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)的價值帶到了物理世界。通過向計算機網(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)計算結(jié)果，并最終驅(qū)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(luò)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(luò)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(yīng)用增加了復(fù)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(guān)注，因為他們的數(shù)據(jù)可能會損壞、丟失或被盜。當(dāng)執(zhí)行器添加到網(wǎng)絡(luò)中時，特別是當(dāng)這些執(zhí)行器控制強大或危險的系統(tǒng)，如機車、反應(yīng)器、變電站、車輛或醫(yī)療設(shè)備時，如果系統(tǒng)遭到黑客攻擊或出現(xiàn)故障，可能會導(dǎo)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(zhuǎn)換成另一種形式的裝置。例如，你汽車上的剎車把機械能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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(xué)(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(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(luò)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(fēng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換和某種計算機接口，如I C或USB。復(fù)雜的傳感器使用數(shù)字信號處理技術(shù)在數(shù)字域中進一步過濾、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?？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(qū)動器，驅(qū)動器接收信號并將其轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器中傳感器所需的任何輸入。通常，它由一個數(shù)模轉(zhuǎn)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(shù)，以提高精度、響應(yīng)速度和能效。
使用執(zhí)行器和傳感器實現(xiàn)簡單物聯(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(fù)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(nèi)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(fēng)陣列(聲音傳感器)或?qū)ふ沂謩莸臄z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(luò)到達，這些連接類型可以包括光纖(光學(xué)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(diào)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(dāng)?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(xué)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(diào)味品，例如馬達驅(qū)動的螺旋鉆來計量糖或奶精，或者閥門來分配蜂蜜。調(diào)味品箱中的光學(xué)、重量或超聲波傳感器驗證供應(yīng)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(qū)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(shù)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(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。
