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(shù)的價(jià)值帶到了物理世界。通過(guò)向計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(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)影響物理世界的變化。通常，這些網(wǎng)絡(luò)是閉環(huán)，這意味著執(zhí)行器控制的物理參數(shù)會(huì)立即被傳感器讀回到系統(tǒng)中，從而形成一個(gè)連續(xù)的實(shí)時(shí)環(huán)路，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)中的執(zhí)行器和傳感器
物聯(lián)網(wǎng)給計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)增加了致動(dòng)器，它們提供的對(duì)物理世界的控制給物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用增加了復(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(wèn)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)行器添加到網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，特別是當(dāng)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)器、變電站、車輛或醫(yī)療設(shè)備時(shí)，如果系統(tǒng)遭到黑客攻擊或出現(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(dòng)器包括各種類型的換能器。換能器是將一種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的裝置。例如，你汽車上的剎車把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，幾乎所有的傳感器都會(huì)獲取一些物理參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。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(hào)，并將其轉(zhuǎn)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(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)、相機(jī)、顯示器、紅外(IR)、光探測(cè)和測(cè)距(激光雷達(dá)等。)、化學(xué)(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(shí)際上，對(duì)于所有這些物理參數(shù)以及大多數(shù)可以被感測(cè)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(dòng)器來(lái)修改物理世界中的參數(shù)。
傳感器通常包括原始感測(cè)元件或換能器，以及信號(hào)處理鏈，以使網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)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(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)處理鏈進(jìn)行放大、濾波，并將原始信號(hào)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I C或USB。復(fù)雜的傳感器使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在數(shù)字域中進(jìn)一步過(guò)濾、調(diào)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。控制計(jì)算機(jī)及其軟件的數(shù)字輸出通過(guò)一個(gè)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，它由一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器、一個(gè)輸出濾波器和某種放大器組成。越來(lái)越多的執(zhí)行器采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和D類放大器等數(shù)字技術(shù)，以提高精度、響應(yīng)速度和能效。
使用執(zhí)行器和傳感器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單物聯(lián)網(wǎng)功能的示例，如沏一杯茶
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)一分鐘，想想你的智能手機(jī)和它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)沏茶的機(jī)器人系統(tǒng)。在《星際迷航下一代》中，皮卡德船長(zhǎng)會(huì)走近他的食物復(fù)制機(jī)，說(shuō)“茶，格雷伯爵，熱的”，幾秒鐘后，食物就端上來(lái)了。雖然在幾秒鐘內(nèi)從純能量中實(shí)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(gè)可以執(zhí)行類似功能的實(shí)際系統(tǒng)，并看看一個(gè)完全實(shí)現(xiàn)的版本可能包含的所有傳感器和致動(dòng)器:
這個(gè)過(guò)程的第一步是接受用戶的請(qǐng)求。訂購(gòu)可以通過(guò)鍵盤陣列(簡(jiǎn)單的按鈕傳感器)、電容觸摸板(電容傳感器)、麥克風(fēng)陣列(聲音傳感器)或?qū)ふ沂謩?shì)的攝像頭(圖像傳感器)。訂單也可以通過(guò)使用連接類型的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)到達(dá)，這些連接類型可以包括光纖(光學(xué)傳感器)、無(wú)線(RF傳感器)或有線(電子傳感器)。本地處理器接受該輸入并協(xié)調(diào)機(jī)器中的傳感器和致動(dòng)器作為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。如果這是自動(dòng)售貨機(jī)，附加的傳感器和致動(dòng)器接受貨幣或信用卡并驗(yàn)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(dòng)器的Peltier模塊來(lái)提供熱電冷卻。從傳感器到控制處理器再到致動(dòng)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(lái)，我們必須選擇一個(gè)茶包。我們的機(jī)器可能有一個(gè)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(rèn)行李的存在——可能是通過(guò)視覺(jué)或機(jī)械方式。機(jī)器人致動(dòng)器使用電機(jī)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(gè)機(jī)器人致動(dòng)器可以將杯子移動(dòng)到釀造站，傳感器確認(rèn)它的位置正確。
現(xiàn)在，閥門致動(dòng)器打開(kāi)，讓水進(jìn)入釀造站。超聲波液位傳感器測(cè)量杯子有多滿，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。降低茶包的馬達(dá)可以輕輕地上下浸泡茶包，以促進(jìn)均勻沖泡。光學(xué)傳感器可以測(cè)量茶的顏色，以在達(dá)到所需濃度時(shí)移除茶袋。類似螺線管的致動(dòng)器可以將用過(guò)的茶袋放入廢料接收器中。
額外的致動(dòng)器可以添加選定的調(diào)味品，例如馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的螺旋鉆來(lái)計(jì)量糖或奶精，或者閥門來(lái)分配蜂蜜。調(diào)味品箱中的光學(xué)、重量或超聲波傳感器驗(yàn)證供應(yīng)是否充足以及分配器是否計(jì)量正確。一個(gè)小小的機(jī)器人勺子——需要幾個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的致動(dòng)器來(lái)定位、移動(dòng)和清潔它——進(jìn)行最后的攪拌，電機(jī)致動(dòng)器打開(kāi)輸送門，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)化像沏一杯茶這樣簡(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、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的機(jī)器是否值得，但隨著傳感器和致動(dòng)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。
