CN103970041A - 带有气体传感器的便携式传感器设备及其操作方法 - Google Patents

带有气体传感器的便携式传感器设备及其操作方法 Download PDF

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Abstract

为了使得应用程序访问气体传感器，提供了使得可以通过简单固定的API提供灵活的传感器控制的通用机制。该机制被设计为使得应用程序询问气体传感器可能的操作模式。操作模式例如指定用于控制气体传感器和用于处理其原始数据的方法。

Description

带有气体传感器的便携式传感器设备及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种用于操作带有气体传感器的便携式传感器设备的方法和此类设备。另外，该方法涉及用于这样的设备中的控制和处理装置。
背景技术
在诸如移动电话或平板电脑的便携式传感器设备中并入气体传感器是已知的。举例来说，湿度传感器已经并入到一些智能手机设备中。
为了扩展便携式电子设备的多功能性，进一步已知的是提供用于在这些设备上运行第三方软件应用的机制。为此，设备被设置有应用编程接口(API)，API允许应用与设备的硬件和软件以标准方式通信。如果设备被装配了气体传感器，则API也应当允许对气体传感器的访问。
用于气体传感器的API的例子为安卓操作系统的环境传感器API。具体而言，该API支持湿度传感器，湿度传感器测量环境空气的湿度。
然而，湿度(即空气中的气态水)仅是可能使此种设备的使用者感兴趣的一种气体。因此，需要提供可以测量更大选择范围的气体(诸如乙醇、CO、苯或气体组合)的设备，这些气体可以例如以一定的味道或气味分类。
尽管有可以检测这样的气体或气体组合的不同的传感器类型——特别是金属氧化物气体传感器——但是这些传感器通常不具有很好的选择生并且或多或少地对全部种类的气体都敏感。为了区别某些气体或气体组合，可能不得不组合多个传感器，以及／或者必须以某种方式操作传感器，例如使用某种温度分布。
这样的气体传感器和用于对其操作的方法的发展仍然在变化中，并且预期要在未来几年取得实质性进步。然而，现在就需要将这样的传感器并入移动设备中并给它们提供API。
发明内容
因此，需要解决的问题是提供上述类型的方法、设备以及控制和处理装置，其可以与新颖和改良的气体传感器一起使用。
该问题通过独立权利要求的技术方案解决。
具体而言，本发明涉及用于操作便携式传感器设备的方法，其中便携式传感器设备包括：
气体传感器，
用于控制所述气体传感器和用于处理来自所述气体传感器的数据的控制和处理装置，和
提供对所述控制和处理装置的访问的应用编程接口装置。
该方法包括以下步骤：
a)提供包含多个不同操作模式的列表并且将所述列表提供给应用编程接口装置。每个所述操作模式指示一种用于控制所述气体传感器和／或处理来自所述气体传感器的所述数据的方法。
b)接收通过所述应用编程接口装置做出的对所述操作模式之一的选择，并且根据所选择的操作模式控制气体传感器和/或处理来自气体传感器的数据。
换句话说，API底层的软件能够生成不同操作模式的列表。每个操作模式限定了控制气体传感器的某种方式和/或处理来自气体传感器的信号的某种方式。
调用API的软件应用能够获得和解析此列表。其接着通过API选择合适的操作模式。底层软件接收该选择并且根据所选择的操作模式控制气体传感器和／或处理来自气体传感器的数据。
同样地，本发明涉及一种便捷式传感器设备，包括：
气体传感器，
用于控制气体传感器和处理来自气体传感器的数据的控制和处理装置，
提供对控制和处理装置的访问的应用编程接口装置。
进一步地，控制和处理装置包括：
操作模式列表提供器，用于提供包含多个不同操作模式的列表并且将所述列表提供给所述应用编程接口装置，其中每个所述操作模式指示一种用于控制气体传感器和/或处理来自气体传感器的数据的方法，和
操作模式选择器，被设置为通过所述应用编程接口装置接收对操作模式的选择，并且控制气体传感器和/或处理来自气体传感器的数据。
同样，本发明涉及用于在上述方法或便携式感测设备中使用的控制和处理装置，其中控制和处理装置包括：
操作模式列表提供器，用于提供包含多个不同操作模式的列表并且将所述列表提供给应用编程接口装置，其中每个所述操作模式指示一种用于控制所述气体传感器和/或处理来自所述气体传感器的所述数据的方法，和
操作模式控制器，对通过所述应用编程接口装置做出的对操作模式的选择进行响应，以根据所选择的操作模式控制所述气体传感器和/或处理来自所述气体传感器的所述数据。
控制和处理装置优选以软件库来实现，软件库包括可以动态或静态地链接到操作系统的其它部分的代码段。具体而言，控制和处理装置可以是动态链接库(DLL)。
至少一些操作模式指示用于控制所述气体传感器的不同方法。具体而言，不同的操作模式可以指定气体传感器操作的不同温度或温度分布。例如，一个这样的分布可以选择气体传感器在第一温度下操作，而第二分布可以选择气体传感器在不同于第一温度的第二温度下操作。
另选地或作为附加，至少一些所述操作模式指示用于处理来自气体传感器的数据的不同方法。例如，一个操作模式可以指示来自气体传感器的数据要被归格化到参考值或通过低通滤波器而滤波，而另一模式可以指示要返回非归格化的数据或未经滤波的数据。
除了气体传感器，移动设备还可以包括第二传感器。第二传感器可以例如为湿度传感器。在该情况下，至少一个所述操作模式可以指示在上述步骤b)中将来自第二传感器的数据和来自气体传感器的数据相组合，而至少另一操作模式指示在步骤b)中不将来自第二传感器的数据和来自气体传感器的数据相组合。在该情况下，当选择了一个操作模式时，操作模式控制器将来自两个传感器的数据相组合，而当选择了另一操作模式时，其不这样做。
移动设备还可以包括多个气体传感器，特别是多个金属氧化物气体传感器。在该情况下，至少一些操作模式可以指示在步骤b)中以不同方式使用来自这些气体传感器的信号。换句话说，取决于所选择的操作模式，来自至少两个或更多个气体传感器的信号可以例如被组合，而在另一所选择的操作模式中，其不被组合。
优选地，传感器包括金属氧化物层和用于加热所述金属氧化物层的加热器。这类传感器可以用于检测多种多样的气体。
在另一优选实施例中，操作模式可以归入至少两组：
-第一组操作模式被设计为检测单独的气体或气体混合物并且生成指示所述单独的气体或气体混合物的存在和/或浓度的测量值。换句话说，该组中的每个操作模式关联一种气体或气体混合物。例如，第一组可以包括被优化用于检测乙醇、CO或“难闻气体”的操作模式。从该组里选择操作模式将使得系统返回一个值，其指示与所选择的模式关联的气体或气体组是否存在和/或其浓度是多少。
-第二组操作模式被设计为分析具有几种组分的气体组成并且返回指示每个所述组分的存在和／或浓度的测量值。例如，第二组可以包括称为“气体分析”的操作模式，其返回表示当前测量的气体组成的“指纹图谱”的取值数组，该“指纹图谱”根据气体组成而变化。
必须指出的是本发明可以被视为方法、设备或控制和处理装置，如权利要求所主张的。具体而言，任何其特征可以被主张为方法、设备或控制和处理装置，并且明显地是，任何在这三类中的一类的权利要求中表述的特征也可以在这三类中的另一类的权利要求中表述。
其它优选实施例在从属权利要求以及下面的描述中列出。
附图说明
从以下的详细描述中，本发明将被更好的理解，并且除上述提出的那些外的目的将变得明晰。这些描述参考了附图，其中：
图1是带有气体传感器的便携式电子传感器设备的透视图，
图2是设备的硬件组件的框图，
图3示出了气体传感器的更多细节，
图4是设备的软件组件的框图，以及
图5是气体传感器的控制和处理装置的一些组件的框图。
具体实施方式
设备硬件：
图1所示的传感器设备为诸如移动电话的便携式电子设备1。移动电话的外壳10包括正面，正面具有显示器11和如按钮9的输入元件以使用户与电话进行交互。正面上还示出了用于扬声器的开口12。另外的开口13、14位于外壳10的下侧壁处。公知的是将如麦克风和扬声器之类的组件安装在这样的开口之后。例如也被布置在外壳10的下侧壁上的另一开口15通向如下面更详细描述的气本传感器。
图2示出了具有该设备最重要的细件的框图。具体而言，如本领域的技术人员所已知的，该设备包括CPU20以及非易失性存储器和易失性存储器21。图2还示出了显示器11和另外的输入和输出设备组22，这些输入和输出设备诸如按钮9、扬声器以及麦克风。
进一步地，该设备包括网络接口23，网络接口23能够与外部网络24(诸如因特网)建立无线数据通信。该网络连接到另外的设备。这些另外的设备中的至少一个服务器设备25被配置为通过网络接口23与设备1进行通信。
设备1进一步包括集线器或总线26，CPU20通过集线器或总线26能够与一系列的传感器S1、S2和S3等进行通信。这些传感器可以包括例如加速度计、一个或多个温度传感器、以及另外的传感器。具体而言，设备之一为气体传感器30。在优选实施例中，另一传感器是湿度传感器31，诸如在US6690569中所描述的。
气体传感器：
图3示出了气体传感器30的实施例。所示传感器例如是基本上如在WO95/19563中所描述类型的传感器，其中特别是由金属氧化物制成的感测层35a、35b、35c和35d被布置在在半导体基板37中的开口之上延伸的薄膜36上。
在图3所示的实施例中，存在四个感测层35a、35b、35c和35d分开地布置在薄膜36上，每个感测层形成自身的气体传感器。不同的感测层35a、35b、35c和35d可以例如在其组成方面不同以测量不同的气体性质，由此提供用于识别单独的分析物的更丰富的数据集。
如上面所提及的，感测层优选为金属氧化物(MOX)层，诸如SnO层。MOX还可以是例如氧化钨、氧化镓、氧化铟或氧化锌，或者是这些材料(包括SnO)中任何材料的混合物。
图3所示的传感器的感测层需要提升的操作温度，其通常至少为100℃，对于SnO层则通常至少为300℃。因此，设置了加热器38用于将每个感测层加热至其操作温度。
如本领域的技术人员所已知的，感测层35a、35b、35c和35d的电导取决于包围其的气体的组成。因此，设置了叉指电极39用于测量感测层35a、35b、35c和35d的电阻率。
设备软件：
图4示出了该设备软件栈的对于此处上下文而言最相关的组件。如可以看到的，软件栈包括被设置为提供低层功能的内核40。该内核例如包括被设置为与该设备中各个硬件组件进行交互的各个设备驱动程序。
在图4的实施例中，传感器集线器26是运行其自身的内核软件41的可编程微控制器，内核软件41与主内核40的集线器驱动程序42进行交互。用于驱动气体传感器30的驱动程序43实现在集线器内核软件41中。可是必须注意的是，驱动程序43也可以实现在主内核40中。
库层44位于内核40之上。其包括多个库，其中每个库提供了至少在某种程度上通常是独立于机器的功能(这与内核软件形成对比，内核软件通常适合于其所运行于的设备中的硬件)。如本领域的技术人员所已知的，操作系统的运行时通常实现在这些库的至少一个中。
每个库通常包括一个或多个代码文件，代码文件包括可以动态或静态地链接至其它库或应用的代码。通常，库被实现为动态链接库(DLL)。
库层44中的一个库为气体传感器控制和处理库(GSCP)45。其目的是控制气体传感器30的操作并且处理其信号。它将在以下详细描述。
位于库层44之上的是应用框架46，其通常也被实现为库的集合。与库层44中的大多数库形成对比的是，应用框架46的库提供对最顶端的软件层——应用48——可用的公共接口47。公共接口47被称为应用编程接口API，并且它包括调用标准(诸如限定了可用功能、类和方法的头文件)和二进制数据(其为应用框架中的库的一部分)，二进制数据指示了应用如何可以动态地链接到应用框架中的各个功能和方法上。
在本实施例中，应用框架的一部分是传感器管理器49，其限定了API的关于设备1的传感器的部分，并且与库层44或内核40中的传感器相关的库和驱动程序交互。
应用48通常由第三方提供(即既不是由硬件制造商提供也不是由操作系统供应商提供)。其与API中开放的库相链接以执行特定的任务。
例如，一个这样的应用可以是被期望用来检测某种气体或用来分析与气体传感器30相接触的气体的组成的应用。这样的应用将使用传感器管理器49的API以与气体传感器30进行交互。
气体传感器控制和处理：
气体传感器控制和处理库GSCP(也称为“控制和处理装置”)45可以实现为硬件或软件或它们的组合。优选地，如前提到的，它是软件库。图5详细示出了气体传感器控制和处理库GSCP45的设计。它包括以下组件：
-传感器控制器50控制气体传感器30的操作。具体而言，其被配置为例如控制通过加热器38的电流，例如以在某个温度下执行测量或以使用某个依赖于时间的温度分布。其还可以被配置为可选地控制诸如湿度传感器31的其它传感器。传感器控制器50通过集线器驱动程序42与气体传感器驱动程序43相接口。
-信号处理器51被配置为接收来自气体传感器30(并且，可选地来自诸如湿度传感器31的另外的传感器)的所测量的信号，并且对其处理以获得结果数据集。信号处理器51与传感器管理器49相接口以在API47处提供结果。
-操作模式控制器(OMC)52被设置用于根据当前所选择的操作模式控制传感器控制器50和信号处理器51的操作。该操作模式限定了气体传感器30运行的条件和用于处理所测量的数据以将其转换为结果数据集的算法和参数。操作模式控制器52与传感器控制器49相接口，以通过API47接收所选择的操作模式。
-操作模式表53，包含所有可用的操作模式的列表。
-操作模式列表提供器OMLP54，用于向API47提供操作模式表53中的操作模式列表。为了该目的，OMLP54与传感器管理器49相接口，通过传感器管理器49使该列表在API47处可用。
-GSCP45可以包含用于额外功能的另外的组件。例如，它可以包含网络接口单元55(NIU)，网络接口单元55与网络24、并且特别地与服务器设备25相接口。它可以例如用于从服务器设备25获得实时数据或将数据处理卸载到服务器设备25，这是表53中的一些操作模式可能需要的功能。
可以看出，表53包含用于每个操作模式的标识符57(诸如图5的实施例中的“模式1”、“模式2”等)和属性58。属性可以例如包括如下信息：
-操作模式的人类可读的名字(例如“乙醇检测”、“坏气味检测”和“气体分析”)。
-控制传感器控制器50的参数，由此指定各种不同的用于控制气体传感器30的方法中的一个。具体而言，这些参数可以例如指示要发生测量的温度或温度分布。
-控制信号处理器51的参数。这些参数可以例如指示用于处理来自气体传感器30的数据的算法和/或用于此的数值参数。
-描述当气体传感器在给定的操作模式下操作时、通过API返回的结果类型的指示器。例如，结果可以是标量、数组或对象。
-指示是否需要通过网络24获得资源以用于在给定的操作模式下执行测量(即是否需要通过NIU55访问远程资源)的指示器。
-指示操作模式所属于的操作模式组的指示器，如以上参照“第一组”和“第二细”所描述的。该指示器还可以指定子组。例如，如果操作方法属于识别单独的气体的方法组，则子组可以指定设计该操作方法所针对的气体。
-在给定的操作模式中期望的测量持续时间。
API：
在下面，以java类语言提供了API的示例，其类似于由安卓(R)操作系统的“传感器管理器”类提供的API。但是本领域技术人员会了解，以下描述的原理不会限制到给定的操作系统或程序设计语言。
例如，假定API47被实现为安卓API的“传感器”类的当前定义的延伸。
在第一步中，应用必须获得“传感器”的实例：
mgr=(SensorManager)getSystemService(SENSOR SERVICE)；
sens=mSensorManager.getDefaultSensor(Sensor.TYPE GAS)；
在下一步中，应用可以获得气体传感器的可用操作模式的列表：
modes=sens·getModes()；
其中getModes()例如被定义如下：
public HashMap<String，Objeet>[]getModes()；
该功能返回HashMap(哈希表)类型对象的数组，其中每个HashMap是描述操作模式的键值字典。该字典由气体传感器控制和处理装置GSPC45的操作模式列表提供器OMIP54生成。
例如，每个字典可以包含如下键和值：
键 值
“名字”操作模式的标识符，诸如上述示例中的“模式1”
“描述”具有人类可读的描述的字符串，诸如“乙醇检测”
“结果”描述当传感器在给定的操作模式中操作时、通过API返回的作为结果的值的类型的整数，例如，如果结果为标量则为1，如果结果是-长度为N的数组则为大于1的数N，或者如果结果是java对象则为0
“网络”指示给定的操作模式的执行是否需要网络访问的布尔值
“组”指示操作模式所属于的组的字符串值，例如，如果操作模式被设计为检测单一气体则为“单一”，或者如果操作模式被设计为分析具有多种组分的气体的组成则为“组成”
“子组”按照上述进一步指定子组的字符串。例如，如果操作方法属于组“单一”，则子组可以例如指定操作模式被优化用于的气体或气体混合物的名字，诸如“乙醇”、“CO”和“汗味”等
“持续时间”描述期望的测量持续时间的浮点值，例如若干秒
另外的键和值可以例如描述要返回的值的数值范围(例如0.0...1.0)或缩放(线性、对数)，等。
一旦应用获得了操作模式的列表，则应用可以对其循环访问以识别最合适的操作模式。
接着，应用启用传感器类的指定要使用的操作模式的方法。该方法可以例如被定义为：
public void setSensorMode(string mode)；
并且通过在参数“mode”中使用期望的操作模式的标识符而被启用。
一旦操作模式被选择，则测量可以进行，例如通过安装如由以下安卓的“传感器管理器”类提供的监听器：
mgr.registerListener(this，sens，
SensorManager.SENSOR_DELAY_NORMAL)
结果将被发送到对象“this”的方法onSensorChanged()。这些结果可以接着根据其类型而被处理。
注意：
如提到的，以上仅仅为实现API的示例。具体API的细节可以变化。
例如，在上述示例中不同操作模式的列表被设置为HashMap对象的数组。本领域技术人员知道提供这样的列表的其它方法，例如通过列表对象或通过针对列表中的每一项调用的回调函数。
而且，优选提供用于避免由不同的、同时运行的应用选择的操作模式之间的冲突的机制。例如，一个应用可能请求GSCP45在一个操作模式下操作，而另一应用想在另一处理模式下操作它。对于这样的情况，例如，当GSCP45从不同的源接收到两个不同的操作模式选择时，其可以采用时间共享系统以在该两种操作模式中交替操作。
总的来说，为了使得应用程序访问气体传感器，提供了使得可以通过简单固定的API提供灵活的传感器控制的通用机制。该机制被设计为使得应用程序询问气体传感器可能的操作模式。操作模式例如指定用于控制气体传感器和用于处理其原始数据的方法。
尽管示出并描述了本发明目前的优选实施例，但可以清楚地理解本发明并不被限制于此，而是可以按落入权利要求的范围中的其它方式被不同地具体实现及实践。

Claims (15)

1.一种用于操作便携式传感器设备的方法，其中所述便携式传感器设备包括：
气体传感器(30)，
用于控制所述气体传感器(30)和处理来自所述气体传感器(30)的数据的控制和处理装置(45)，和
提供对所述控制和处理装置(45)的访问的应用编程接口装置API(47)，
所述方法的特征在于以下步骤：
a)提供包含多个不同操作模式的列表并通过所述API提供所述列表，其中每个所述操作模式指示一种用于控制所述气体传感器(30)和／或处理来自所述气体传感器(30)的所述数据的方法，和
b)接收通过所述应用编程接口装置(47)做出的对所述操作模式之一的选择，并且根据所选择的操作模式控制所述气体传感器(30)和／或处理来自所述气体传感器(30)的所述数据。
2.根据前述任一权利要求的方法，其中至少一些的所述操作模式需要传感器设备通过网络(24)访问资源(25)，其中如果需要所述访问，则所述列表包括针对每个操作模式的指示器。
3.根据前述任一权利要求的方法，其中所述列表指示在每个操作模式中期望的测量持续时间。
4.根据前述任一权利要求的方法，其中至少一些的所述操作模式指示用于控制所述气体传感器(30)的不同的方法，特别是指示气体传感器(30)操作的不同温度或温度分布。
5.根据前述任一权利要求的方法，其中至少一些的所述操作模式指示用于处理来自所述气体传感器(30)的所述数据的不同方法。
6.根据前述任一权利要求的方法，其中所述移动设备除所述气体传感器(30)以外还包括第二传感器(31)，其中至少一个所述操作模式指示在所述步骤b)中将来自所述第二传感器(31)的数据和来自所述气体传感器(30)的数据相组合，其中，至少另一个所述操作模式指示在所述步骤b)中不将来自所述第二传感器(31)的数据和来自所述气体传感器(30)的数据相组合，并且特别地，其中所述第二传感器(31)是湿度传感器。
7.根据前述任一权利要求的方法，其中所述移动设备包括多个气体传感器(35a、35b、35c和35d)，特别地为金属氧化物气体传感器，其中至少一些的所述操作模式指示在所述步骤b)中以不同方式来自所述多个气体传感器(35a、35b、35c和35d)的信号。
8.根据前述任一权利要求的方法，其中：
第一组所述操作模式被设计为检测单独的气体或气体混合物并且生成指示所述单独的气体或气体混合物的存在和/或浓度的测量值，而
第二组所述操作模式被设计为分析具有多种组分的气体组成并且返回指示每个所述组分的存在和/或浓度的测量值，
其中所述列表指示操作模式所属于的组。
9.根据前述任一权利要求的方法，其中，当从不同的源接收到两个不同的操作模式选择时，所述两个操作模式交替执行。
10.一种便携式传感器设备，包括：
气体传感器(30)，
用于控制所述气体传感器(30)和处理来自所述气体传感器(30)的数据的控制和处理装置(45)，
提供对所述控制和处理装置(45)的访问的应用编程接口装置(47)，
其特征在于所述控制和处理装置(45)包括：
提供包含多个不同操作模式的列表并将所述列表提供给所述应用编程接口装置(47)的操作模式列表提供器(54)，其中每个所述操作模式指示用于控制所述气体传感器(30)和/或处理来自所述气体传感器(30)的所述数据的方法，和
被配置为通过所述应用编程接口装置(47)接收对操作模式的选择并且控制所述气体传感器(30)和／或处理来自所述气体传感器(30)的所述数据的操作模式控制器(52)。
11.根据权利要求10的传感器设备，进一步包括用于通过网络(24)将所述设备连接到远程资源(25)的接口(23)，其中如果需要所述访问则所述列表包括针对每个操作模式的指示器。
12.根据权利要求10或11的传感器设备，除所述气体传感器(30)以外进一步包括第二传感器(31)，特别地为湿度传感器，其中所述操作模式控制器(52)被配置为针对至少一个所选择的操作模式将来自所述第二传感器(31)的数据和来自所述气体传感器(30)的数据相组合，并且针对至少另一所选择的操作模式不将来自所述第二传感器(31)的数据和来自所述气体传感器(30)的数据相组合。
13.根据权利要求10到12的任一项的传感器设备，其中所述气体传感器(30)包括金属氧化物层(35a、35b、35c和35d)和用于加热所述金属氧化物层(35a、35b、35c和35d)的加热器(38)。
14.根据权利要求10到14的任一项的传感器设备，包括多个气体传感器，特别是金属氧化物气体传感器。
15.一种控制和处理装置，优选为软件库，用于在根据以上任一权利要求的方法或便携式传感器设备中使用，其特征在于所述控制和处理装置包括：
提供包含多个不同操作模式的列表并将所述列表提供给应用编程接口装置(47)的操作模式列表提供器(54)，其中每个所述操作模式指示用于控制所述气体传感器(30)和／或处理来自所述气体传感器(30)的所述数据的方法，和
对通过所述应用编程接口装置(47)做出的操作模式选择进行响应、以根据所选择的操作模式控制所述气体传感器(30)和／或处理来自所述气体传感器(30)的所述数据的操作模式控制器(52)。
CN201410085238.9A 2013-01-31 2014-01-29 带有气体传感器的便携式传感器设备及其操作方法 Active CN103970041B (zh)

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