物聯(lián)網(wǎng)中的執(zhí)行器和傳感器
物聯(lián)網(wǎng)(IoT)將信息技術的價值帶到了物理世界。通過向計算機網(wǎng)絡添加傳感器和執(zhí)行器，我們可以感知物理世界中正在發(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)計算結果，并最終驅動執(zhí)行器使用這些計算來影響物理世界的變化。通常，這些網(wǎng)絡是閉環(huán)，這意味著執(zhí)行器控制的物理參數(shù)會立即被傳感器讀回到系統(tǒng)中，從而形成一個連續(xù)的實時環(huán)路，并允許對物理過程進行監(jiān)控和嚴格控制。
物聯(lián)網(wǎng)中的執(zhí)行器和傳感器
物聯(lián)網(wǎng)給計算機網(wǎng)絡增加了致動器，它們提供的對物理世界的控制給物聯(lián)網(wǎng)應用增加了復雜性。過去，軟件錯誤、計算機安全漏洞或組件故障等系統(tǒng)問題可能會引起IT經(jīng)理的極大關注，因為他們的數(shù)據(jù)可能會損壞、丟失或被盜。當執(zhí)行器添加到網(wǎng)絡中時，特別是當這些執(zhí)行器控制強大或危險的系統(tǒng)，如機車、反應器、變電站、車輛或醫(yī)療設備時，如果系統(tǒng)遭到黑客攻擊或出現(xiàn)故障，可能會導致嚴重的財產(chǎn)損失、人身傷害甚至死亡。因此，如果包括執(zhí)行器，我們需要特別注意系統(tǒng)的完整性和安全性。
大多數(shù)傳感器和致動器包括各種類型的換能器。換能器是將一種形式的能量轉換成另一種形式的裝置。例如，你汽車上的剎車把機械能轉化為熱能。對于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，幾乎所有的傳感器都會獲取一些物理參數(shù)，并將其轉換為電信號。類似地，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中幾乎所有的執(zhí)行器都接收電信號，并將其轉換為某種物理輸出。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)使用的物理參數(shù)，跑遍了你的物理課本。這些可以包括電(電壓、電流、功率、電阻、電容、電感、頻率、相位等。)、機械(位置、速度、加速度、重量、羅盤航向、重力、力、張力、壓力、流量、扭矩、磁場等。)、聲學(聲音、振動、地震等。)、圖像(光強、相機、顯示器、紅外(IR)、光探測和測距(激光雷達等。)、化學(潛在氫(pH)濃度、成分、純度等。)、醫(yī)療(心率、呼吸、血壓、體溫、腦電圖等。)還有很多。實際上，對于所有這些物理參數(shù)以及大多數(shù)可以被感測的參數(shù)，存在數(shù)千種類型的傳感器，并且存在類似的致動器來修改物理世界中的參數(shù)。
傳感器通常包括原始感測元件或換能器，以及信號處理鏈，以使網(wǎng)絡計算機可獲得原始讀數(shù)。通常，原始傳感元件(如熱敏電阻、加速度計、麥克風或光傳感器)會產(chǎn)生適度的模擬信號。然后，該信號必須通過信號處理鏈進行放大、濾波，并將原始信號轉換為我們的控制計算機及其軟件可以輸入的格式。這通常涉及模數(shù)轉換和某種計算機接口，如I C或USB。復雜的傳感器使用數(shù)字信號處理技術在數(shù)字域中進一步過濾、調節(jié)、平均和格式化傳感器讀數(shù)。
執(zhí)行器具有相反的功能?？刂朴嬎銠C及其軟件的數(shù)字輸出通過一個接口傳送到驅動器，驅動器接收信號并將其轉換為執(zhí)行器中傳感器所需的任何輸入。通常，它由一個數(shù)模轉換器、一個輸出濾波器和某種放大器組成。越來越多的執(zhí)行器采用數(shù)字信號處理器(DSP)和D類放大器等數(shù)字技術，以提高精度、響應速度和能效。
使用執(zhí)行器和傳感器實現(xiàn)簡單物聯(lián)網(wǎng)功能的示例，如沏一杯茶
通常，網(wǎng)絡中傳感器和執(zhí)行器的數(shù)量和多樣性出乎意料地高。停下來一分鐘，想想你的智能手機和它包含的所有傳感器和執(zhí)行器類型。為了更好地說明這一點，讓我們考慮一個沏茶的機器人系統(tǒng)。在《星際迷航下一代》中，皮卡德船長會走近他的食物復制機，說“茶，格雷伯爵，熱的”，幾秒鐘后，食物就端上來了。雖然在幾秒鐘內從純能量中實現(xiàn)美味飲料所需的傳感器可能不存在，至少現(xiàn)在還不存在，但讓我們考慮一個可以執(zhí)行類似功能的實際系統(tǒng)，并看看一個完全實現(xiàn)的版本可能包含的所有傳感器和致動器:
這個過程的第一步是接受用戶的請求。訂購可以通過鍵盤陣列(簡單的按鈕傳感器)、電容觸摸板(電容傳感器)、麥克風陣列(聲音傳感器)或尋找手勢的攝像頭(圖像傳感器)。訂單也可以通過使用連接類型的計算機網(wǎng)絡到達，這些連接類型可以包括光纖(光學傳感器)、無線(RF傳感器)或有線(電子傳感器)。本地處理器接受該輸入并協(xié)調機器中的傳感器和致動器作為實時控制系統(tǒng)。如果這是自動售貨機，附加的傳感器和致動器接受貨幣或信用卡并驗證它們是真的。
傳感器持續(xù)監(jiān)控蓄水池中沖泡水的溫度和壓力。電阻加熱器用作控制水溫的執(zhí)行器。如果有用于冷沖泡飲料的冷水貯存器，它具有自己的溫度和壓力傳感器，并且可能有作為致動器的Peltier模塊來提供熱電冷卻。從傳感器到控制處理器再到致動器都有反饋回路，以確保水處于最佳沖泡所需的溫度。
接下來，我們必須選擇一個茶包。我們的機器可能有一個不同類型的茶包雜志，代表它可以沖泡的品種。傳感器可以確認行李的存在——可能是通過視覺或機械方式。機器人致動器使用電機將料盒索引到正確的位置，并將選定的茶袋降低到?jīng)_泡站。另一個機器人致動器可以將杯子移動到釀造站，傳感器確認它的位置正確。
現(xiàn)在，閥門致動器打開，讓水進入釀造站。超聲波液位傳感器測量杯子有多滿，并在適當?shù)臅r候切斷閥門。熱傳感器監(jiān)測茶沖泡時的溫度。降低茶包的馬達可以輕輕地上下浸泡茶包，以促進均勻沖泡。光學傳感器可以測量茶的顏色，以在達到所需濃度時移除茶袋。類似螺線管的致動器可以將用過的茶袋放入廢料接收器中。
額外的致動器可以添加選定的調味品，例如馬達驅動的螺旋鉆來計量糖或奶精，或者閥門來分配蜂蜜。調味品箱中的光學、重量或超聲波傳感器驗證供應是否充足以及分配器是否計量正確。一個小小的機器人勺子——需要幾個電機驅動的致動器來定位、移動和清潔它——進行最后的攪拌，電機致動器打開輸送門，將杯子呈現(xiàn)給用戶。
因此，使用物聯(lián)網(wǎng)技術來自動化像沏一杯茶這樣簡單的事情可能需要幾十個傳感器和執(zhí)行器、它們的接口電路、相當復雜的處理器和大量軟件。我不確定今天制造這樣的機器是否值得，但隨著傳感器和致動器的能力不斷提高，成本不斷下降，這種系統(tǒng)的出現(xiàn)是可能的。
