30 KiB

Raw Permalink Blame History Unescape Escape

Интеркција са физичким светом помоћу сензора и актуатора

Скица коју је направила Нитија Нарасимхан. Кликните на слику за већу верзију.

Ова лекција је део Hello IoT серије из Microsoft Reactor. Лекција је одржана у виду два видеа - један сат предавања и један сат консултација са дубљим објашњењима и одговорима на питања.

🎥 Кликните на слике изнад да бисте погледали видео снимке

Квиз пре предавања

Увод

Ова лекција уводи два важна концепта за ваш IoT уређај - сензоре и актуаторе. Такође ћете практично радити са њима, додајући сензор светлости у ваш IoT пројекат, а затим и LED диоду која се контролише нивоима светлости, ефикасно правећи ноћно светло.

У овој лекцији ћемо обрадити:

Шта су сензори?

Сензори су хардверски уређаји који осећају физички свет - мере једну или више особина око себе и шаљу информације IoT уређају. Сензори обухватају велики спектар уређаја јер постоји много ствари које се могу мерити, од природних особина као што је температура ваздуха до физичких интеракција као што је кретање.

Неки уобичајени сензори укључују:

Сензори температуре - мере температуру ваздуха или онога у шта су уроњени. За хобисте и програмере, често су комбиновани са сензорима притиска и влажности у једном уређају.
Дугмад - мере када су притиснута.
Сензори светлости - детектују нивое светлости и могу бити за одређене боје, UV светлост, IR светлост или општу видљиву светлост.
Камере - снимају визуелну репрезентацију света фотографијом или видео стримом.
Акцелерометри - мере кретање у више праваца.
Микрофони - мере звук, било опште нивое звука или усмерени звук.

✅ Урадите мало истраживање. Које сензоре ваш телефон има?

Сви сензори имају једну заједничку ствар - претварају оно што мере у електрични сигнал који IoT уређај може да интерпретира. Како се овај електрични сигнал интерпретира зависи од сензора, као и од комуникационог протокола који се користи за комуникацију са IoT уређајем.

Коришћење сензора

Пратите одговарајући водич испод да бисте додали сензор у ваш IoT уређај:

Типови сензора

Сензори могу бити аналогни или дигитални.

Аналогни сензори

Неки од најосновнијих сензора су аналогни сензори. Ови сензори примају напон од IoT уређаја, компоненте сензора прилагођавају овај напон, а напон који сензор враћа се мери како би се добила вредност сензора.

🎓 Напон је мера колико је јак "потисак" за премештање електричне енергије са једног места на друго, као што је од позитивног до негативног пола батерије. На пример, стандардна AA батерија има 1.5V (V је симбол за волте) и може да "гура" електричну енергију са снагом од 1.5V. Различити електрични уређаји захтевају различите напоне за рад, на пример, LED диода може да светли са 2-3V, али сијалица од 100W би захтевала 240V. Више о напону можете прочитати на страници о напону на Википедији.

Један пример је потенциометар. Ово је дугме које можете ротирати између две позиције, а сензор мери ротацију.

IoT уређај шаље електрични сигнал потенциометру на одређеном напону, на пример 5 волти (5V). Како се потенциометар подешава, мења се напон који излази са друге стране. Замислите да имате потенциометар означен као дугме које иде од 0 до 11, као дугме за јачину звука на појачалу. Када је потенциометар у потпуно искљученом положају (0), излазиће 0V (0 волти). Када је у потпуно укљученом положају (11), излазиће 5V (5 волти).

🎓 Ово је поједностављење, а више о потенциометрима и променљивим отпорницима можете прочитати на страници о потенциометрима на Википедији.

Напон који излази из сензора затим чита IoT уређај, а уређај може да реагује на њега. У зависности од сензора, овај напон може бити произвољна вредност или може бити мапиран на стандардну јединицу. На пример, аналогни сензор температуре заснован на термистору мења свој отпор у зависности од температуре. Излазни напон се затим може претворити у температуру у Келвинима, а одговарајуће у °C или °F, помоћу прорачуна у коду.

✅ Шта мислите да се дешава ако сензор врати већи напон него што је послат (на пример, долази из спољног извора напајања)? ⛔️ НЕ тестирајте ово.

Претварање аналогног у дигитално

IoT уређаји су дигитални - не могу радити са аналогним вредностима, већ само са 0 и 1. То значи да аналогне вредности сензора морају бити претворене у дигитални сигнал пре него што могу бити обрађене. Многи IoT уређаји имају аналогно-дигиталне конверторе (ADC) за претварање аналогних улаза у дигиталне репрезентације њихових вредности. Сензори такође могу радити са ADC-овима преко конекторских плоча. На пример, у Seeed Grove екосистему са Raspberry Pi-јем, аналогни сензори се повезују на одређене портове на 'hat'-у који се налази на Pi-ју и повезан је са GPIO пиновима Pi-ја, а овај hat има ADC за претварање напона у дигитални сигнал који се шаље са GPIO пинова Pi-ја.

Замислите да имате аналогни сензор светлости повезан са IoT уређајем који користи 3.3V и враћа вредност од 1V. Овај 1V не значи ништа у дигиталном свету, па мора бити претворен. Напон ће бити претворен у аналогну вредност користећи скалу у зависности од уређаја и сензора. Један пример је Seeed Grove сензор светлости који даје вредности од 0 до 1,023. За овај сензор који ради на 3.3V, излаз од 1V би био вредност од 300. IoT уређај не може радити са 300 као аналогном вредношћу, па би вредност била претворена у 0000000100101100, бинарну репрезентацију броја 300 од стране Grove hat-а. Ово би затим било обрађено од стране IoT уређаја.

✅ Ако не знате бинарни систем, урадите мало истраживање да научите како се бројеви представљају помоћу 0 и 1. BBC Bitesize увод у бинарни систем је одлично место за почетак.

Из перспективе кодирања, све ово обично обрађују библиотеке које долазе са сензорима, тако да не морате сами да бринете о овој конверзији. За Grove сензор светлости користили бисте Python библиотеку и позвали својство light, или користили Arduino библиотеку и позвали analogRead да добијете вредност од 300.

Дигитални сензори

Дигитални сензори, као и аналогни, детектују свет око себе користећи промене у електричном напону. Разлика је у томе што они излазе дигитални сигнал, било мерењем само два стања или коришћењем уграђеног ADC-а. Дигитални сензори постају све чешћи како би се избегла потреба за коришћењем ADC-а било у конекторској плочи или на самом IoT уређају.

Најједноставнији дигитални сензор је дугме или прекидач. Ово је сензор са два стања, укључено или искључено.

Пинови на IoT уређајима као што су GPIO пинови могу директно мерити овај сигнал као 0 или 1. Ако је напон који се шаље исти као напон који се враћа, вредност која се чита је 1, у супротном је 0. Нема потребе за конверзијом сигнала, он може бити само 1 или 0.

💁 Напони никада нису тачно исти, посебно јер компоненте у сензору имају одређени отпор, тако да обично постоји толеранција. На пример, GPIO пинови на Raspberry Pi-ју раде на 3.3V и читају повратни сигнал изнад 1.8V као 1, а испод 1.8V као 0.

3.3V улази у дугме. Дугме је искључено па излази 0V, што даје вредност 0
3.3V улази у дугме. Дугме је укључено па излази 3.3V, што даје вредност 1

Напреднији дигитални сензори читају аналогне вредности, а затим их конвертују помоћу уграђених ADC-ова у дигиталне сигнале. На пример, дигитални сензор температуре ће и даље користити термопару на исти начин као и аналогни сензор, и даље ће мерити промену напона изазвану отпором термопаре на тренутној температури. Уместо да враћа аналогну вредност и ослања се на уређај или конекторску плочу за конверзију у дигитални сигнал, ADC уграђен у сензор ће конвертовати вредност и послати је као низ 0 и 1 IoT уређају. Ови 0 и 1 се шаљу на исти начин као дигитални сигнал за дугме, где је 1 пун напон, а 0 је 0V.

Слање дигиталних података омогућава сензорима да постану сложенији и шаљу детаљније податке, чак и шифроване податке за сигурне сензоре. Један пример је камера. Ово је сензор који снима слику и шаље је као дигиталне податке који садрже ту слику, обично у компримованом формату као што је JPEG, да би их читао IoT уређај. Камера може чак и стримовати видео тако што снима слике и шаље или комплетан кадар по кадар или компримован видео стрим.

Шта су актуатори?

Актуатори су супротност сензорима - они претварају електрични сигнал из вашег IoT уређаја у интеракцију са физичким светом, као што је емитовање светлости или звука, или покретање мотора.

Неки уобичајени актуатори укључују:

LED - емитују светлост када су укључени
Звучник - емитује звук на основу сигнала који му се шаље, од основног зујалице до звучника који може пуштати музику
Степ мотор - претвара сигнал у одређену количину ротације, као што је окретање дугмета за 90°
Релеј - прекидачи који се могу укључити или искључити електричним сигналом. Омогућавају малом напону из IoT уређаја да укључи веће напоне.
Екрани - сложенији актуатори који приказују информације на дисплеју са више сегмената. Екрани варирају од једноставних LED дисплеја до високорезолуционих видео монитора.

✅ Урадите мало истраживање. Које актуаторе ваш телефон има?

Коришћење актуатора

Пратите одговарајући водич испод да бисте додали актуатор у ваш IoT уређај, контролисан сензором, како бисте направили IoT ноћно светло. Оно ће прикупљати нивое светлости са сензора светлости и користити актуатор у облику LED диоде да емитује светлост када је детектовани ниво светлости пренизак.

Типови актуатора

Као и сензори, актуатори могу бити аналогни или дигитални.

Аналогни актуатори

Аналогни актуатори примају аналогни сигнал и претварају га у неку врсту интеракције, где се интеракција мења у зависности од напона који се испор

Као и код сензора, стварни IoT уређај ради на дигиталним сигналима, а не аналогним. То значи да, како би послао аналогни сигнал, IoT уређај мора да има конвертор дигиталног у аналогни сигнал (DAC), било директно на IoT уређају или на конекторској плочи. Ово ће претворити 0 и 1 из IoT уређаја у аналогни напон који актуатор може да користи.

✅ Шта мислите да се дешава ако IoT уређај пошаље већи напон него што актуатор може да поднесе?
⛔️ НЕ тестирајте ово.

Модулација ширине импулса

Још једна опција за претварање дигиталних сигнала из IoT уређаја у аналогни сигнал је модулација ширине импулса (PWM). Ово подразумева слање много кратких дигиталних импулса који делују као аналогни сигнал.

На пример, можете користити PWM за контролу брзине мотора.

Замислите да контролишете мотор са напајањем од 5V. Пошаљете кратак импулс мотору, пребацујући напон на високи (5V) током две стотинке секунде (0.02s). У том времену мотор може да се окрене за једну десетину ротације, или 36°. Сигнал затим паузира две стотинке секунде (0.02s), шаљући низак сигнал (0V). Сваки циклус укљученог и искљученог стања траје 0.04s. Циклус се затим понавља.

То значи да у једној секунди имате 25 импулса од 5V који трају 0.02s и окрећу мотор, сваки праћен паузом од 0.02s са 0V када мотор не ротира. Сваки импулс окреће мотор за једну десетину ротације, што значи да мотор завршава 2.5 ротације у секунди. Користили сте дигитални сигнал да бисте ротирали мотор на 2.5 ротације у секунди, или 150 ротација у минути (нестандардна мера брзине ротације).

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

🎓 Када је PWM сигнал укључен половину времена, а искључен другу половину, то се назива 50% радни циклус. Радни циклуси се мере као проценат времена када је сигнал у укљученом стању у односу на искључено стање.

Можете променити брзину мотора променом величине импулса. На пример, са истим мотором можете задржати исто време циклуса од 0.04s, са импулсом укљученог стања преполовљеним на 0.01s, а импулсом искљученог стања повећаним на 0.03s. Имате исти број импулса у секунди (25), али сваки импулс укљученог стања је упола краћи. Импулс упола краће дужине окреће мотор за једну двадесетину ротације, а са 25 импулса у секунди мотор ће завршити 1.25 ротација у секунди или 75rpm. Променом брзине импулса дигиталног сигнала преполовили сте брзину аналогног мотора.

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

✅ Како бисте одржали глатку ротацију мотора, посебно при малим брзинама? Да ли бисте користили мали број дугих импулса са дугим паузама или много веома кратких импулса са веома кратким паузама?

💁 Неки сензори такође користе PWM за претварање аналогних сигнала у дигиталне сигнале.

🎓 Можете прочитати више о модулацији ширине импулса на страници о модулацији ширине импулса на Википедији.

Дигитални актуатори

Дигитални актуатори, као и дигитални сензори, имају или два стања која се контролишу високим или ниским напоном, или имају уграђен DAC који може да претвори дигитални сигнал у аналогни.

Један једноставан дигитални актуатор је LED. Када уређај пошаље дигитални сигнал 1, шаље се висок напон који пали LED. Када се пошаље дигитални сигнал 0, напон пада на 0V и LED се гаси.

✅ Које друге једноставне актуаторе са два стања можете да замислите? Један пример је соленоид, који је електромагнет који може бити активиран да ради ствари као што је померање браве на вратима за закључавање/откључавање врата.

Напреднији дигитални актуатори, као што су екрани, захтевају да се дигитални подаци шаљу у одређеним форматима. Обично долазе са библиотекама које олакшавају слање исправних података за њихову контролу.

🚀 Изазов

Изазов у последње две лекције био је да наведете што више IoT уређаја који се налазе у вашем дому, школи или радном месту и да одлучите да ли су засновани на микроконтролерима или рачунарима са једном плочом, или чак мешавини оба.

За сваки уређај који сте навели, који су сензори и актуатори повезани са њима? Која је сврха сваког сензора и актуатора повезаног са овим уређајима?

Квиз након предавања

Преглед и самостално учење

Прочитајте о електричним струјама и круговима на ThingLearn.
Прочитајте о различитим типовима температурних сензора на Seeed Studios Temperature Sensors guide
Прочитајте о LED диодама на страници о LED диодама на Википедији

Задатак

Истражите сензоре и актуаторе

Одрицање од одговорности:
Овај документ је преведен коришћењем услуге за превођење помоћу вештачке интелигенције Co-op Translator. Иако се трудимо да превод буде тачан, молимо вас да имате у виду да аутоматизовани преводи могу садржати грешке или нетачности. Оригинални документ на његовом изворном језику треба сматрати меродавним извором. За критичне информације препоручује се професионални превод од стране људи. Не преузимамо одговорност за било каква погрешна тумачења или неспоразуме који могу настати услед коришћења овог превода.

30 KiB Raw Permalink Blame History Unescape Escape