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CO_OP_TRANSLATOR_METADATA:
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"original_hash": "4fb20273d299dc8d07a8f06c9cd0cdd9",
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"translation_date": "2025-08-24T22:31:00+00:00",
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"source_file": "2-farm/lessons/2-detect-soil-moisture/README.md",
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"language_code": "tw"
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}
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C，讀作 *I-squared-C*，是一種多控制器、多外設的協議，任何連接的設備都可以作為控制器或外設，通過 I²C 線路（用於傳輸數據的通信系統名稱）進行通信。數據以地址封裝的形式發送，每個封裝包含目標設備的地址。
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> 💁 這種模型過去被稱為主/從（master/slave），但由於其與奴隸制的聯想，這種術語正在被棄用。[開源硬件協會（Open Source Hardware Association）已採用控制器/外設（controller/peripheral）](https://www.oshwa.org/a-resolution-to-redefine-spi-signal-names/)，但你可能仍會看到對舊術語的引用。
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設備在連接到 I²C 線路時會有一個地址，通常是硬編碼在設備上的。例如，Seeed 的每種 Grove 傳感器都有相同的地址，因此所有光傳感器都有相同的地址，所有按鈕的地址也相同，但與光傳感器的地址不同。一些設備可以通過更改跳線設置或焊接引腳來更改地址。
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I²C 線路由兩條主要的信號線以及兩條電源線組成：
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| 線路 | 名稱 | 描述 |
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| SDA | 串行數據線 | 用於在設備之間傳輸數據。 |
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| SCL | 串行時鐘線 | 傳輸由控制器設置速率的時鐘信號。 |
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| VCC | 電壓公共集電極 | 為設備提供電源。這條線連接到 SDA 和 SCL 線，通過上拉電阻提供電源，當沒有設備作為控制器時，信號會被關閉。 |
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| GND | 地線 | 為電路提供公共地線。 |
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要傳輸數據，一個設備會發出啟動條件，表明它準備好傳輸數據。它隨後成為控制器。控制器接著發送它想要通信的設備地址，以及它是要讀取還是寫入數據。在數據傳輸完成後，控制器會發送停止條件，表明它已完成。之後，另一個設備可以成為控制器並發送或接收數據。
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2<sup>2</sup>C 有速度限制，並且有三種不同模式以固定速度運行。最快的模式是高速模式，最大速度為 3.4Mbps（每秒百萬位元），但支持該速度的設備非常少。例如，Raspberry Pi 的速度限制在 400Kbps（每秒千位元）的快速模式。標準模式的速度為 100Kbps。
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> 💁 如果您使用 Raspberry Pi 搭配 Grove Base hat 作為您的 IoT 硬件，您可以在板上看到多個 I<sup>2</sup>C 插座，這些插座可用於與 I<sup>2</sup>C 感測器進行通信。類比 Grove 感測器也使用 I<sup>2</sup>C，並通過 ADC（類比數位轉換器）將類比值作為數位數據傳送，因此您使用的光感測器模擬了一個類比引腳，並通過 I<sup>2</sup>C 傳送值，因為 Raspberry Pi 只支持數位引腳。
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### 通用非同步接收器-傳送器 (UART)
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UART 涉及允許兩個設備通信的物理電路。每個設備都有兩個通信引腳——傳送（Tx）和接收（Rx），第一個設備的 Tx 引腳連接到第二個設備的 Rx 引腳，第二個設備的 Tx 引腳連接到第一個設備的 Rx 引腳。這使得數據可以雙向傳送。
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* 設備 1 從其 Tx 引腳傳送數據，設備 2 在其 Rx 引腳接收數據
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* 設備 1 在其 Rx 引腳接收由設備 2 從其 Tx 引腳傳送的數據
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> 🎓 數據是一次傳送一位，這被稱為 *串行* 通信。大多數操作系統和微控制器都有 *串行端口*，即可以向您的代碼提供串行數據傳送和接收的連接。
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UART 設備有一個 [波特率](https://wikipedia.org/wiki/Symbol_rate)（也稱為符號率），即數據傳送和接收的速度，以每秒位元數表示。一個常見的波特率是 9,600，這意味著每秒傳送 9,600 位元（0 和 1）的數據。
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UART 使用起始位和停止位——即它傳送一個起始位來表示即將傳送一個字節（8 位元）的數據，然後在傳送完 8 位元後傳送一個停止位。
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UART 的速度取決於硬件，但即使是最快的實現也不超過 6.5 Mbps（每秒百萬位元，或每秒傳送的 0 或 1 數據）。
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您可以通過 GPIO 引腳使用 UART——您可以將一個引腳設置為 Tx，另一個引腳設置為 Rx，然後將它們連接到另一個設備。
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> 💁 如果您使用 Raspberry Pi 搭配 Grove Base hat 作為您的 IoT 硬件，您可以在板上看到一個 UART 插座，可用於與使用 UART 協議的感測器通信。
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### 串行外設接口 (SPI)
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SPI 設計用於短距離通信，例如微控制器與存儲設備（如快閃記憶體）通信。它基於控制器/外設模型，單個控制器（通常是 IoT 設備的處理器）與多個外設交互。控制器通過選擇外設並傳送或請求數據來控制所有操作。
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> 💁 與 I<sup>2</sup>C 一樣，控制器和外設這些術語是最近的改變，因此您可能仍會看到使用舊術語。
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SPI 控制器使用 3 條線，外加每個外設一條額外的線。外設使用 4 條線。這些線包括：
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| 線 | 名稱 | 描述 |
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| COPI | 控制器輸出，外設輸入 | 這條線用於將數據從控制器傳送到外設。 |
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| CIPO | 控制器輸入，外設輸出 | 這條線用於將數據從外設傳送到控制器。 |
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| SCLK | 串行時鐘 | 這條線以控制器設置的速率傳送時鐘信號。 |
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| CS | 芯片選擇 | 控制器有多條線，每個外設一條，每條線連接到相應外設的 CS 線。 |
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CS 線用於一次激活一個外設，通過 COPI 和 CIPO 線進行通信。當控制器需要更換外設時，它會停用連接到當前激活外設的 CS 線，然後激活連接到下一個外設的線。
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SPI 是 *全雙工* 的，這意味著控制器可以同時從同一外設傳送和接收數據，使用 COPI 和 CIPO 線。SPI 使用 SCLK 線上的時鐘信號來保持設備同步，因此不像直接通過 UART 傳送那樣需要起始位和停止位。
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SPI 沒有定義的速度限制，實現通常能夠每秒傳送多百萬字節的數據。
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IoT 開發套件通常支持通過一些 GPIO 引腳使用 SPI。例如，在 Raspberry Pi 上，您可以使用 GPIO 引腳 19、21、23、24 和 26 進行 SPI。
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### 無線
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一些感測器可以通過標準無線協議進行通信，例如藍牙（主要是藍牙低功耗，或 BLE）、LoRaWAN（一種**長距離**低功耗網絡協議）或 WiFi。這些協議允許遠程感測器不需要物理連接到 IoT 設備。
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一個例子是商業土壤濕度感測器。這些感測器會測量田地中的土壤濕度，然後通過 LoRaWAN 傳送數據到集線設備，該設備會處理數據或通過互聯網傳送數據。這使得感測器可以遠離管理數據的 IoT 設備，減少功耗以及對大型 WiFi 網絡或長電纜的需求。
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BLE 在高級感測器中很受歡迎，例如用於手腕上的健身追蹤器。這些感測器結合多個感測器，並通過 BLE 將感測器數據傳送到 IoT 設備，例如您的手機。
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✅ 您身上、家中或學校中是否有任何藍牙感測器？這些可能包括溫度感測器、佔用感測器、設備追蹤器和健身設備。
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商業設備的一種流行連接方式是 Zigbee。Zigbee 使用 WiFi 在設備之間形成網狀網絡，每個設備盡可能多地連接到附近的設備，形成像蜘蛛網一樣的大量連接。當一個設備想要向互聯網傳送消息時，它可以將消息傳送到最近的設備，然後由其他附近設備轉發，直到到達協調器並可以傳送到互聯網。
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> 🐝 Zigbee 的名字來源於蜜蜂返回蜂巢後的搖擺舞。
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## 測量土壤中的濕度水平
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您可以使用土壤濕度感測器、IoT 設備以及室內植物或附近的土壤來測量土壤濕度水平。
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### 任務 - 測量土壤濕度
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按照相關指南使用您的 IoT 設備測量土壤濕度：
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* [Arduino - Wio Terminal](wio-terminal-soil-moisture.md)
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* [單板電腦 - Raspberry Pi](pi-soil-moisture.md)
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* [單板電腦 - 虛擬設備](virtual-device-soil-moisture.md)
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## 感測器校準
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感測器依賴於測量電氣特性，例如電阻或電容。
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> 🎓 電阻，以歐姆（Ω）為單位，表示電流通過某物時的阻力。當電壓施加到材料上時，通過它的電流量取決於材料的電阻。您可以在 [維基百科上的電阻頁面](https://wikipedia.org/wiki/Electrical_resistance_and_conductance) 閱讀更多內容。
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> 🎓 電容，以法拉（F）為單位，表示元件或電路收集和存儲電能的能力。您可以在 [維基百科上的電容頁面](https://wikipedia.org/wiki/Capacitance) 閱讀更多內容。
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這些測量值並不總是有用——想像一下，一個溫度感測器給您一個 22.5KΩ 的測量值！因此，測量值需要通過校準轉換為有用的單位——即將測量值與測量的量匹配，以便新測量值可以轉換為正確的單位。
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一些感測器是預先校準的。例如，您在上一課中使用的溫度感測器已經校準，可以返回以 °C 為單位的溫度測量值。在工廠中，第一個感測器會暴露於一系列已知溫度，並測量電阻。然後，這些數據會用於建立一個計算公式，將測量值從 Ω（電阻的單位）轉換為 °C。
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> 💁 計算電阻與溫度的公式稱為 [Steinhart–Hart 方程](https://wikipedia.org/wiki/Steinhart–Hart_equation)。
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### 土壤濕度感測器校準
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土壤濕度是通過重力或體積含水量測量的。
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* 重力含水量是每單位重量的土壤中水的重量，測量值為每公斤乾土中的公斤水
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* 體積含水量是每單位體積的土壤中水的體積，測量值為每立方米乾土中的立方米水
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> 🇺🇸 對於美國人，由於單位的一致性，這些可以用磅代替公斤或立方英尺代替立方米進行測量。
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土壤濕度感測器測量電阻或電容——這不僅因土壤濕度而異，還因土壤類型而異，因為土壤中的成分會改變其電氣特性。理想情況下，感測器應進行校準——即從感測器獲取讀數並與使用更科學方法獲得的測量值進行比較。例如，實驗室可以使用特定田地的樣本幾次測量重力土壤濕度，並使用這些數據校準感測器，將感測器讀數與重力土壤濕度匹配。
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上圖顯示了如何校準感測器。對土壤樣本捕獲電壓，然後通過比較濕重與乾重（測量濕重，然後在烤箱中烘乾並測量乾重）在實驗室中測量。獲取幾個讀數後，可以將其繪製在圖表上並擬合一條線。這條線可以用於將 IoT 設備的土壤濕度感測器讀數轉換為實際土壤濕度測量值。
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💁 對於電阻式土壤濕度感測器，隨著土壤濕度增加，電壓增加。對於電容式土壤濕度感測器，隨著土壤濕度增加，電壓減少，因此這些圖表的斜率會向下，而不是向上。
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上圖顯示了土壤濕度感測器的電壓讀數，通過跟隨該讀數到圖表上的線，可以計算出實際土壤濕度。
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這種方法意味著農民只需要為田地獲得幾個實驗室測量值，然後可以使用 IoT 設備測量土壤濕度——大大加快了測量速度。
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## 🚀 挑戰
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電阻式和電容式土壤濕度感測器有許多差異。這些差異是什麼？哪種類型（如果有的話）最適合農民使用？這個答案是否會因發展中國家和已開發國家而改變？
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## 課後測驗
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[課後測驗](https://black-meadow-040d15503.1.azurestaticapps.net/quiz/12)
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## 回顧與自學
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閱讀有關感測器和執行器使用的硬件和協議的資料：
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* [GPIO 維基百科頁面](https://wikipedia.org/wiki/General-purpose_input/output)
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* [UART 維基百科頁面](https://wikipedia.org/wiki/Universal_asynchronous_receiver-transmitter)
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* [SPI 維基百科頁面](https://wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface)
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* [I<sup>2</sup>C 維基百科頁面](https://wikipedia.org/wiki/I²C)
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* [Zigbee 維基百科頁面](https://wikipedia.org/wiki/Zigbee)
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## 作業
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[校準您的感測器](assignment.md)
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**免責聲明**：
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