物联网的输出与输入

艾欧体(Aiouti)物联网资讯:在深入原型化(prototype)物联网时,输入与输出(Input and output I/O)是最基础的须知。本文提供了电子输出与输入的基础概念,以及范例及应用。

有效的输入与对应的输出资料,电路才算完整运作,例如设想有种小朋友的玩具,按钮按下灯亮,放开按钮灯灭。在这之中,感应器与致动器扮演重要的角色。

感应器扮演输入角色,其主要功能为接收真实世界的物理变化值,例如温度、触摸、压力、湿度以及磁场。由于感应器可转换将输入能量转换成输出能量,因此它们亦被当作传感器。输出角色大致则由致动器担当,他们可控制像是音响以及灯泡等硬体。

感应器与致动器

依照可观测的能量变化,五花八门的感应器因应而生。在许多专案中,经常可看到加速度感应器,它由光束组成,以电压测量干扰,测得加速度的变化量。在众多加速度感应器中,您可找到因应各种变化情境的感应器,例如电容(随着加速度变化量会改变电容量)、压电(使用微晶体决定电压输出量,转换为加速度量)、霍尔效应(改变磁场)、磁阻效应(磁场改变)、热传、压阻效应(电阻变化)。

当您要购买专案的感应器时,记得其价格会随着灵敏度、观测范围、精确度以及其他功能而有所变化。致动器自感应器获取并处理资料(电子讯号),会在物理世界中产出变化量,因此它同时是个传感器。

伺服马达、马达以及蜂鸣器皆属其分类。在更复杂的网络中,您可拥有多组感应器以及致动器连接在同一个网络里,资料搜集与协调可以在感应器对感应器、感应器对致动器、致动器对致动器之间调整。

您可找到许多针对感应器与致动器设计的应用程式。在健康领域,血糖仪是由测量病患血糖含量之生物感应器组装而成,化学传感器(输入)以微型泵浦(输出)触发胰岛素的释放,图一为声音感应器(输入)转换声音成为电子波动至扬声器(输出)之输入输出(I/O) 应用情境。

流程从输入开始,接着将物理能量转换成电子波动,接着导入物理输出(声音)。图一中,感应器与制动器连接在  Intel® Edison board,其可完美将物理观察到的声音传送至扬声器输出。 物联网的输出与输入-1当感应器侦测到一个或多个信号(输入),会为致动器转换信号为类比或数位,以便于接收。类比讯号会随着连续性变化,在图中显示通常是连续性的平滑曲线。数位讯号是精确的描述,途中如同阶梯般锋利,笔直的上升、以及笔直的下降。

如图一范例,资料为类比。电子硬体以类比转数位转换器,处理了类比以及数位通讯。其促使微控制器连接类比感应器读取类比电压。图二提供了数位与类比讯号的视觉呈现。亦有感应器设计为具备接收两种讯号,加速度感应器及有此例,而光与声音感应器则以接收类比讯号较常见。
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物联网的输出与输入-2

让我们深入了解输入输出在  Intel® Edison board  是如何运作。概括而说输入输出脚位位于Arduino expansion board的边上,如图三。这些针脚是介于 Intel® Edison board  与现实世界的物理介面:每个针脚代表着高(「on」模式,电压变化)或低(「off」模式,无电压)。您可结合base shield于针脚上,以连接感应器与致动器。

在Intel® Edison board上,I/O真脚资料纪录在/sys/class/gpio的一个档案中。由于这些针脚是双向的,其目录位在/sys/class/gpio/gpio<XX>/direction,<XX>表示GPIO所给予编号,以及输出或输入之分。

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现在您对于I/O在专案中扮演的角色已经有了清楚的概念,让我们深入了解一些在日常生活中会遇到的范例,该如何以Intel科技如  Intel® Edison  或  Intel® Galileo board  实现。

光感应器

光度感应器是一种被动类比硬体,转换光能源—包括可见与不可见光—成为电子讯号输出。光感应器分为四种,端看他们如何输入(光):光射、光导、光伏或光结。本文将聚焦于光导感应器,其电阻会随着接受到的光变化,当光变强时,电流随之增加。光敏电阻器(LDR)是一种被普遍使用的光导感应器,它会随着光线的不同改变电阻,进而触发行为。

较新的车会在周围环境欠缺光线时,例如处于傍晚或是进入隧道,自动开启灯光。另外也很相似的例子,您可以在家中插上夜灯,或是照亮户外区域。您可靠LDR、电源供应(电池)、灯、电阻以及晶体管创造一个简单的夜灯。您可透过增加其余程式码至Intel® Edison board 来扩充功能。

声音感应器

常见的的拍手声控灯光,就是声音感应器的最佳范例,该硬体由麦克风搜寻周遭的声音(输入),转换成电子讯号并增强。滤波器(filter)会比对声纹,进而却认为拍手讯号。根据滤波器得出的结果,送出电子讯号至电源控制,决定连接在上的硬体开或关。

使用Intel® Edison board及Arduino* extension board,加上扬声器以及晶体管,您可建造拍手声控器或敲门声控器,如同「敲门门锁侦测器」专案之范例。

结论

您可用感应器来获取资料,并用致动器结合它们,让资料可实际转换为物理动量,在现实世界输出。感应器可在各种情境用上,如热感器、光度感应器以及压力感应器等,其种类繁多不及备载。透过将感应器与致动器接上  Intel® Edison board  或  Intel® Galileo board,可将资料转换成输出至致动器上。

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