物聯網硬體基礎：傳感器和執行器入門
物聯網（IoT）技術已成為當今世界不可或缺的一部份，連線無數裝置和系統，使它們能夠相互通訊和協作。這項技術的關鍵組成部份是傳感器和執行器，它們構成物聯網裝置感知環境和進行物理操作的基礎。在本文中，我將詳細介紹常見的傳感器和執行器，以及它們在物聯網中的套用，為你提供深入了解這些硬體元件的機會。
傳感器的作用與分類
傳感器在物聯網系統中扮演著感知角色，它們能夠檢測和測量各種環境參數，如溫度、壓力、濕度、光線等。資訊經過處理後可被用於監控、控制或者做出決策。傳感器按照其功能可以分為以下幾個主要型別：
溫度傳感器
溫度傳感器用於檢測環境或物體的溫度。在物聯網中，它們廣泛套用於智慧家居、工業自動化和醫療監護。常見的型別包括熱電偶、熱敏電阻（如NTC和PTC）和數位溫度傳感器。
// 示意程式碼，使用DS18B20數位溫度傳感器
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
OneWire oneWire(2); // 傳感器連線到數位引腳2
DallasTemperature sensors(&oneWire);
void setup() {
Serial.begin(9600);
sensors.begin();
}
void loop() {
sensors.requestTemperatures();
Serial.print("Temperature: ");
Serial.print(sensors.getTempCByIndex(0)); // 獲取索引0處的溫度
Serial.println("°C");
delay(1000);}
濕度傳感器
濕度傳感器用於測量空氣中的水分含量。在智慧農業、氣象站和家庭自動化等領域有著廣泛套用。典型的濕度傳感器有電容式和電阻式傳感器。
壓力傳感器
這些傳感器用來測量瓦斯或液體的壓力，並在工業控制系統和醫療裝置中發揮重要作用。它們包括機械式壓力傳感器和壓電式傳感器。
光電傳感器
光電傳感器能檢測光線的強度，廣泛運用於自動化照明系統和安全系統。按照工作原理不同，光電傳感器又可以分為光電導型和光電耦合型。
以上僅是傳感器的一小部份分類，實際上根據檢測物件不同，傳感器的種類非常繁多。下面是一個光照傳感器的範例程式碼：
# 示意程式碼，利用光敏電阻進行光照強度測量
import RPi.GPIO as GPIO
import time
LDR_PIN = 4 # 將光敏電阻連線到GPIO 4
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
def measure_light(LDR_PIN):
count = 0
GPIO.setup(LDR_PIN, GPIO.OUT)
GPIO.output(LDR_PIN, GPIO.LOW)
time.sleep(0.1)
GPIO.setup(LDR_PIN, GPIO.IN)
while (GPIO.input(LDR_PIN) == GPIO.LOW):
count += 1
return count
try:
while True:
light_level = measure_light(LDR_PIN)
print("Light level: " + str(light_level))
time.sleep(1)
except KeyboardInterrupt:
pass
finally: GPIO.cleanup()
執行器的作用與分類
執行器則是物聯網的「行動者」，在傳感器采集到資訊後，執行器負責對物理世界做出反應。執行器可分為：
電機
電機包括步進電機、直流電機、伺服電機等，廣泛套用於物聯網中的機器人、自動化裝備等領域。
驅動器
它們用於提供電機所需的能量並控制電機的執行。一些驅動器兼具控制功能，可以調節速度、力矩和位置。
電磁閥
在自動控制系統中常用來控制瓦斯或液體的流動，例如灌溉系統、供暖系統等。
開關和繼電器
基礎的執行器型別，用於開啟或關閉電路，控制其他裝置的電源。
執行器的控制通常涉及到較為復雜的控制策略。以下是控制直流電機的一個Arduino範例程式碼：
// 示意程式碼，使用Arduino控制直流電機的轉速和方向
#include <Arduino.h>
#define MOTOR_PIN_A 3
#define MOTOR_PIN_B 4
void setup() {
pinMode(MOTOR_PIN_A, OUTPUT);
pinMode(MOTOR_PIN_B, OUTPUT);
}
void loop() {
// 讓電機向一個方向旋轉
digitalWrite(MOTOR_PIN_A, HIGH);
digitalWrite(MOTOR_PIN_B, LOW);
delay(1000);
// 更改方向
digitalWrite(MOTOR_PIN_A, LOW);
digitalWrite(MOTOR_PIN_B, HIGH);
delay(1000);
// 停止電機
digitalWrite(MOTOR_PIN_A, LOW);
digitalWrite(MOTOR_PIN_B, LOW);
delay(1000);}
傳感器和執行器在物聯網中的套用案例
現在，我要帶你看看傳感器和執行器在物聯網中是如何結合使用的。以智慧家居系統為例，溫度傳感器可以監測室內溫度，當溫度高於或低於使用者設定值時，執行器——即溫控器——將會啟動或關閉暖氣系統以維持舒適的室內溫度。
又比如在智慧農業領域，土壤濕度傳感器可用來檢測土壤的水分情況，當水分低於設定的閾值時，執行器——例如電磁閥——會開啟灌溉系統，自動為作物澆水。
智慧工廠中，壓力傳感器可用於監控生產線上的壓力狀況以保證安全生產，而光電傳感器經常被用於檢測產品透過的位置，兩者的數據都將被用於控制執行器——例如電機或者傳送帶——的動作，實作自動化生產。
總結而言，傳感器和執行器是物聯網技術中不可或缺的硬體元件，傳感器負責收集數據，而執行器根據這些數據做出相應操作，二者合作保證物聯網系統的智慧性和自動化水平。
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