25 KiB
تفاعل مع العالم المادي باستخدام المستشعرات والمحركات
اختبار ما قبل المحاضرة
المقدمة
سنغطي في هذا الدرس:
- ما هي المستشعرات؟
- استخدم جهاز استشعار
- أنواع أجهزة الاستشعار
- ما هي المحركات؟
- استخدم مشغل
- أنواع المحركات
ما هي المستشعرات؟
أجهزة الاستشعار هي أجهزة تستشعر العالم المادي - أي أنها تقيس خاصية واحدة أو أكثر من حولها وترسل المعلومات إلى جهاز إنترنت الأشياء. تغطي المستشعرات مجموعة كبيرة من الأجهزة حيث يوجد الكثير من الأشياء التي يمكن قياسها ، من الخصائص الطبيعية مثل درجة حرارة الهواء إلى التفاعلات الفيزيائية مثل الحركة.
تتضمن بعض المستشعرات الشائعة ما يلي:
- مستشعرات درجة الحرارة - تستشعر 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 - تشعر بها عند الضغط عليها.
- مستشعرات الضوء - تكتشف مستويات الضوء ويمكن أن تكون لألوان معينة أو ضوء الأشعة فوق البنفسجية أو ضوء الأشعة تحت الحمراء أو الضوء المرئي العام.
- الكاميرات - تستشعر التمثيل المرئي للعالم من خلال التقاط صورة أو دفق الفيديو.
- مقاييس التسارع - تستشعر هذه الحركة في اتجاهات متعددة.
- الميكروفونات - تستشعر الأصوات ، سواء كانت مستويات صوت عامة أو صوت اتجاهي.
✅ قم ببعض البحث. ما المستشعرات الموجودة بهاتفك؟
تشترك جميع المستشعرات في شيء واحد - فهي تحول كل ما تشعر به إلى إشارة كهربائية يمكن تفسيرها بواسطة جهاز إنترنت الأشياء. تعتمد كيفية تفسير هذه الإشارة الكهربائية على المستشعر ، بالإضافة إلى بروتوكول الاتصال المستخدم للتواصل مع جهاز إنترنت الأشياء.
استخدم جهاز استشعار
اتبع الدليل ذي الصلة أدناه لإضافة مستشعر إلى جهاز إنترنت الأشياء الخاص بك:
أنواع أجهزة الاستشعار
المستشعرات إما قياسية أو رقمية.
المستعرات القياسية
بعض المستشعرات الأساسية هي أجهزة استشعار تمثيلية. تتلقى هذه المستشعرات فولت من جهاز إنترنت الأشياء ، وتقوم مكونات المستشعر بضبط هذا الفولت ، ويتم قياس الفولت الذي يتم إرجاعه من المستشعر لإعطاء قيمة المستشعر.
🎓 الفولت هو مقياس لمقدار الدفع لنقل الكهرباء من مكان إلى آخر ، مثل من طرف موجب للبطارية إلى الطرف السالب. على سبيل المثال ، بطارية AA القياسية هي 1.5 فولت (V هو رمز فولت) ويمكنها دفع الكهرباء بقوة 1.5 فولت من طرفها الموجب إلى الطرف السالب. تتطلب الأجهزة الكهربائية المختلفة فولتًا مختلفًا للعمل ، على سبيل المثال ، يمكن لمصباح LED أن يضيء بفولت يتراوح بين 2-3 فولت ، لكن المصباح الخيطي 100 وات يحتاج إلى 240 فولت. يمكنك قراءة المزيد عن الفولت على صفحة الفولت على ويكيبيديا
أحد الأمثلة على ذلك هو مقياس الفولت. هذا قرص يمكنك تدويره بين موضعين ويقيس المستشعر الدوران.
سيرسل جهاز إنترنت الأشياء إشارة كهربائية إلى مقياس الفولت ، مثل 5 فولت . عندما يتم ضبط مقياس الفولت فإنه يغير الفولت الذي يخرج من الجانب الآخر. تخيل أن لديك مقياس فولت مُصنَّف على أنه قرص يمتد من 0 إلى 11 ، مثل مقبض الصوت في مكبر الصوت. عندما يكون مقياس الفولت في وضع إيقاف التشغيل الكامل (0) ، فسيخرج 0 فولت (0 فولت). عندما يكون في وضع التشغيل الكامل (11) ، سيخرج 5 فولت (5 فولت).
🎓 هذا تبسيط مفرط ، ويمكنك قراءة المزيد عن مقاييس الفولت والمقاومات المتغيرة على potentiometer Wikipedia page يتم بعد ذلك قراءة الفولت الذي يخرج من المستشعر بواسطة جهاز إنترنت الأشياء ، ويمكن للجهاز الاستجابة له. اعتمادًا على المستشعر ، يمكن أن يكون هذا الفولت قيمة عشوائية أو يمكن تعيينه إلى وحدة قياسية. على سبيل المثال ، يقوم مستشعر درجة الحرارة التناظرية المستند إلى thermistor بتغيير مقاومته اعتمادًا على درجة الحرارة. يمكن بعد ذلك تحويل فولت الخرج إلى درجة حرارة بوحدة كلفن ، وبالتالي إلى درجة مئوية أو درجة فهرنهايت ، عن طريق الحسابات في الكود.
✅ ما الذي يحدث برأيك إذا قام المستشعر بإرجاع فولت أعلى مما تم إرساله (على سبيل المثال قادم من مصدر طاقة خارجي)؟ ⛔️ لا تختبر ذلك.
التحويل القياسي إلى الرقمي
أجهزة إنترنت الأشياء رقمية - لا يمكنها العمل مع القيم التناظرية ، فهي تعمل فقط مع 0 و 1. هذا يعني أنه يجب تحويل قيم المستشعرات التناظرية إلى إشارة رقمية قبل معالجتها. تحتوي العديد من أجهزة إنترنت الأشياء على محولات من التناظرية إلى الرقمية (ADC) لتحويل المدخلات التناظرية إلى تمثيلات رقمية لقيمتها. يمكن أن تعمل المستشعرات أيضًا مع ADC عبر لوحة موصل. على سبيل المثال ، في نظام Seeed Grove البيئي مع Raspberry Pi ، تتصل المستشعرات التناظرية بمنافذ محددة على "قبعة" مثبتة على Pi متصلة بدبابيس GPIO الخاصة بـ Pi ، وتحتوي هذه القبعة على ADC لتحويل الجهد إلى إشارة رقمية التي يمكن إرسالها من دبابيس GPIO الخاصة بـ Pi.
تخيل أن لديك مستشعر ضوء تناظري متصل بجهاز إنترنت الأشياء يستخدم 3.3 فولت ويعيد قيمة 1 فولت. لا يعني هذا 1V أي شيء في العالم الرقمي ، لذلك يجب تحويله. سيتم تحويل الجهد إلى قيمة تمثيلية باستخدام مقياس يعتمد على الجهاز والمستشعر. أحد الأمثلة على ذلك هو مستشعر الضوء Seeed Grove الذي ينتج قيمًا من 0 إلى 1023. بالنسبة لهذا المستشعر الذي يعمل عند 3.3 فولت ، سيكون خرج 1 فولت بقيمة 300. لا يمكن لجهاز إنترنت الأشياء التعامل مع 300 كقيمة تناظرية ، لذلك سيتم تحويل القيمة إلى "0000000100101100" ، التمثيل الثنائي 300 بواسطة Grove قبعة. ثم تتم معالجة ذلك بواسطة جهاز إنترنت الأشياء.
✅ إذا كنت لا تعرف النظام الثنائي ، فقم بإجراء قدر صغير من البحث لمعرفة كيفية تمثيل الأرقام بالأصفار والآحاد. تعتبر مقدمة BBC Bitesize للدرس الثنائي مكانًا رائعًا للبدء.
من منظور الترميز ، يتم التعامل مع كل هذا عادةً بواسطة المكتبات التي تأتي مع أجهزة الاستشعار ، لذلك لا داعي للقلق بشأن هذا التحويل بنفسك. بالنسبة لمستشعر الضوء Grove ، يمكنك استخدام مكتبة Python واستدعاء خاصية "light" ، أو استخدام مكتبة Arduino واستدعاء "analogRead" للحصول على قيمة 300.
المستشعرات الرقمية
تكتشف المستشعرات الرقمية ، مثل المستشعرات التناظرية ، العالم من حولها باستخدام التغيرات في الجهد الكهربائي. الفرق هو أنهم يخرجون إشارة رقمية ، إما عن طريق قياس حالتين فقط أو باستخدام ADC مدمج. أصبحت المستشعرات الرقمية أكثر شيوعًا لتجنب الحاجة إلى استخدام ADC إما في لوحة الموصل أو على جهاز إنترنت الأشياء نفسه.
أبسط مستشعر رقمي هو زر أو مفتاح. هذا جهاز استشعار بحالتين ، يعمل أو لا يعمل.
يمكن أن تقيس الدبابيس الموجودة على أجهزة إنترنت الأشياء مثل دبابيس GPIO هذه الإشارة مباشرة على أنها 0 أو 1. إذا كان الجهد المرسل هو نفس الجهد الذي تم إرجاعه ، فإن القيمة المقروءة هي 1 ، وإلا فإن القيمة المقروءة هي 0. ليست هناك حاجة للتحويل الإشارة ، يمكن أن تكون 1 أو 0 فقط.
💁 الفولتية لا تكون دقيقة أبدًا خاصة وأن المكونات الموجودة في المستشعر سيكون لها بعض المقاومة ، لذلك عادة ما يكون هناك تفاوت. على سبيل المثال ، تعمل دبابيس GPIO على Raspberry Pi على 3.3 فولت ، وتقرأ إشارة عودة أعلى من 1.8 فولت على أنها 1 ، وأقل من 1.8 فولت مثل 0.
- 3.3 فولت يذهب إلى الزر. الزر مغلق حتى يخرج 0 فولت ، مما يعطي القيمة 0
- 3.3 فولت يذهب إلى الزر. الزر في وضع التشغيل بحيث يخرج 3.3 فولت ، مما يعطي القيمة 1
تقوم المستشعرات الرقمية الأكثر تقدمًا بقراءة القيم التناظرية ، ثم تحويلها باستخدام ADC المدمجة إلى إشارات رقمية. على سبيل المثال ، سيظل مستشعر درجة الحرارة الرقمي يستخدم مزدوجًا حراريًا بنفس طريقة المستشعر التناظري ، وسيظل يقيس التغير في الجهد الناتج عن مقاومة المزدوجة الحرارية عند درجة الحرارة الحالية. بدلاً من إرجاع القيمة التناظرية والاعتماد على الجهاز أو لوحة الموصل للتحويل إلى إشارة رقمية ، ستقوم وحدة ADC المدمجة في المستشعر بتحويل القيمة وإرسالها كسلسلة من 0 و 1 إلى جهاز إنترنت الأشياء. يتم إرسال هذه القيم من 0 و 1 بنفس طريقة إرسال الإشارة الرقمية للزر حيث يمثل 1 جهدًا كاملاً و 0 يمثل 0 فولت.
يتيح إرسال البيانات الرقمية لأجهزة الاستشعار أن تصبح أكثر تعقيدًا وإرسال بيانات أكثر تفصيلاً ، حتى البيانات المشفرة لأجهزة الاستشعار الآمنة. مثال واحد هو الكاميرا. هذا مستشعر يلتقط صورة ويرسلها كبيانات رقمية تحتوي على تلك الصورة ، عادة بتنسيق مضغوط مثل JPEG ، ليقرأها جهاز إنترنت الأشياء. يمكنه حتى دفق الفيديو عن طريق التقاط الصور وإرسال إما إطار الصورة الكامل بإطار أو بث فيديو مضغوط.
ما هي المحركات؟
المشغلات هي عكس المستشعرات - فهي تقوم بتحويل الإشارة الكهربائية من جهاز إنترنت الأشياء الخاص بك إلى تفاعل مع العالم المادي مثل إصدار الضوء أو الصوت أو تحريك المحرك.
تتضمن بعض المحركات الشائعة ما يلي:
- LED - ينبعث منها ضوء عند تشغيله
- مكبر الصوت - يصدر صوتًا بناءً على الإشارة المرسلة إليهم ، من الجرس الأساسي إلى مكبر الصوت الذي يمكنه تشغيل الموسيقى
- محرك متدرج - يقوم بتحويل الإشارة إلى مقدار محدد من الدوران ، مثل تدوير القرص بزاوية 90 درجة
- الترحيل - هذه هي المفاتيح التي يمكن تشغيلها أو إيقاف تشغيلها بواسطة إشارة كهربائية. إنها تسمح بجهد صغير من جهاز إنترنت الأشياء لتشغيل الفولتية الأكبر.
- الشاشات - هذه مشغلات أكثر تعقيدًا وتعرض معلومات على شاشة متعددة الأجزاء. تختلف الشاشات من شاشات LED البسيطة إلى شاشات الفيديو عالية الدقة.
✅ قم ببعض البحث. ما هي المشغلات التي يمتلكها هاتفك؟
استخدام مشغل
اتبع الدليل ذي الصلة أدناه لإضافة مشغل إلى جهاز إنترنت الأشياء الخاص بك ، والذي يتحكم فيه المستشعر ، لإنشاء ضوء ليلي لإنترنت الأشياء. سيجمع مستويات الضوء من مستشعر الضوء ، ويستخدم مشغلًا على شكل LED لإصدار الضوء عندما يكون مستوى الضوء المكتشف منخفضًا جدًا.
أنواع المحرك
مثل المستشعرات ، تكون المحركات إما قياسية أو رقمية.
المحركات القياسية
تأخذ المشغلات القياسية إشارة قياسية وتحولها إلى نوع من التفاعل ، حيث يتغير التفاعل بناءً على الجهد المزود.
أحد الأمثلة هو الضوء الخافت ، مثل الذي قد يكون لديك في منزلك. يحدد مقدار الجهد المقدم للضوء مدى سطوعه.
كما هو الحال مع المستشعرات ، يعمل جهاز إنترنت الأشياء الفعلي على الإشارات الرقمية وليس التناظرية. هذا يعني لإرسال إشارة تناظرية ، يحتاج جهاز إنترنت الأشياء إلى محول رقمي إلى تناظري (DAC) ، إما على جهاز إنترنت الأشياء مباشرة ، أو على لوحة الموصل. سيؤدي هذا إلى تحويل 0 و 1 من جهاز إنترنت الأشياء إلى جهد تناظري يمكن أن يستخدمه المشغل.
✅ ما الذي يحدث برأيك إذا أرسل جهاز إنترنت الأشياء جهدًا أعلى مما يستطيع المشغل تحمله؟ ⛔️ لا تختبر ذلك.
تعديل عرض النبض
هناك خيار آخر لتحويل الإشارات الرقمية من جهاز إنترنت الأشياء إلى إشارة تمثيلية وهو تعديل عرض النبضة. يتضمن هذا إرسال الكثير من النبضات الرقمية القصيرة التي تعمل كما لو كانت إشارة تمثيلية.
على سبيل المثال ، يمكنك استخدام PWM للتحكم في سرعة المحرك.
تخيل أنك تتحكم في محرك مزود بمصدر 5 فولت. تقوم بإرسال نبضة قصيرة إلى المحرك الخاص بك ، حيث تقوم بتحويل الجهد إلى الجهد العالي (5 فولت) لمدة مائتي ثانية (0.02 ثانية). في ذلك الوقت ، يمكن لمحركك أن يدور عُشر الدوران ، أو 36 درجة. ثم تتوقف الإشارة مؤقتًا لمدة مائتي ثانية (0.02 ثانية) ، لإرسال إشارة منخفضة (0 فولت). كل دورة تشغيل ثم إيقاف تستمر 0.04 ثانية. ثم تتكرر الدورة.
هذا يعني أنه في ثانية واحدة لديك 25 نبضة 5 فولت من 0.02 ثانية والتي تقوم بتدوير المحرك ، يتبع كل منها توقف مؤقت بمقدار 0.02 ثانية بمقدار 0 فولت لا يقوم بتدوير المحرك. تقوم كل نبضة بتدوير المحرك بمقدار عُشر الدوران ، مما يعني أن المحرك يكمل 2.5 دورة في الثانية. لقد استخدمت إشارة رقمية لتدوير المحرك بمعدل 2.5 دورة في الثانية ، أو 150 دورة في الدقيقة ، وهو مقياس غير قياسي لسرعة الدوران).
25 نبضة في الثانية × 0.1 دورة لكل نبضة = 2.5 دورة في الثانية
2.5 دورة في الثانية × 60 ثانية في الدقيقة = 150 دورة في الدقيقة
🎓 عندما تكون إشارة PWM قيد التشغيل لمدة نصف الوقت ، وإيقاف تشغيلها لنصف المدة ، يشار إليها على أنها 50٪ دورة عمل. يتم قياس دورات التشغيل كنسبة مئوية من الوقت تكون فيه الإشارة في حالة التشغيل مقارنة بحالة إيقاف التشغيل.
يمكنك تغيير سرعة المحرك عن طريق تغيير حجم النبضات. على سبيل المثال ، باستخدام نفس المحرك ، يمكنك الحفاظ على نفس وقت الدورة عند 0.04 ثانية ، مع خفض نبضة التشغيل إلى النصف إلى 0.01 ثانية ، وزيادة نبضة الإيقاف إلى 0.03 ثانية. لديك نفس عدد النبضات في الثانية (25) ، ولكن كل نبضة تساوي نصف الطول. نبضة بطول نصف تدير المحرك بمقدار عشرين من الدوران ، وعند 25 نبضة في الثانية ستكمل 1.25 دورة في الثانية أو 75 دورة في الدقيقة. من خلال تغيير سرعة النبض لإشارة رقمية ، تكون قد خفضت سرعة المحرك التناظري إلى النصف.
25 نبضة في الثانية × 0.05 دورة لكل نبضة = 1.25 دورة في الثانية
1.25 دورة في الثانية × 60 ثانية في الدقيقة = 75 دورة في الدقيقة
✅ كيف تحافظ على سلاسة دوران المحرك ، خاصة عند السرعات المنخفضة؟ هل ستستخدم عددًا صغيرًا من النبضات الطويلة مع فترات توقف طويلة أم الكثير من النبضات القصيرة جدًا مع فترات توقف قصيرة جدًا؟
💁 تستخدم بعض المستشعرات أيضًا PWM لتحويل الإشارات التناظرية إلى إشارات رقمية.
🎓 يمكنك قراءة المزيد عن تعديل عرض النبض على صفحة تعديل عرض النبض على ويكيبيديا.
المشغلات الرقمية
المشغلات الرقمية ، مثل المستشعرات الرقمية ، إما لها حالتان يتم التحكم فيهما بجهد مرتفع أو منخفض أو تحتوي على DAC مدمجة بحيث يمكنها تحويل إشارة رقمية إلى إشارة تمثيلية.
أحد المشغلات الرقمية البسيطة هو LED. عندما يرسل الجهاز إشارة رقمية بقيمة 1 ، يتم إرسال جهد عالي يضيء مؤشر LED. عند إرسال إشارة رقمية بقيمة 0 ، ينخفض الجهد إلى 0 فولت وينطفئ مؤشر LED.
✅ ما هي المشغلات البسيطة الأخرى ذات الحالتين التي يمكنك التفكير فيها؟ أحد الأمثلة على ذلك هو الملف اللولبي ، وهو مغناطيس كهربائي يمكن تنشيطه للقيام بأشياء مثل تحريك مسمار قفل الباب / فتح قفل الباب.
تتطلب المحركات الرقمية الأكثر تقدمًا ، مثل الشاشات ، إرسال البيانات الرقمية بتنسيقات معينة. عادةً ما تأتي مع مكتبات تسهل إرسال البيانات الصحيحة للتحكم فيها.
🚀 التحدي
كان التحدي في الدرسين الأخيرين هو سرد أكبر عدد ممكن من أجهزة إنترنت الأشياء الموجودة في منزلك أو مدرستك أو مكان عملك وتحديد ما إذا كانت مبنية على وحدات تحكم دقيقة أو أجهزة كمبيوتر أحادية اللوحة ، أو حتى مزيج من الاثنين معًا.
لكل جهاز أدرجته ، ما المستشعرات والمشغلات التي يتصلون بها؟ ما هو الغرض من كل حساس ومشغل متصل بهذه الأجهزة؟
اختبار ما بعد المحاضرة
مراجعة ودراسة ذاتية
- اقرأ عن الكهرباء والدوائر على ThingLearn.
- اقرأ عن الأنواع المختلفة من مستشعرات درجة الحرارة في دليل مستشعرات درجة الحرارة في الاستوديوها
- اقرأ عن مصابيح LED على صفحة Wikipedia LED