16 KiB
אינטראקציה עם העולם הפיזי באמצעות חיישנים ומפעילים
סקיצה מאת ניטיה נאראסימן. לחצו על התמונה לגרסה גדולה יותר.
שיעור זה נלמד כחלק מסדרת Hello IoT של Microsoft Reactor. השיעור הועבר בשני סרטונים - שיעור של שעה אחת ושעה נוספת של "שעת משרד" להעמקה בחלקים מהשיעור ולמענה על שאלות.
🎥 לחצו על התמונות למעלה לצפייה בסרטונים
חידון לפני השיעור
מבוא
שיעור זה מציג שני מושגים חשובים למכשיר ה-IoT שלכם - חיישנים ומפעילים. בנוסף, תתנסו בעבודה עם שניהם: תוסיפו חיישן אור לפרויקט ה-IoT שלכם, ולאחר מכן תוסיפו נורת LED הנשלטת על ידי רמות האור, ובכך תבנו למעשה מנורת לילה.
בשיעור זה נעסוק ב:
מהם חיישנים?
חיישנים הם התקני חומרה שמזהים את העולם הפיזי - כלומר, הם מודדים תכונה אחת או יותר בסביבתם ושולחים את המידע למכשיר IoT. יש מגוון עצום של חיישנים, שכן ישנם דברים רבים שניתן למדוד, החל מתכונות טבעיות כמו טמפרטורת האוויר ועד אינטראקציות פיזיות כמו תנועה.
חיישנים נפוצים כוללים:
- חיישני טמפרטורה - מזהים את טמפרטורת האוויר או את הטמפרטורה של מה שהם שקועים בו. עבור מפתחים וחובבים, חיישנים אלו משולבים לעיתים קרובות עם חיישני לחץ אוויר ולחות בחיישן אחד.
- כפתורים - מזהים מתי נלחצו.
- חיישני אור - מזהים רמות אור ויכולים להיות מותאמים לצבעים מסוימים, אור UV, אור אינפרא אדום או אור נראה כללי.
- מצלמות - מזהות ייצוג חזותי של העולם על ידי צילום תמונה או הזרמת וידאו.
- מד תאוצה - מזהה תנועה בכיוונים שונים.
- מיקרופונים - מזהים קול, בין אם רמות קול כלליות או קול מכוון.
✅ בצעו מחקר. אילו חיישנים יש בטלפון שלכם?
לכל החיישנים יש דבר אחד משותף - הם ממירים את מה שהם מזהים לאות חשמלי שניתן לפרש על ידי מכשיר IoT. האופן שבו האות החשמלי מפורש תלוי בחיישן ובפרוטוקול התקשורת שבו הוא משתמש כדי לתקשר עם מכשיר ה-IoT.
שימוש בחיישן
עקבו אחר המדריך הרלוונטי להוספת חיישן למכשיר ה-IoT שלכם:
סוגי חיישנים
חיישנים יכולים להיות אנלוגיים או דיגיטליים.
חיישנים אנלוגיים
חלק מהחיישנים הבסיסיים ביותר הם חיישנים אנלוגיים. חיישנים אלו מקבלים מתח ממכשיר ה-IoT, רכיבי החיישן משנים את המתח, והמתח שחוזר מהחיישן נמדד כדי לתת ערך חיישן.
🎓 מתח הוא מדד לכמה "דחיפה" יש כדי להזיז חשמל ממקום אחד לאחר, כמו מהקטב החיובי של סוללה לקטב השלילי. לדוגמה, סוללת AA סטנדרטית היא 1.5V (V הוא הסמל לוולט) ויכולה לדחוף חשמל בכוח של 1.5V מהקטב החיובי שלה לקטב השלילי. חומרה חשמלית שונה דורשת מתחים שונים כדי לפעול, לדוגמה, נורת LED יכולה להאיר עם מתח של 2-3V, אבל נורת להט של 100W תדרוש 240V. תוכלו לקרוא עוד על מתח בעמוד מתח בוויקיפדיה.
דוגמה לכך היא פוטנציומטר. זהו חוגה שניתן לסובב בין שתי עמדות, והחיישן מודד את הסיבוב.
מכשיר ה-IoT ישלח אות חשמלי לפוטנציומטר במתח, לדוגמה 5 וולט (5V). כאשר מסובבים את הפוטנציומטר, הוא משנה את המתח שיוצא מהצד השני. דמיינו שיש לכם פוטנציומטר שמסומן כחוגה מ-0 עד 11, כמו כפתור עוצמת קול במגבר. כאשר הפוטנציומטר במצב כבוי לחלוטין (0), ייצא 0V (0 וולט). כאשר הוא במצב דלוק לחלוטין (11), ייצא 5V (5 וולט).
🎓 זו פשטנות יתר, ותוכלו לקרוא עוד על פוטנציומטרים ונגדים משתנים בעמוד פוטנציומטר בוויקיפדיה.
המתח שיוצא מהחיישן נקרא על ידי מכשיר ה-IoT, והמכשיר יכול להגיב בהתאם. תלוי בחיישן, המתח הזה יכול להיות ערך שרירותי או להתאים ליחידה סטנדרטית. לדוגמה, חיישן טמפרטורה אנלוגי המבוסס על תרמיסטור משנה את ההתנגדות שלו בהתאם לטמפרטורה. המתח היוצא יכול להיות מומר לטמפרטורה בקלווין, ובהתאמה ל-°C או °F, באמצעות חישובים בקוד.
✅ מה לדעתכם קורה אם החיישן מחזיר מתח גבוה יותר מזה שנשלח (לדוגמה, מגיע ממקור כוח חיצוני)? ⛔️ אל תנסו לבדוק זאת.
המרה מאנלוגי לדיגיטלי
מכשירי IoT הם דיגיטליים - הם לא יכולים לעבוד עם ערכים אנלוגיים, אלא רק עם 0 ו-1. משמעות הדבר היא שערכי חיישנים אנלוגיים צריכים להיות מומרצים לאות דיגיטלי לפני שניתן לעבד אותם. מכשירי IoT רבים כוללים ממירי אנלוגי-לדיגיטלי (ADCs) כדי להמיר קלטים אנלוגיים לייצוגים דיגיטליים של ערכם. חיישנים יכולים גם לעבוד עם ADCs דרך לוח מחבר.
...
בדומה לחיישנים, מכשיר ה-IoT עצמו עובד עם אותות דיגיטליים, לא אנלוגיים. המשמעות היא שכדי לשלוח אות אנלוגי, מכשיר ה-IoT זקוק לממיר דיגיטלי לאנלוגי (DAC), או על המכשיר עצמו או על לוח מחבר. ממיר זה יהפוך את ה-0 וה-1 מהמכשיר לאות מתח אנלוגי שהמפעיל יכול להשתמש בו.
✅ מה לדעתכם יקרה אם מכשיר ה-IoT ישלח מתח גבוה יותר ממה שהמפעל יכול להתמודד איתו?
⛔️ אל תנסו לבדוק זאת.
מיתון רוחב פולס
אפשרות נוספת להמיר אותות דיגיטליים ממכשיר IoT לאות אנלוגי היא מיתון רוחב פולס (PWM). זה כולל שליחת הרבה פולסים דיגיטליים קצרים שמתנהגים כאילו היו אות אנלוגי.
לדוגמה, ניתן להשתמש ב-PWM כדי לשלוט במהירות של מנוע.
דמיינו שאתם שולטים במנוע עם אספקת מתח של 5V. אתם שולחים פולס קצר למנוע שלכם, ומעבירים את המתח לגבוה (5V) למשך שתי מאיות השנייה (0.02s). בזמן הזה המנוע יכול להסתובב עשירית סיבוב, או 36°. האות נעצר למשך שתי מאיות השנייה (0.02s), ושולח אות נמוך (0V). כל מחזור של הפעלה ואז הפסקה נמשך 0.04s. המחזור חוזר על עצמו.
המשמעות היא שבשנייה אחת יש לכם 25 פולסים של 5V באורך 0.02s שמסובבים את המנוע, כל אחד מלווה בהפסקה של 0.02s עם 0V שלא מסובב את המנוע. כל פולס מסובב את המנוע עשירית סיבוב, כלומר המנוע משלים 2.5 סיבובים בשנייה. השתמשתם באות דיגיטלי כדי לסובב את המנוע ב-2.5 סיבובים בשנייה, או 150 סיבובים לדקה (מדד לא סטנדרטי של מהירות סיבוב).
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
🎓 כאשר אות PWM מופעל למשך חצי מהזמן ומכובה למשך החצי השני, זה נקרא מחזור עבודה של 50%. מחזורי עבודה נמדדים כאחוז הזמן שבו האות במצב מופעל לעומת מצב כבוי.
ניתן לשנות את מהירות המנוע על ידי שינוי גודל הפולסים. לדוגמה, עם אותו מנוע ניתן לשמור על זמן מחזור של 0.04s, כאשר פולס ההפעלה מקוצר לחצי (0.01s), ופולס ההפסקה מתארך ל-0.03s. יש לכם את אותו מספר פולסים בשנייה (25), אבל כל פולס הפעלה הוא חצי מהאורך. פולס באורך חצי מסובב את המנוע עשירית סיבוב, וב-25 פולסים בשנייה המנוע ישלים 1.25 סיבובים בשנייה או 75rpm. על ידי שינוי מהירות הפולסים של אות דיגיטלי, חציתם את מהירות מנוע אנלוגי.
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
✅ איך הייתם שומרים על סיבוב חלק של המנוע, במיוחד במהירויות נמוכות? האם הייתם משתמשים במספר קטן של פולסים ארוכים עם הפסקות ארוכות או בהרבה פולסים קצרים מאוד עם הפסקות קצרות מאוד?
💁 חלק מהחיישנים משתמשים גם ב-PWM כדי להמיר אותות אנלוגיים לאותות דיגיטליים.
🎓 ניתן לקרוא עוד על מיתון רוחב פולס בעמוד מיתון רוחב פולס בויקיפדיה.
מפעילים דיגיטליים
מפעילים דיגיטליים, כמו חיישנים דיגיטליים, או שיש להם שני מצבים הנשלטים על ידי מתח גבוה או נמוך, או שיש להם DAC מובנה שיכול להמיר אות דיגיטלי לאנלוגי.
מפעיל דיגיטלי פשוט הוא לד (LED). כאשר מכשיר שולח אות דיגיטלי של 1, נשלח מתח גבוה שמדליק את הלד. כאשר נשלח אות דיגיטלי של 0, המתח יורד ל-0V והלד נכבה.
✅ אילו מפעילים פשוטים בעלי שני מצבים נוספים אתם יכולים לחשוב עליהם? דוגמה אחת היא סולנואיד, שהוא אלקטרומגנט שניתן להפעיל כדי לבצע פעולות כמו הזזת בריח דלת לנעילה/פתיחה של דלת.
מפעילים דיגיטליים מתקדמים יותר, כמו מסכים, דורשים שהנתונים הדיגיטליים יישלחו בפורמטים מסוימים. בדרך כלל הם מגיעים עם ספריות שמקלות על שליחת הנתונים הנכונים לשליטה בהם.
🚀 אתגר
האתגר בשני השיעורים האחרונים היה לרשום כמה שיותר מכשירי IoT שנמצאים בבית, בבית הספר או במקום העבודה שלכם ולהחליט אם הם מבוססים על מיקרו-בקרים או מחשבים חד-לוחיים, או אפילו שילוב של שניהם.
עבור כל מכשיר שרשמתם, אילו חיישנים ומפעילים מחוברים אליו? מה מטרת כל חיישן ומפעיל שמחוברים למכשירים אלו?
שאלון לאחר השיעור
סקירה ולימוד עצמי
- קראו על חשמל ומעגלים באתר ThingLearn.
- קראו על סוגים שונים של חיישני טמפרטורה במדריך Seeed Studios Temperature Sensors.
- קראו על לדים בעמוד ויקיפדיה על לד.
משימה
כתב ויתור:
מסמך זה תורגם באמצעות שירות תרגום מבוסס בינה מלאכותית Co-op Translator. למרות שאנו שואפים לדיוק, יש לקחת בחשבון שתרגומים אוטומטיים עשויים להכיל שגיאות או אי-דיוקים. המסמך המקורי בשפתו המקורית נחשב למקור הסמכותי. למידע קריטי, מומלץ להשתמש בתרגום מקצועי על ידי מתרגם אנושי. איננו נושאים באחריות לכל אי-הבנה או פרשנות שגויה הנובעת משימוש בתרגום זה.