27 KiB
التفاعل مع العالم المادي باستخدام المستشعرات والمحركات
رسم تخطيطي بواسطة نيتيا ناراسيمهان. انقر على الصورة للحصول على نسخة أكبر.
تم تدريس هذا الدرس كجزء من سلسلة Hello IoT من Microsoft Reactor. تم تقديم الدرس في شكل فيديوهين - درس مدته ساعة واحدة، وساعة أخرى للإجابة على الأسئلة والتعمق في أجزاء من الدرس.
🎥 انقر على الصور أعلاه لمشاهدة الفيديوهات
اختبار ما قبل المحاضرة
المقدمة
يقدم هذا الدرس اثنين من المفاهيم المهمة لجهاز إنترنت الأشياء الخاص بك - المستشعرات والمحركات. ستتعامل معهما عمليًا، حيث ستضيف مستشعر ضوء إلى مشروع إنترنت الأشياء الخاص بك، ثم تضيف LED يتم التحكم فيه بمستويات الضوء، مما يؤدي إلى بناء ضوء ليلي.
في هذا الدرس سنتناول:
ما هي المستشعرات؟
المستشعرات هي أجهزة مادية تستشعر العالم المادي - أي أنها تقيس خاصية أو أكثر من حولها وترسل المعلومات إلى جهاز إنترنت الأشياء. تغطي المستشعرات مجموعة واسعة من الأجهزة نظرًا لوجود العديد من الأشياء التي يمكن قياسها، بدءًا من الخصائص الطبيعية مثل درجة حرارة الهواء إلى التفاعلات الفيزيائية مثل الحركة.
بعض المستشعرات الشائعة تشمل:
- مستشعرات الحرارة - تقيس درجة حرارة الهواء أو درجة حرارة ما يتم غمرها فيه. بالنسبة للهواة والمطورين، غالبًا ما يتم دمجها مع ضغط الهواء والرطوبة في مستشعر واحد.
- الأزرار - تستشعر عندما يتم الضغط عليها.
- مستشعرات الضوء - تكتشف مستويات الضوء ويمكن أن تكون لألوان محددة، أو الضوء فوق البنفسجي، أو الضوء تحت الأحمر، أو الضوء المرئي العام.
- الكاميرات - تستشعر تمثيلًا بصريًا للعالم من خلال التقاط صورة أو بث فيديو.
- مقياس التسارع - يستشعر الحركة في اتجاهات متعددة.
- الميكروفونات - تستشعر الصوت، سواء مستويات الصوت العامة أو الصوت الاتجاهي.
✅ قم ببعض البحث. ما هي المستشعرات الموجودة في هاتفك؟
جميع المستشعرات لديها شيء مشترك - فهي تحول ما تستشعره إلى إشارة كهربائية يمكن لجهاز إنترنت الأشياء تفسيرها. يعتمد تفسير هذه الإشارة الكهربائية على المستشعر، وكذلك على بروتوكول الاتصال المستخدم للتواصل مع جهاز إنترنت الأشياء.
استخدام مستشعر
اتبع الدليل المناسب أدناه لإضافة مستشعر إلى جهاز إنترنت الأشياء الخاص بك:
أنواع المستشعرات
المستشعرات إما تناظرية أو رقمية.
المستشعرات التناظرية
بعض المستشعرات الأساسية هي مستشعرات تناظرية. هذه المستشعرات تستقبل جهدًا كهربائيًا من جهاز إنترنت الأشياء، وتقوم مكونات المستشعر بتعديل هذا الجهد، ويتم قياس الجهد الذي يعود من المستشعر للحصول على قيمة المستشعر.
🎓 الجهد هو مقياس لمدى قوة الدفع لنقل الكهرباء من مكان إلى آخر، مثل من الطرف الموجب للبطارية إلى الطرف السالب. على سبيل المثال، البطارية القياسية AA هي 1.5V (V هو رمز الفولت) ويمكنها دفع الكهرباء بقوة 1.5V من طرفها الموجب إلى طرفها السالب. تتطلب الأجهزة الكهربائية المختلفة جهودًا مختلفة للعمل، على سبيل المثال، يمكن أن يضيء LED بجهد بين 2-3V، ولكن المصباح الكهربائي 100W يحتاج إلى 240V. يمكنك قراءة المزيد عن الجهد على صفحة الجهد في ويكيبيديا.
أحد الأمثلة على ذلك هو المقياس المتغير (potentiometer). هذا عبارة عن قرص يمكن تدويره بين موضعين ويتم قياس الدوران بواسطة المستشعر.
جهاز إنترنت الأشياء سيرسل إشارة كهربائية إلى المقياس المتغير بجهد معين، مثل 5 فولت (5V). عندما يتم ضبط المقياس المتغير، فإنه يغير الجهد الذي يخرج من الجانب الآخر. تخيل أن لديك مقياس متغير مُصنف كقرص يتراوح من 0 إلى 11، مثل مقبض الصوت في مكبر الصوت. عندما يكون المقياس المتغير في وضع الإيقاف الكامل (0)، فإن 0V (0 فولت) ستخرج. عندما يكون في وضع التشغيل الكامل (11)، فإن 5V (5 فولت) ستخرج.
🎓 هذا تبسيط مفرط، ويمكنك قراءة المزيد عن المقياس المتغير والمقاومات المتغيرة على صفحة المقياس المتغير في ويكيبيديا.
الجهد الذي يخرج من المستشعر يتم قراءته بواسطة جهاز إنترنت الأشياء، ويمكن للجهاز الاستجابة له. بناءً على المستشعر، يمكن أن يكون هذا الجهد قيمة عشوائية أو يمكن أن يتوافق مع وحدة قياسية. على سبيل المثال، مستشعر درجة الحرارة التناظري القائم على المقاوم الحراري يغير مقاومته بناءً على درجة الحرارة. يمكن بعد ذلك تحويل الجهد الناتج إلى درجة حرارة بالكلفن، وبالمثل إلى °C أو °F، من خلال حسابات في الكود.
✅ ماذا تعتقد سيحدث إذا أعاد المستشعر جهدًا أعلى مما تم إرساله (على سبيل المثال قادم من مصدر طاقة خارجي)؟ ⛔️ لا تختبر ذلك.
التحويل من التناظري إلى الرقمي
أجهزة إنترنت الأشياء رقمية - لا يمكنها العمل مع القيم التناظرية، فهي تعمل فقط مع 0 و 1. هذا يعني أن قيم المستشعر التناظرية تحتاج إلى تحويل إلى إشارة رقمية قبل أن تتم معالجتها. تحتوي العديد من أجهزة إنترنت الأشياء على محولات من التناظري إلى الرقمي (ADCs) لتحويل المدخلات التناظرية إلى تمثيلات رقمية لقيمها. يمكن للمستشعرات أيضًا العمل مع ADCs عبر لوحة موصل. على سبيل المثال، في نظام Seeed Grove مع Raspberry Pi، تتصل المستشعرات التناظرية بمنافذ محددة على "قبعة" مثبتة على Pi متصلة بدبابيس GPIO الخاصة بـ Pi، وهذه القبعة تحتوي على ADC لتحويل الجهد إلى إشارة رقمية يمكن إرسالها عبر دبابيس GPIO الخاصة بـ Pi.
تخيل أن لديك مستشعر ضوء تناظري متصل بجهاز إنترنت الأشياء الذي يعمل بجهد 3.3V ويعيد قيمة 1V. هذا 1V لا يعني شيئًا في العالم الرقمي، لذا يحتاج إلى تحويل. سيتم تحويل الجهد إلى قيمة تناظرية باستخدام مقياس يعتمد على الجهاز والمستشعر. أحد الأمثلة هو مستشعر الضوء Seeed Grove الذي يخرج قيمًا من 0 إلى 1,023. بالنسبة لهذا المستشعر الذي يعمل بجهد 3.3V، فإن خرج 1V سيكون قيمة 300. جهاز إنترنت الأشياء لا يمكنه التعامل مع 300 كقيمة تناظرية، لذا سيتم تحويل القيمة إلى 0000000100101100، التمثيل الثنائي لـ 300 بواسطة قبعة Grove. سيتم بعد ذلك معالجتها بواسطة جهاز إنترنت الأشياء.
✅ إذا كنت لا تعرف الثنائي، فقم ببعض البحث لتتعلم كيف يتم تمثيل الأرقام بواسطة 0 و 1. درس مقدمة إلى الثنائي من BBC Bitesize هو مكان رائع للبدء.
من منظور البرمجة، يتم التعامل مع كل هذا عادةً بواسطة المكتبات التي تأتي مع المستشعرات، لذا لا تحتاج إلى القلق بشأن هذا التحويل بنفسك. بالنسبة لمستشعر الضوء Grove، يمكنك استخدام مكتبة Python واستدعاء الخاصية light، أو استخدام مكتبة Arduino واستدعاء analogRead للحصول على قيمة 300.
المستشعرات الرقمية
المستشعرات الرقمية، مثل المستشعرات التناظرية، تكتشف العالم من حولها باستخدام تغييرات في الجهد الكهربائي. الفرق هو أنها تخرج إشارة رقمية، إما عن طريق قياس حالتين فقط أو باستخدام ADC مدمج. المستشعرات الرقمية أصبحت أكثر شيوعًا لتجنب الحاجة إلى استخدام ADC سواء في لوحة الموصل أو على جهاز إنترنت الأشياء نفسه.
أبسط مستشعر رقمي هو زر أو مفتاح. هذا مستشعر بحالتين، تشغيل أو إيقاف.
يمكن لدبابيس أجهزة إنترنت الأشياء مثل دبابيس GPIO قياس هذه الإشارة مباشرة كـ 0 أو 1. إذا كان الجهد المرسل هو نفسه الجهد المعاد، فإن القيمة المقروءة هي 1، وإلا فإن القيمة المقروءة هي 0. لا حاجة لتحويل الإشارة، يمكن أن تكون فقط 1 أو 0.
💁 الجهود ليست دقيقة أبدًا خاصةً لأن المكونات في المستشعر سيكون لديها بعض المقاومة، لذا هناك عادةً تسامح. على سبيل المثال، دبابيس GPIO على Raspberry Pi تعمل بجهد 3.3V، وتقرأ إشارة العودة فوق 1.8V كـ 1، وتحت 1.8V كـ 0.
- يتم إرسال 3.3V إلى الزر. الزر مغلق لذا يخرج 0V، مما يعطي قيمة 0
- يتم إرسال 3.3V إلى الزر. الزر مفتوح لذا يخرج 3.3V، مما يعطي قيمة 1
المستشعرات الرقمية الأكثر تقدمًا تقرأ القيم التناظرية، ثم تحولها باستخدام ADCs مدمجة إلى إشارات رقمية. على سبيل المثال، مستشعر درجة الحرارة الرقمي سيستخدم أيضًا مزدوج حراري بنفس طريقة المستشعر التناظري، وسيقيس التغيير في الجهد الناتج عن مقاومة المزدوج الحراري عند درجة الحرارة الحالية. بدلاً من إعادة قيمة تناظرية والاعتماد على الجهاز أو لوحة الموصل لتحويلها إلى إشارة رقمية، سيقوم ADC المدمج في المستشعر بتحويل القيمة وإرسالها كسلسلة من 0 و 1 إلى جهاز إنترنت الأشياء. يتم إرسال هذه 0 و 1 بنفس طريقة الإشارة الرقمية للزر مع 1 كجهد كامل و 0 كـ 0V.
إرسال البيانات الرقمية يسمح للمستشعرات بأن تصبح أكثر تعقيدًا وترسل بيانات أكثر تفصيلًا، حتى بيانات مشفرة للمستشعرات الآمنة. أحد الأمثلة هو الكاميرا. هذه مستشعر يلتقط صورة ويرسلها كبيانات رقمية تحتوي على تلك الصورة، عادةً في صيغة مضغوطة مثل JPEG، ليتم قراءتها بواسطة جهاز إنترنت الأشياء. يمكنها حتى بث الفيديو عن طريق التقاط الصور وإرسال إما الصورة الكاملة إطارًا بإطار أو بث فيديو مضغوط.
ما هي المحركات؟
المحركات هي عكس المستشعرات - فهي تحول الإشارة الكهربائية من جهاز إنترنت الأشياء الخاص بك إلى تفاعل مع العالم المادي مثل إصدار الضوء أو الصوت، أو تحريك محرك.
بعض المحركات الشائعة تشمل:
- LED - يصدر الضوء عند تشغيله
- مكبر الصوت - يصدر الصوت بناءً على الإشارة المرسلة إليه، من صفارة بسيطة إلى مكبر صوت يمكنه تشغيل الموسيقى
- محرك خطوة - يحول الإشارة إلى مقدار محدد من الدوران، مثل تدوير قرص 90°
- المرحل - مفاتيح يمكن تشغيلها أو إيقافها بواسطة إشارة كهربائية. تسمح بجهد صغير من جهاز إنترنت الأشياء لتشغيل جهود أكبر.
- الشاشات - محركات أكثر تعقيدًا تعرض المعلومات على شاشة متعددة القطاعات. تتنوع الشاشات من شاشات LED بسيطة إلى شاشات فيديو عالية الدقة.
✅ قم ببعض البحث. ما هي المحركات الموجودة في هاتفك؟
استخدام محرك
اتبع الدليل المناسب أدناه لإضافة محرك إلى جهاز إنترنت الأشياء الخاص بك، يتم التحكم فيه بواسطة المستشعر، لبناء ضوء ليلي إنترنت الأشياء. سيقوم بجمع مستويات الضوء من مستشعر الضوء، واستخدام محرك في شكل LED لإصدار الضوء عندما يكون مستوى الضوء المكتشف منخفضًا جدًا.
أنواع المحركات
مثل المستشعرات، المحركات إما تناظرية أو رقمية.
المحركات التناظرية
المحركات التناظرية تأخذ إشارة تناظرية وتحولها إلى نوع من التفاعل، حيث يتغير التفاعل بناءً على الجهد المقدم.
أحد الأمثلة هو الضوء القابل للتعتيم، مثل تلك الموجودة في منزلك. كمية الجهد المقدم للضوء تحدد مدى سطوعه.
كما هو الحال مع المستشعرات، تعمل أجهزة إنترنت الأشياء الفعلية بالإشارات الرقمية وليس التناظرية. هذا يعني أنه لإرسال إشارة تناظرية، يحتاج جهاز إنترنت الأشياء إلى محول رقمي إلى تناظري (DAC)، إما على جهاز إنترنت الأشياء مباشرةً أو على لوحة توصيل. يقوم هذا المحول بتحويل الإشارات الرقمية (0 و 1) من جهاز إنترنت الأشياء إلى جهد تناظري يمكن للمشغل استخدامه.
✅ ماذا تعتقد سيحدث إذا أرسل جهاز إنترنت الأشياء جهدًا أعلى مما يمكن للمشغل التعامل معه؟ ⛔️ لا تختبر ذلك.
تعديل عرض النبضة
خيار آخر لتحويل الإشارات الرقمية من جهاز إنترنت الأشياء إلى إشارة تناظرية هو تعديل عرض النبضة. يتضمن ذلك إرسال العديد من النبضات الرقمية القصيرة التي تعمل كما لو كانت إشارة تناظرية.
على سبيل المثال، يمكنك استخدام PWM للتحكم في سرعة المحرك.
تخيل أنك تتحكم في محرك يعمل بجهد 5 فولت. ترسل نبضة قصيرة إلى المحرك، وتقوم بتبديل الجهد إلى مرتفع (5 فولت) لمدة جزء من الثانية (0.02 ثانية). خلال هذه الفترة يمكن للمحرك أن يدور عُشر دورة، أو 36 درجة. ثم تتوقف الإشارة لمدة جزء من الثانية (0.02 ثانية)، وترسل إشارة منخفضة (0 فولت). كل دورة تشغيل ثم إيقاف تستغرق 0.04 ثانية. ثم تتكرر الدورة.
هذا يعني أنه في ثانية واحدة لديك 25 نبضة بجهد 5 فولت لمدة 0.02 ثانية تدور المحرك، يتبعها توقف لمدة 0.02 ثانية بجهد 0 فولت لا يدور المحرك خلالها. كل نبضة تدور المحرك عُشر دورة، مما يعني أن المحرك يكمل 2.5 دورة في الثانية. لقد استخدمت إشارة رقمية لتدوير المحرك بسرعة 2.5 دورة في الثانية، أو 150 دورة في الدقيقة (وحدة غير قياسية لقياس السرعة الدورانية).
25 pulses per second x 0.1 rotations per pulse = 2.5 rotations per second
2.5 rotations per second x 60 seconds in a minute = 150rpm
🎓 عندما تكون إشارة PWM في حالة تشغيل لنصف الوقت وفي حالة إيقاف للنصف الآخر، يُشار إليها بـ دورة عمل بنسبة 50%. تُقاس دورات العمل كنسبة مئوية للوقت الذي تكون فيه الإشارة في حالة التشغيل مقارنةً بحالة الإيقاف.
يمكنك تغيير سرعة المحرك عن طريق تغيير حجم النبضات. على سبيل المثال، مع نفس المحرك يمكنك الحفاظ على نفس وقت الدورة البالغ 0.04 ثانية، مع تقليل نبضة التشغيل إلى النصف لتصبح 0.01 ثانية، وزيادة نبضة الإيقاف إلى 0.03 ثانية. لديك نفس عدد النبضات في الثانية (25)، ولكن كل نبضة تشغيل هي نصف الطول. نبضة نصف الطول تدور المحرك عُشر دورة فقط، وعند 25 نبضة في الثانية سيكمل المحرك 1.25 دورة في الثانية أو 75 دورة في الدقيقة. من خلال تغيير سرعة النبضات للإشارة الرقمية، قمت بتقليل سرعة المحرك التناظري إلى النصف.
25 pulses per second x 0.05 rotations per pulse = 1.25 rotations per second
1.25 rotations per second x 60 seconds in a minute = 75rpm
✅ كيف يمكنك الحفاظ على دوران المحرك بسلاسة، خاصةً عند السرعات المنخفضة؟ هل ستستخدم عددًا صغيرًا من النبضات الطويلة مع فترات توقف طويلة أم العديد من النبضات القصيرة جدًا مع فترات توقف قصيرة جدًا؟
💁 بعض المستشعرات تستخدم أيضًا PWM لتحويل الإشارات التناظرية إلى إشارات رقمية.
🎓 يمكنك قراءة المزيد عن تعديل عرض النبضة على صفحة تعديل عرض النبضة على ويكيبيديا.
المشغلات الرقمية
المشغلات الرقمية، مثل المستشعرات الرقمية، إما أن تكون لها حالتان يتم التحكم فيهما بواسطة جهد مرتفع أو منخفض، أو تحتوي على DAC مدمج يمكنه تحويل الإشارة الرقمية إلى إشارة تناظرية.
أحد المشغلات الرقمية البسيطة هو LED. عندما يرسل الجهاز إشارة رقمية بقيمة 1، يتم إرسال جهد مرتفع يضيء LED. وعندما يتم إرسال إشارة رقمية بقيمة 0، ينخفض الجهد إلى 0 فولت وينطفئ LED.
✅ ما هي المشغلات الأخرى ذات الحالتين البسيطة التي يمكنك التفكير فيها؟ أحد الأمثلة هو الملف اللولبي، وهو مغناطيس كهربائي يمكن تنشيطه للقيام بأشياء مثل تحريك مزلاج الباب لقفل/فتح الباب.
المشغلات الرقمية الأكثر تقدمًا، مثل الشاشات، تتطلب إرسال البيانات الرقمية بتنسيقات معينة. عادةً ما تأتي مع مكتبات تسهل إرسال البيانات الصحيحة للتحكم بها.
🚀 التحدي
التحدي في الدرسين الأخيرين كان سرد أكبر عدد ممكن من أجهزة إنترنت الأشياء الموجودة في منزلك أو مدرستك أو مكان عملك وتحديد ما إذا كانت مبنية حول وحدات تحكم دقيقة أو أجهزة كمبيوتر أحادية اللوحة، أو حتى مزيج من الاثنين.
بالنسبة لكل جهاز قمت بسرده، ما هي المستشعرات والمشغلات المتصلة به؟ ما هو الغرض من كل مستشعر ومشغل متصل بهذه الأجهزة؟
اختبار ما بعد المحاضرة
المراجعة والدراسة الذاتية
- اقرأ عن الكهرباء والدوائر على ThingLearn.
- اقرأ عن الأنواع المختلفة من مستشعرات درجة الحرارة على دليل مستشعرات درجة الحرارة من Seeed Studios
- اقرأ عن LEDs على صفحة LED على ويكيبيديا
الواجب
إخلاء المسؤولية:
تم ترجمة هذا المستند باستخدام خدمة الترجمة بالذكاء الاصطناعي Co-op Translator. بينما نسعى لتحقيق الدقة، يرجى العلم أن الترجمات الآلية قد تحتوي على أخطاء أو معلومات غير دقيقة. يجب اعتبار المستند الأصلي بلغته الأصلية المصدر الرسمي. للحصول على معلومات حاسمة، يُوصى بالاستعانة بترجمة بشرية احترافية. نحن غير مسؤولين عن أي سوء فهم أو تفسيرات خاطئة تنشأ عن استخدام هذه الترجمة.