IoT-For-Beginners/translations/pt/1-getting-started/lessons/3-sensors-and-actuators

Interagir com o mundo físico com sensores e atuadores

Ilustração por Nitya Narasimhan. Clique na imagem para uma versão maior.

Esta lição foi ensinada como parte da série Hello IoT do Microsoft Reactor. A lição foi apresentada em 2 vídeos - uma aula de 1 hora e uma sessão de perguntas e respostas de 1 hora, explorando mais profundamente partes da lição e respondendo a dúvidas.

🎥 Clique nas imagens acima para assistir aos vídeos

Questionário pré-aula

Questionário pré-aula

Introdução

Esta lição apresenta dois conceitos importantes para o seu dispositivo IoT - sensores e atuadores. Você também terá a oportunidade de trabalhar com ambos, adicionando um sensor de luz ao seu projeto IoT e, em seguida, um LED controlado pelos níveis de luz, criando efetivamente uma luz noturna.

Nesta lição, abordaremos:

• O que são sensores?
• Usar um sensor
• Tipos de sensores
• O que são atuadores?
• Usar um atuador
• Tipos de atuadores

O que são sensores?

Sensores são dispositivos de hardware que percebem o mundo físico - ou seja, medem uma ou mais propriedades ao seu redor e enviam essas informações para um dispositivo IoT. Os sensores abrangem uma ampla gama de dispositivos, pois há muitas coisas que podem ser medidas, desde propriedades naturais como a temperatura do ar até interações físicas como movimento.

Alguns sensores comuns incluem:

• Sensores de temperatura - medem a temperatura do ar ou do objeto em que estão imersos. Para entusiastas e desenvolvedores, esses sensores geralmente combinam pressão atmosférica e umidade em um único dispositivo.
• Botões - detectam quando são pressionados.
• Sensores de luz - detectam níveis de luz e podem ser específicos para cores, luz UV, luz IR ou luz visível geral.
• Câmeras - capturam uma representação visual do mundo ao tirar uma foto ou transmitir vídeo.
• Acelerômetros - detectam movimento em várias direções.
• Microfones - captam som, seja níveis gerais de som ou som direcional.

✅ Faça uma pesquisa. Quais sensores o seu telemóvel possui?

Todos os sensores têm algo em comum - eles convertem o que percebem em um sinal elétrico que pode ser interpretado por um dispositivo IoT. A forma como esse sinal elétrico é interpretado depende do sensor, bem como do protocolo de comunicação usado para se comunicar com o dispositivo IoT.

Usar um sensor

Siga o guia relevante abaixo para adicionar um sensor ao seu dispositivo IoT:

• Arduino - Wio Terminal
• Computador de placa única - Raspberry Pi
• Computador de placa única - Dispositivo virtual

Tipos de sensores

Os sensores podem ser analógicos ou digitais.

Sensores analógicos

Alguns dos sensores mais básicos são analógicos. Esses sensores recebem uma tensão do dispositivo IoT, os componentes do sensor ajustam essa tensão e a tensão retornada pelo sensor é medida para fornecer o valor do sensor.

🎓 Tensão é uma medida de quanta força existe para mover eletricidade de um lugar para outro, como do terminal positivo de uma bateria para o terminal negativo. Por exemplo, uma bateria AA padrão tem 1,5V (V é o símbolo para volts) e pode empurrar eletricidade com a força de 1,5V do seu terminal positivo para o terminal negativo. Diferentes componentes elétricos requerem diferentes tensões para funcionar, por exemplo, um LED pode acender com entre 2-3V, mas uma lâmpada incandescente de 100W precisaria de 240V. Você pode ler mais sobre tensão na página sobre tensão na Wikipedia.

Um exemplo disso é um potenciômetro. Este é um botão que você pode girar entre duas posições, e o sensor mede a rotação.

O dispositivo IoT enviará um sinal elétrico ao potenciômetro com uma tensão, como 5 volts (5V). À medida que o potenciômetro é ajustado, ele altera a tensão que sai do outro lado. Imagine que você tem um potenciômetro rotulado como um botão que vai de 0 a 11, como um botão de volume em um amplificador. Quando o potenciômetro está na posição totalmente desligada (0), então 0V (0 volts) sairão. Quando está na posição totalmente ligada (11), 5V (5 volts) sairão.

🎓 Esta é uma simplificação, e você pode ler mais sobre potenciômetros e resistores variáveis na página sobre potenciômetros na Wikipedia.

A tensão que sai do sensor é então lida pelo dispositivo IoT, e o dispositivo pode responder a ela. Dependendo do sensor, essa tensão pode ser um valor arbitrário ou pode corresponder a uma unidade padrão. Por exemplo, um sensor de temperatura analógico baseado em um termistor altera sua resistência dependendo da temperatura. A tensão de saída pode então ser convertida em uma temperatura em Kelvin, e correspondentemente em °C ou °F, por cálculos no código.

✅ O que você acha que acontece se o sensor retornar uma tensão maior do que foi enviada (por exemplo, vindo de uma fonte de alimentação externa)? ⛔️ NÃO teste isso.

Conversão de analógico para digital

Dispositivos IoT são digitais - eles não conseguem trabalhar com valores analógicos, apenas com 0s e 1s. Isso significa que os valores de sensores analógicos precisam ser convertidos para um sinal digital antes de serem processados. Muitos dispositivos IoT possuem conversores analógico-digital (ADCs) para converter entradas analógicas em representações digitais de seus valores. Sensores também podem funcionar com ADCs através de uma placa de conexão. Por exemplo, no ecossistema Seeed Grove com um Raspberry Pi, sensores analógicos conectam-se a portas específicas em um 'hat' que fica no Pi conectado aos pinos GPIO do Pi, e este hat possui um ADC para converter a tensão em um sinal digital que pode ser enviado pelos pinos GPIO do Pi.

Imagine que você tem um sensor de luz analógico conectado a um dispositivo IoT que usa 3,3V e está retornando um valor de 1V. Este 1V não significa nada no mundo digital, então precisa ser convertido. A tensão será convertida para um valor analógico usando uma escala dependendo do dispositivo e sensor. Um exemplo é o sensor de luz Seeed Grove, que gera valores de 0 a 1.023. Para este sensor funcionando a 3,3V, uma saída de 1V seria um valor de 300. Um dispositivo IoT não consegue lidar com 300 como um valor analógico, então o valor seria convertido para 0000000100101100, a representação binária de 300 pelo hat Grove. Isso seria então processado pelo dispositivo IoT.

✅ Se você não conhece binário, faça uma pequena pesquisa para aprender como os números são representados por 0s e 1s. A lição introdutória sobre binário do BBC Bitesize é um ótimo lugar para começar.

Do ponto de vista da programação, tudo isso geralmente é tratado por bibliotecas que acompanham os sensores, então você não precisa se preocupar com essa conversão. Para o sensor de luz Grove, você usaria a biblioteca Python e chamaria a propriedade light, ou usaria a biblioteca Arduino e chamaria analogRead para obter um valor de 300.

Sensores digitais

Sensores digitais, como sensores analógicos, detectam o mundo ao seu redor usando mudanças na tensão elétrica. A diferença é que eles geram um sinal digital, seja medindo apenas dois estados ou usando um ADC embutido. Sensores digitais estão se tornando cada vez mais comuns para evitar a necessidade de usar um ADC em uma placa de conexão ou no próprio dispositivo IoT.

O sensor digital mais simples é um botão ou interruptor. Este é um sensor com dois estados, ligado ou desligado.

Pinos em dispositivos IoT, como pinos GPIO, podem medir este sinal diretamente como 0 ou 1. Se a tensão enviada for igual à tensão retornada, o valor lido é 1; caso contrário, o valor lido é 0. Não há necessidade de converter o sinal, ele só pode ser 1 ou 0.

💁 As tensões nunca são exatas, especialmente porque os componentes em um sensor terão alguma resistência, então geralmente há uma tolerância. Por exemplo, os pinos GPIO de um Raspberry Pi funcionam com 3,3V e leem um sinal de retorno acima de 1,8V como 1, abaixo de 1,8V como 0.

• 3,3V entram no botão. O botão está desligado, então 0V saem, dando um valor de 0.
• 3,3V entram no botão. O botão está ligado, então 3,3V saem, dando um valor de 1.

Sensores digitais mais avançados leem valores analógicos e os convertem usando ADCs embutidos para sinais digitais. Por exemplo, um sensor de temperatura digital ainda usará um termopar da mesma forma que um sensor analógico e ainda medirá a mudança na tensão causada pela resistência do termopar na temperatura atual. Em vez de retornar um valor analógico e depender do dispositivo ou da placa de conexão para converter em um sinal digital, um ADC embutido no sensor converterá o valor e o enviará como uma série de 0s e 1s para o dispositivo IoT. Esses 0s e 1s são enviados da mesma forma que o sinal digital de um botão, com 1 sendo tensão total e 0 sendo 0V.

O envio de dados digitais permite que os sensores se tornem mais complexos e enviem dados mais detalhados, até mesmo dados criptografados para sensores seguros. Um exemplo é uma câmera. Este é um sensor que captura uma imagem e a envia como dados digitais contendo essa imagem, geralmente em um formato comprimido como JPEG, para ser lida pelo dispositivo IoT. Ela pode até transmitir vídeo capturando imagens e enviando ou o quadro completo imagem por imagem ou um fluxo de vídeo comprimido.

O que são atuadores?

Atuadores são o oposto de sensores - eles convertem um sinal elétrico do seu dispositivo IoT em uma interação com o mundo físico, como emitir luz ou som, ou mover um motor.

Alguns atuadores comuns incluem:

• LED - emitem luz quando ligados.
• Altifalante - emitem som com base no sinal enviado a eles, desde um simples zumbido até um altifalante que pode reproduzir música.
• Motor de passo - convertem um sinal em uma quantidade definida de rotação, como girar um botão 90°.
• Relé - são interruptores que podem ser ligados ou desligados por um sinal elétrico. Permitem que uma pequena tensão de um dispositivo IoT ligue tensões maiores.
• Ecrãs - são atuadores mais complexos e mostram informações em um display de vários segmentos. Os ecrãs variam de simples displays LED a monitores de vídeo de alta resolução.

✅ Faça uma pesquisa. Quais atuadores o seu telemóvel possui?

Usar um atuador

Siga o guia relevante abaixo para adicionar um atuador ao seu dispositivo IoT, controlado pelo sensor, para construir uma luz noturna IoT. Ele reunirá os níveis de luz do sensor de luz e usará um atuador na forma de um LED para emitir luz quando o nível de luz detectado for muito baixo.

• Arduino - Wio Terminal
• Computador de placa única - Raspberry Pi
• Computador de placa única - Dispositivo virtual

Tipos de atuadores

Assim como os sensores, os atuadores podem ser analógicos ou digitais.

Atuadores analógicos

Atuadores analógicos recebem um sinal analógico e o convertem em algum tipo de interação, onde a interação muda com base na tensão fornecida.

Um exemplo é uma luz regulável, como as que você pode ter em sua casa. A quantidade de tensão fornecida à luz determina o quão brilhante ela será.

Tal como acontece com os sensores, o dispositivo IoT funciona com sinais digitais, não analógicos. Isso significa que, para enviar um sinal analógico, o dispositivo IoT precisa de um conversor digital para analógico (DAC), seja diretamente no dispositivo IoT ou numa placa de conexão. Este conversor transforma os 0s e 1s do dispositivo IoT numa voltagem analógica que o atuador pode utilizar.

✅ O que achas que acontece se o dispositivo IoT enviar uma voltagem maior do que o atuador consegue suportar?
⛔️ NÃO testes isto.

Modulação por Largura de Pulso

Outra opção para converter sinais digitais de um dispositivo IoT em sinais analógicos é a modulação por largura de pulso (PWM). Isto envolve o envio de vários pulsos digitais curtos que simulam um sinal analógico.

Por exemplo, podes usar PWM para controlar a velocidade de um motor.

Imagina que estás a controlar um motor com uma alimentação de 5V. Envias um pulso curto para o motor, alternando a voltagem para alta (5V) durante dois centésimos de segundo (0,02s). Nesse tempo, o motor pode girar um décimo de uma rotação, ou 36°. O sinal então pausa durante dois centésimos de segundo (0,02s), enviando um sinal baixo (0V). Cada ciclo de ligado e desligado dura 0,04s. O ciclo repete-se.

Isto significa que, em um segundo, tens 25 pulsos de 5V com duração de 0,02s que fazem o motor girar, seguidos por pausas de 0,02s com 0V, onde o motor não gira. Cada pulso faz o motor girar um décimo de uma rotação, o que significa que o motor completa 2,5 rotações por segundo. Usaste um sinal digital para girar o motor a 2,5 rotações por segundo, ou 150 rotações por minuto (uma medida não padronizada de velocidade de rotação).

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

🎓 Quando um sinal PWM está ligado metade do tempo e desligado na outra metade, isso é chamado de ciclo de trabalho de 50%. Os ciclos de trabalho são medidos como a percentagem de tempo em que o sinal está no estado ligado em comparação com o estado desligado.

Podes alterar a velocidade do motor ajustando o tamanho dos pulsos. Por exemplo, com o mesmo motor, podes manter o mesmo tempo de ciclo de 0,04s, reduzindo o pulso ligado para 0,01s e aumentando o pulso desligado para 0,03s. Tens o mesmo número de pulsos por segundo (25), mas cada pulso ligado tem metade da duração. Um pulso com metade da duração faz o motor girar um vigésimo de uma rotação, e com 25 pulsos por segundo, o motor completará 1,25 rotações por segundo ou 75rpm. Alterando a velocidade dos pulsos de um sinal digital, reduziste pela metade a velocidade de um motor analógico.

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

✅ Como manterias a rotação do motor suave, especialmente em velocidades baixas? Usarias um pequeno número de pulsos longos com pausas longas ou muitos pulsos muito curtos com pausas muito curtas?

💁 Alguns sensores também utilizam PWM para converter sinais analógicos em digitais.

🎓 Podes ler mais sobre modulação por largura de pulso na página de modulação por largura de pulso na Wikipedia.

Atuadores digitais

Atuadores digitais, tal como sensores digitais, têm dois estados controlados por uma voltagem alta ou baixa, ou possuem um DAC integrado que pode converter um sinal digital em analógico.

Um atuador digital simples é um LED. Quando um dispositivo envia um sinal digital de 1, uma voltagem alta é enviada, acendendo o LED. Quando um sinal digital de 0 é enviado, a voltagem cai para 0V e o LED apaga-se.

✅ Que outros atuadores simples de 2 estados consegues imaginar? Um exemplo é um solenóide, que é um eletroímã que pode ser ativado para realizar ações como mover um trinco de porta, trancando ou destrancando-a.

Atuadores digitais mais avançados, como ecrãs, requerem que os dados digitais sejam enviados em formatos específicos. Normalmente, vêm com bibliotecas que facilitam o envio dos dados corretos para controlá-los.

---

🚀 Desafio

O desafio nas últimas duas lições foi listar o maior número possível de dispositivos IoT que tens em casa, na escola ou no local de trabalho e decidir se são construídos com microcontroladores ou computadores de placa única, ou até mesmo uma mistura de ambos.

Para cada dispositivo listado, que sensores e atuadores estão conectados a eles? Qual é o propósito de cada sensor e atuador conectado a esses dispositivos?

Questionário pós-aula

Questionário pós-aula

Revisão e Autoestudo

• Lê sobre eletricidade e circuitos no ThingLearn.
• Lê sobre os diferentes tipos de sensores de temperatura no guia de sensores de temperatura da Seeed Studios
• Lê sobre LEDs na página de LEDs na Wikipedia

Tarefa

Investigar sensores e atuadores

Aviso Legal:
Este documento foi traduzido utilizando o serviço de tradução por IA Co-op Translator. Embora nos esforcemos para garantir a precisão, é importante notar que traduções automáticas podem conter erros ou imprecisões. O documento original na sua língua nativa deve ser considerado a fonte autoritária. Para informações críticas, recomenda-se a tradução profissional realizada por humanos. Não nos responsabilizamos por quaisquer mal-entendidos ou interpretações incorretas decorrentes da utilização desta tradução.