物联网执行器和传感器

物联网 (IoT) 将信息技术的价值带到了物理世界。通过将传感器和执行器添加到计算机网络，我们可以感知物理世界中发生的事情，使这些传感器读数可用于软件算法，根据读数计算结果，并最终驱动执行器使用这些计算来实现改变在物理世界中。通常，这些网络是闭环的，这意味着传感器会立即将执行器控制的物理参数读回系统，从而关闭连续的实时循环，并允许对物理过程进行监控和严格控制。

物联网执行器和传感器

IoT 将执行器添加到计算机网络中，而它们提供的对物理世界的控制又增加了 IoT 应用程序的复杂性。过去，软件错误、计算机安全漏洞或组件故障等系统问题可能会引起 IT 经理的极大关注，因为他们的数据可能会损坏、丢失或被盗。当执行器被添加到网络中时——特别是如果这些执行器控制强大或危险的系统，如机车、反应堆、变电站、车辆或医疗设备——如果系统被黑客攻击或出现故障，可能会导致严重的财产损失、人身伤害甚至死亡. 因此，如果包含执行器，我们需要特别注意系统完整性和安全性等问题。

大多数传感器和执行器包括各种类型的传感器。换能器是将一种形式的能量转换为另一种形式的能量的装置。例如，汽车的制动器将机械能转化为热能。对于物联网系统，几乎所有传感器都采用一些物理参数并将其转化为电信号。同样，物联网系统中几乎所有执行器都会接收电信号并将其转换为某种物理输出。物联网系统中使用的物理参数贯穿你的物理教科书。这些可能包括电气（电压、电流、功率、电阻、电容、电感、频率、相位等）、机械（位置、速度、加速度、重量、罗盘航向、重力、力、张力、压力、流量、扭矩、磁场等）、声学（声音、振动、地震等）、图像（光强度、照相机、显示器、红外 (IR)、光探测和测距（LiDAR 等）、化学（潜在氢 (pH) 浓度、成分、纯度等）、医学（心率、呼吸、血压、温度、脑电图 (EEG)、等等）等等。对于所有这些物理参数和大多数可以感测的参数，实际上存在数千种类型的传感器，并且存在模拟执行器来修改物理世界中的该参数。

传感器通常包括一个原始传感元件或传感器，以及一个信号处理链，使原始读数可用于联网计算机。通常，原始传感元件（如热敏电阻、加速度计、麦克风或光传感器）会产生适度的模拟信号。然后，该信号必须通过信号处理链，该链将原始信号放大、过滤并将其转换为我们的控制计算机及其软件可以输入的格式。这通常涉及模数转换和某种计算机接口，如 I²C 或 USB。精密的传感器使用数字信号处理技术进一步过滤、调节、平均和格式化数字域中的传感器读数。

执行器具有反函数。控制计算机及其软件的数字输出通过接口传送到驱动器，驱动器接收信号并将其转换为执行器中传感器所需的任何输入。通常，这包括一个数模转换器、一个输出滤波器和某种放大器。数字信号处理器 (DSP) 和 D 类放大器等数字技术越来越多地应用于执行器中，以使其更加准确、响应迅速且能效更高。

使用执行器和传感器实现简单物联网功能（例如泡茶）的示例

通常，网络中传感器和执行器的数量和多样性出乎意料地高。停下来想一想您的智能手机及其包含的所有传感器和执行器类型。为了更好地说明这一点，让我们考虑一个泡茶的机器人系统。在下一代星际迷航中，皮卡德船长会靠近他的食物复制器并说“茶，伯爵茶，热的”，几秒钟后，它就上桌了。虽然可能不存在用纯能量在几秒钟内制成可口饮料所需的传感器，至少现在还不存在，但让我们考虑一个可以执行类似功能的实用系统，并查看一个完全实现的版本可能包含的所有传感器和执行器：

这个过程的第一步是接受用户的请求。可以通过键盘阵列（简单的按钮传感器）、电容式触摸板（电容传感器）、麦克风阵列（声音传感器）或寻找手势的相机（图像传感器）进行订购。订单也可以通过计算机网络到达，使用的连接类型可能包括光纤（光学传感器）、无线（RF 传感器）或有线（电子传感器）。本地处理器接受此输入并协调机器中的传感器和执行器作为实时控制系统。如果这是一台自动售货机，额外的传感器和执行器会接受货币或信用卡并验证它们是真的。

接下来，我们要选择一个茶包。我们的机器可能有不同类型的茶包杂志，代表它可以冲泡的品种。传感器可以通过光学或机械方式确认袋子的存在。机器人致动器使用电机将杂志索引到正确的位置，并将选定的茶包放入冲泡站。另一个机器人执行器可以将杯子移动到冲泡站，传感器确认它的位置正确。

现在，阀门执行器打开，让水进入冲泡站。超声波液位传感器测量杯子的满满程度，并在适当的时候切断阀门。热传感器监测茶冲泡时的温度。降低茶包的电机可以轻轻地将其上下倾斜，以促进冲泡均匀。光学传感器可以测量茶的颜色，以便在达到所需强度时取出茶包。像螺线管一样的执行器可以将用过的茶包放入废物接收器中。

额外的执行器可以添加选定的调味品，例如用于计量糖或奶精的电机驱动螺旋钻，或用于分配蜂蜜的阀门。调味品箱中的光学、重量或超声波传感器可验证供应是否充足以及分配器是否正确计量。一个小机器人勺子——需要几个电机驱动的执行器来定位、移动和清洁它——最后搅拌一下，电机执行器打开传送门并将杯子呈现给用户。

因此，使用物联网技术来自动化像冲泡一杯茶这样简单的事情可能需要几十个传感器和执行器、它们的接口电路、一个相当复杂的处理器和大量软件。我不确定今天制造这样一台机器是否值得，但随着传感器和执行器的能力不断提高，并且它们的成本不断下降，这种系统的出现是有可能的。

关键点：

传感器和执行器是物联网网络的决定性元素。

需要大量电子设备来放大、调节和连接从原始传感器到控制处理器的信号。

即使是简单的物联网功能，甚至冲泡一杯茶，也需要大量不同类型的传感器和执行器。

审核编辑：汤梓红