物聯(lián)網(wǎng)執(zhí)行器和傳感器

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 將信息技術(shù)的價(jià)值帶到了物理世界。通過(guò)將傳感器和執(zhí)行器添加到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，我們可以感知物理世界中發(fā)生的事情，使這些傳感器讀數(shù)可用于軟件算法，根據(jù)讀數(shù)計(jì)算結(jié)果，并最終驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器使用這些計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)改變?cè)谖锢硎澜缰?。通常，這些網(wǎng)絡(luò)是閉環(huán)的，這意味著傳感器會(huì)立即將執(zhí)行器控制的物理參數(shù)讀回系統(tǒng)，從而關(guān)閉連續(xù)的實(shí)時(shí)循環(huán)，并允許對(duì)物理過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控和嚴(yán)格控制。

物聯(lián)網(wǎng)執(zhí)行器和傳感器

IoT 將執(zhí)行器添加到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，而它們提供的對(duì)物理世界的控制又增加了 IoT 應(yīng)用程序的復(fù)雜性。過(guò)去，軟件錯(cuò)誤、計(jì)算機(jī)安全漏洞或組件故障等系統(tǒng)問題可能會(huì)引起 IT 經(jīng)理的極大關(guān)注，因?yàn)樗麄兊臄?shù)據(jù)可能會(huì)損壞、丟失或被盜。當(dāng)執(zhí)行器被添加到網(wǎng)絡(luò)中時(shí)——特別是如果這些執(zhí)行器控制強(qiáng)大或危險(xiǎn)的系統(tǒng)，如機(jī)車、反應(yīng)堆、變電站、車輛或醫(yī)療設(shè)備——如果系統(tǒng)被黑客攻擊或出現(xiàn)故障，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失、人身傷害甚至死亡. 因此，如果包含執(zhí)行器，我們需要特別注意系統(tǒng)完整性和安全性等問題。

大多數(shù)傳感器和執(zhí)行器包括各種類型的傳感器。換能器是將一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量的裝置。例如，汽車的制動(dòng)器將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，幾乎所有傳感器都采用一些物理參數(shù)并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。同樣，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中幾乎所有執(zhí)行器都會(huì)接收電信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為某種物理輸出。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用的物理參數(shù)貫穿你的物理教科書。這些可能包括電氣（電壓、電流、功率、電阻、電容、電感、頻率、相位等）、機(jī)械（位置、速度、加速度、重量、羅盤航向、重力、力、張力、壓力、流量、扭矩、磁場(chǎng)等）、聲學(xué)（聲音、振動(dòng)、地震等）、圖像（光強(qiáng)度、照相機(jī)、顯示器、紅外 (IR)、光探測(cè)和測(cè)距（LiDAR 等）、化學(xué)（潛在氫 (pH) 濃度、成分、純度等）、醫(yī)學(xué)（心率、呼吸、血壓、溫度、腦電圖 (EEG)、等等）等等。對(duì)于所有這些物理參數(shù)和大多數(shù)可以感測(cè)的參數(shù)，實(shí)際上存在數(shù)千種類型的傳感器，并且存在模擬執(zhí)行器來(lái)修改物理世界中的該參數(shù)。

傳感器通常包括一個(gè)原始傳感元件或傳感器，以及一個(gè)信號(hào)處理鏈，使原始讀數(shù)可用于聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)。通常，原始傳感元件（如熱敏電阻、加速度計(jì)、麥克風(fēng)或光傳感器）會(huì)產(chǎn)生適度的模擬信號(hào)。然后，該信號(hào)必須通過(guò)信號(hào)處理鏈，該鏈將原始信號(hào)放大、過(guò)濾并將其轉(zhuǎn)換為我們的控制計(jì)算機(jī)及其軟件可以輸入的格式。這通常涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換和某種計(jì)算機(jī)接口，如 I2C 或 USB。精密的傳感器使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)一步過(guò)濾、調(diào)節(jié)、平均和格式化數(shù)字域中的傳感器讀數(shù)。

執(zhí)行器具有反函數(shù)?？刂朴?jì)算機(jī)及其軟件的數(shù)字輸出通過(guò)接口傳送到驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器接收信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器中傳感器所需的任何輸入。通常，這包括一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器、一個(gè)輸出濾波器和某種放大器。數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 和 D 類放大器等數(shù)字技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于執(zhí)行器中，以使其更加準(zhǔn)確、響應(yīng)迅速且能效更高。

使用執(zhí)行器和傳感器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單物聯(lián)網(wǎng)功能（例如泡茶）的示例

通常，網(wǎng)絡(luò)中傳感器和執(zhí)行器的數(shù)量和多樣性出乎意料地高。停下來(lái)想一想您的智能手機(jī)及其包含的所有傳感器和執(zhí)行器類型。為了更好地說(shuō)明這一點(diǎn)，讓我們考慮一個(gè)泡茶的機(jī)器人系統(tǒng)。在下一代星際迷航中，皮卡德船長(zhǎng)會(huì)靠近他的食物復(fù)制器并說(shuō)“茶，伯爵茶，熱的”，幾秒鐘后，它就上桌了。雖然可能不存在用純能量在幾秒鐘內(nèi)制成可口飲料所需的傳感器，至少現(xiàn)在還不存在，但讓我們考慮一個(gè)可以執(zhí)行類似功能的實(shí)用系統(tǒng)，并查看一個(gè)完全實(shí)現(xiàn)的版本可能包含的所有傳感器和執(zhí)行器：

這個(gè)過(guò)程的第一步是接受用戶的請(qǐng)求?？梢酝ㄟ^(guò)鍵盤陣列（簡(jiǎn)單的按鈕傳感器）、電容式觸摸板（電容傳感器）、麥克風(fēng)陣列（聲音傳感器）或?qū)ふ沂謩?shì)的相機(jī)（圖像傳感器）進(jìn)行訂購(gòu)。訂單也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)到達(dá)，使用的連接類型可能包括光纖（光學(xué)傳感器）、無(wú)線（RF 傳感器）或有線（電子傳感器）。本地處理器接受此輸入并協(xié)調(diào)機(jī)器中的傳感器和執(zhí)行器作為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。如果這是一臺(tái)自動(dòng)售貨機(jī)，額外的傳感器和執(zhí)行器會(huì)接受貨幣或信用卡并驗(yàn)證它們是真的。

接下來(lái)，我們要選擇一個(gè)茶包。我們的機(jī)器可能有不同類型的茶包雜志，代表它可以沖泡的品種。傳感器可以通過(guò)光學(xué)或機(jī)械方式確認(rèn)袋子的存在。機(jī)器人致動(dòng)器使用電機(jī)將雜志索引到正確的位置，并將選定的茶包放入沖泡站。另一個(gè)機(jī)器人執(zhí)行器可以將杯子移動(dòng)到?jīng)_泡站，傳感器確認(rèn)它的位置正確。

現(xiàn)在，閥門執(zhí)行器打開，讓水進(jìn)入沖泡站。超聲波液位傳感器測(cè)量杯子的滿滿程度，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候切斷閥門。熱傳感器監(jiān)測(cè)茶沖泡時(shí)的溫度。降低茶包的電機(jī)可以輕輕地將其上下傾斜，以促進(jìn)沖泡均勻。光學(xué)傳感器可以測(cè)量茶的顏色，以便在達(dá)到所需強(qiáng)度時(shí)取出茶包。像螺線管一樣的執(zhí)行器可以將用過(guò)的茶包放入廢物接收器中。

額外的執(zhí)行器可以添加選定的調(diào)味品，例如用于計(jì)量糖或奶精的電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋鉆，或用于分配蜂蜜的閥門。調(diào)味品箱中的光學(xué)、重量或超聲波傳感器可驗(yàn)證供應(yīng)是否充足以及分配器是否正確計(jì)量。一個(gè)小機(jī)器人勺子——需要幾個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行器來(lái)定位、移動(dòng)和清潔它——最后攪拌一下，電機(jī)執(zhí)行器打開傳送門并將杯子呈現(xiàn)給用戶。

因此，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)自動(dòng)化像沖泡一杯茶這樣簡(jiǎn)單的事情可能需要幾十個(gè)傳感器和執(zhí)行器、它們的接口電路、一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的處理器和大量軟件。我不確定今天制造這樣一臺(tái)機(jī)器是否值得，但隨著傳感器和執(zhí)行器的能力不斷提高，并且它們的成本不斷下降，這種系統(tǒng)的出現(xiàn)是有可能的。

關(guān)鍵點(diǎn)：

傳感器和執(zhí)行器是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的決定性元素。

需要大量電子設(shè)備來(lái)放大、調(diào)節(jié)和連接從原始傳感器到控制處理器的信號(hào)。

即使是簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)功能，甚至沖泡一杯茶，也需要大量不同類型的傳感器和執(zhí)行器。

審核編輯：湯梓紅