità, ma consumavano di meno la batteria. Nel 3G, molto più veloce, tutti i cellulari mandano e ricevono contemporaneamente,  anche alla stessa frequenza e così i segnali si sovrappongono uno all’altro.

Billy, avendo ora i rudimenti della trasmissione del suono e dei dati mi tocca insegnarti una nuova parola: MEMS (Micro ElectroMechanical Systems), sistemi microelettronici e meccanici. Con questa parola viene indicata la maggior parte dei sensori del cellulare.

Sono questi gioiellini tecnologici che hanno permesso di integrare all’interno di una scatola di pochi centimetri cubi decine di funzionalità. Questi non sono altro che dei sensori cioè dispositivi capaci di rilevare le variazioni di una grandezza e trasformarli in segnali elettrici. Un esempio classico è come già detto il microfono che converte la pressione sonora in una corrente elettrica (l’altoparlante a sua volta è un attuatore che modifica l’energia delle correnti elettriche variabili nel tempo in energia di un’onda meccanica). Un altro esempio è una termocoppia che a causa di una differenza di temperatura produce una forza elettromotrice e permette di tenere sempre sotto controllo la temperatura all’interno del cellulare, evitando che durante sessioni di calcolo intensivo ti si fonda letteralmente tra le mani.

Ma procediamo con ordine facendo una carrellata di questi MEMS.

Accelerometro

I moderni smartphone sono dotati di tre accelerometri, uno per ciascun asse, i quali permettono di determinare come viene mosso il tuo dispositivo. Molti giochi e applicazioni sfruttano questo strumento. Ormai prodotti in miliardi di esemplari, gli accelerometri sono strumenti e meccanismi in silicio delle dimensioni di frazioni di millimetro opportunamente sagomati con tecniche analoghe a quelle con cui si realizzano i chip dei computer.

Generalmente un accelerometro è composto da una massa sospesa per mezzo di molle, ma libera di muoversi all’interno di un percorso limitato da due protuberanze solidali con lo smartphone, poiché collegate direttamente alla scocca esterna del cellulare che è fissa. Agitando il telefono la parte esterna si muoverà rispetto a quella centrale che rimarrà ferma per il principio d’inerzia.   Caricando elettricamente queste due protuberanze ecco bello e pronto un microscopico condensatore; utile  per generare un segnale elettrico in grado di essere registrato dal processore dello smartphone.  Quando infatti la massa viene a contatto con una delle due protuberanze (a causa del moto del cellulare) avviene la variazione del potenziale del condensatore, misurando questa variazione si misura l’accelerazione del sistema lungo la direzione in cui l’accelerometro è posto. Un accelerometro per direzione e il nostro cellulare è sempre in grado di sapere come lo stai muovendo.

Giroscopio

Questo particolare sensore si affianca all’accelerometro per misurare l’inclinazione del dispositivo; tuttavia è molto più preciso e viene utilizzato per quelle  applicazioni che necessitano di misurazioni accurate su dove stai puntando il dispositivo. Ma che te lo spiego a fare tanto avrai già etto il nostro articolo sul giroscopio.

Magnetoscopio

È lo strumento di misura del campo magnetico, viene integrato nei dispositivi mobili per permettere il funzionamento di applicazioni, quali la bussola o applicazioni simili a metal detector.

Se si pone un cellulare dotato di questo dispositivo vicino a un materiale ferromagnetico è possibile vedere come l’intensità del campo aumenti. Grazie a questo fenomeno è possibile anche trovare tubi o cavi elettrici sotto le pareti

Per amor di verità  devi sapere che non è il campo magnetico ad essere misurato, ma quello che viene chiamato vettore di induzione magnetica. Il vostro cellulare infatti è in grado di restituire una misura in Tesla (1)Per approfondire: Link

Sensore di prossimità

Questo sensore è l’unico visibile anche dall’esterno del dispositivo, è il pallino nero che si nota in prossimità della telecamera interna della cellulare o della capsula audio di chiamata. È composto da un led che proiettando un fascio infrarosso permette ad un rivelatore di registrare i raggi che tornano indietro a causa della riflessione dovuta ad oggetti posti in prossimità del sensore, così  da misurarne la distanza alla quale sono posti rispetto al cellulare.

Il suo funzionamento è essenziale durante una chiamata poiché spegne il display evitando così di digitare involontariamente alcuni comandi.

Barometro

Solo alcuni cellulari sono provvisti di questo sensore, che serve principalmente a misurare la pressione atmosferica.

Quelli utilizzati sono principalmente barometri metallici in cui l’organo sensibile alla pressione è una scatoletta appiattita (capsula barometrica) con pareti metalliche sottili e ondulate, nella quale è posto il vuoto. Le variazioni di pressione provocano compressioni ed espansioni della capsula, che sono amplificate da un sistema di leve e trasmesse ad una catena elettronica.

Il barometro più comune nella quotidianità rimane quello con colonna di mercurio di evangelista Torricelli, ma come ben puoi immaginare anche se più preciso sarebbe stato impossibile porlo all’interno del cellulare.

Sensore di impronte

Di fatto questo componente analizza e memorizza le impronte digitali dell’utente ed è in grado di riconoscerle con un’ottima precisione

Quando viene appoggiato il dito solo le creste dell’impronta andranno a toccare  il sensore mentre la superficie del sensore rimane a contatto con l’aria, dove l’impronta presenta le valli. Laddove è posto il contatto, la luce riflessa viene  convogliata al sensore che  così sarà in grado di costruire il negativo dell’immagine dell’impronta digitale.
L’immagine viene registrata dal cellulare che va a cercare i punti caratteristici. Queste minuzie sono tutti quei punti dove le linee si interrompono o si biforcano. Solo a questo punto, l’immagine dell’impronta diventa una mappa di punti.
La mappa delle minuzie, opportunamente elaborata, viene codificata diventando il template che viene archiviato ed utilizzato per i successivi riconoscimenti.

Potremmo continuare a parlarne per un altro bel po’ di tempo, ma che gusto ci sarebbe? Sei abbastanza grande da poter approfondire al meglio ciò che preferisci.

De hoc satis.

Riferimenti   [ + ]

1.Per approfondire: Link

Pubblicato da Davide Loiacono

Prodotto tenace commissionato (con amore) in Calabria. Vive di passioni e la curiosità è la sua unica vera musa! Studente Polimi di cose strane per capriccio del caso o voglia del suo Dio.