物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 將信息技術(shù)的價值帶到了物理世界。通過將傳感器和執(zhí)行器添加到計算機網(wǎng)絡(luò)，我們可以感知物理世界中發(fā)生的事情，使這些傳感器讀數(shù)可用于軟件算法，根據(jù)讀數(shù)計算結(jié)果，并最終驅(qū)動執(zhí)行器使用這些計算來實現(xiàn)改變在物理世界中。通常，這些網(wǎng)絡(luò)是閉環(huán)的，這意味著傳感器會立即將執(zhí)行器控制的物理參數(shù)讀回系統(tǒng)，從而關(guān)閉連續(xù)的實時循環(huán)，并允許對物理過程進(jìn)行監(jiān)控和嚴(yán)格控制。

物聯(lián)網(wǎng)執(zhí)行器和傳感器

IoT 將執(zhí)行器添加到計算機網(wǎng)絡(luò)中，而它們提供的對物理世界的控制又增加了 IoT 應(yīng)用程序的復(fù)雜性。過去，軟件錯誤、計算機安全漏洞或組件故障等系統(tǒng)問題可能會引起 IT 經(jīng)理的極大關(guān)注，因為他們的數(shù)據(jù)可能會損壞、丟失或被盜。當(dāng)執(zhí)行器被添加到網(wǎng)絡(luò)中時——特別是如果這些執(zhí)行器控制強大或危險的系統(tǒng)，如機車、反應(yīng)堆、變電站、車輛或醫(yī)療設(shè)備——如果系統(tǒng)被黑客攻擊或出現(xiàn)故障，可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的財產(chǎn)損失、人身傷害甚至死亡. 因此，如果包含執(zhí)行器，我們需要特別注意系統(tǒng)完整性和安全性等問題。

大多數(shù)傳感器和執(zhí)行器包括各種類型的傳感器。換能器是將一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量的裝置。例如，汽車的制動器將機械能轉(zhuǎn)化為熱能。對于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，幾乎所有傳感器都采用一些物理參數(shù)并將其轉(zhuǎn)化為電信號。同樣，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中幾乎所有執(zhí)行器都會接收電信號并將其轉(zhuǎn)換為某種物理輸出。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用的物理參數(shù)貫穿你的物理教科書。這些可能包括電氣（電壓、電流、功率、電阻、電容、電感、頻率、相位等）、機械（位置、速度、加速度、重量、羅盤航向、重力、力、張力、壓力、流量、扭矩、磁場等）、聲學(xué)（聲音、振動、地震等）、圖像（光強度、照相機、顯示器、紅外 (IR)、光探測和測距（LiDAR 等）、化學(xué)（潛在氫 (pH) 濃度、成分、純度等）、醫(yī)學(xué)（心率、呼吸、血壓、溫度、腦電圖 (EEG)、等等）等等。對于所有這些物理參數(shù)和大多數(shù)可以感測的參數(shù)，實際上存在數(shù)千種類型的傳感器，并且存在模擬執(zhí)行器來修改物理世界中的該參數(shù)。

傳感器通常包括一個原始傳感元件或傳感器，以及一個信號處理鏈，使原始讀數(shù)可用于聯(lián)網(wǎng)計算機。通常，原始傳感元件（如熱敏電阻、加速度計、麥克風(fēng)或光傳感器）會產(chǎn)生適度的模擬信號。然后，該信號必須通過信號處理鏈，該鏈將原始信號放大、過濾并將其轉(zhuǎn)換為我們的控制計算機及其軟件可以輸入的格式。這通常涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換和某種計算機接口，如 I2C 或 USB。精密的傳感器使用數(shù)字信號處理技術(shù)進(jìn)一步過濾、調(diào)節(jié)、平均和格式化數(shù)字域中的傳感器讀數(shù)。

執(zhí)行器具有反函數(shù)。控制計算機及其軟件的數(shù)字輸出通過接口傳送到驅(qū)動器，驅(qū)動器接收信號并將其轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器中傳感器所需的任何輸入。通常，這包括一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器、一個輸出濾波器和某種放大器。數(shù)字信號處理器 (DSP) 和 D 類放大器等數(shù)字技術(shù)越來越多地應(yīng)用于執(zhí)行器中，以使其更加準(zhǔn)確、響應(yīng)迅速且能效更高。

使用執(zhí)行器和傳感器實現(xiàn)簡單物聯(lián)網(wǎng)功能（例如泡茶）的示例

通常，網(wǎng)絡(luò)中傳感器和執(zhí)行器的數(shù)量和多樣性出乎意料地高。停下來想一想您的智能手機及其包含的所有傳感器和執(zhí)行器類型。為了更好地說明這一點，讓我們考慮一個泡茶的機器人系統(tǒng)。在下一代星際迷航中，皮卡德船長會靠近他的食物復(fù)制器并說“茶，伯爵茶，熱的”，幾秒鐘后，它就上桌了。雖然可能不存在用純能量在幾秒鐘內(nèi)制成可口飲料所需的傳感器，至少現(xiàn)在還不存在，但讓我們考慮一個可以執(zhí)行類似功能的實用系統(tǒng)，并查看一個完全實現(xiàn)的版本可能包含的所有傳感器和執(zhí)行器：

這個過程的第一步是接受用戶的請求?？梢酝ㄟ^鍵盤陣列（簡單的按鈕傳感器）、電容式觸摸板（電容傳感器）、麥克風(fēng)陣列（聲音傳感器）或?qū)ふ沂謩莸南鄼C（圖像傳感器）進(jìn)行訂購。訂單也可以通過計算機網(wǎng)絡(luò)到達(dá)，使用的連接類型可能包括光纖（光學(xué)傳感器）、無線（RF 傳感器）或有線（電子傳感器）。本地處理器接受此輸入并協(xié)調(diào)機器中的傳感器和執(zhí)行器作為實時控制系統(tǒng)。如果這是一臺自動售貨機，額外的傳感器和執(zhí)行器會接受貨幣或信用卡并驗證它們是真的。

接下來，我們要選擇一個茶包。我們的機器可能有不同類型的茶包雜志，代表它可以沖泡的品種。傳感器可以通過光學(xué)或機械方式確認(rèn)袋子的存在。機器人致動器使用電機將雜志索引到正確的位置，并將選定的茶包放入沖泡站。另一個機器人執(zhí)行器可以將杯子移動到?jīng)_泡站，傳感器確認(rèn)它的位置正確。

現(xiàn)在，閥門執(zhí)行器打開，讓水進(jìn)入沖泡站。超聲波液位傳感器測量杯子的滿滿程度，并在適當(dāng)?shù)臅r候切斷閥門。熱傳感器監(jiān)測茶沖泡時的溫度。降低茶包的電機可以輕輕地將其上下傾斜，以促進(jìn)沖泡均勻。光學(xué)傳感器可以測量茶的顏色，以便在達(dá)到所需強度時取出茶包。像螺線管一樣的執(zhí)行器可以將用過的茶包放入廢物接收器中。

額外的執(zhí)行器可以添加選定的調(diào)味品，例如用于計量糖或奶精的電機驅(qū)動螺旋鉆，或用于分配蜂蜜的閥門。調(diào)味品箱中的光學(xué)、重量或超聲波傳感器可驗證供應(yīng)是否充足以及分配器是否正確計量。一個小機器人勺子——需要幾個電機驅(qū)動的執(zhí)行器來定位、移動和清潔它——最后攪拌一下，電機執(zhí)行器打開傳送門并將杯子呈現(xiàn)給用戶。

因此，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來自動化像沖泡一杯茶這樣簡單的事情可能需要幾十個傳感器和執(zhí)行器、它們的接口電路、一個相當(dāng)復(fù)雜的處理器和大量軟件。我不確定今天制造這樣一臺機器是否值得，但隨著傳感器和執(zhí)行器的能力不斷提高，并且它們的成本不斷下降，這種系統(tǒng)的出現(xiàn)是有可能的。

關(guān)鍵點：

傳感器和執(zhí)行器是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的決定性元素。

需要大量電子設(shè)備來放大、調(diào)節(jié)和連接從原始傳感器到控制處理器的信號。

即使是簡單的物聯(lián)網(wǎng)功能，甚至沖泡一杯茶，也需要大量不同類型的傳感器和執(zhí)行器。

審核編輯：湯梓紅