物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的組成及特點介紹

在過去的幾十年中，計算機，軟件和計算技術領域發(fā)生了翻天覆地的變化。作為一名工程師，成為擁有巨大計算能力的時代的一部分非常令人著迷。最受歡迎的是個人計算機，筆記本電腦，智能手機和智能手表等手持設備。

沒有計算能力的幫助，就無法想象和過著生活。最好的部分是，我們仍在瀏覽這些看似智能的機器中處于休眠狀態(tài)的巨大計算潛力。

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的出現(xiàn)，將計算技術帶入了一個新的高度，并重新定義了“智能”（smart）一詞（智能城市如何幫助建立一個更好的后泛濫世界），這很公平興奮才剛剛開始。

本文旨在回答以下問題：“傳感器如何感應？” 并專注于傳感器工作的物理原理。

一、什么是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）？

工程師和科學家傾向于命名（為某物命名），以便新創(chuàng)造的術語不言自明。物聯(lián)網(wǎng)這個術語沒有什么不同。

顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)是涵蓋所有類型設備的保護傘。它們要么嵌入到系統(tǒng)中，要么作為單個實體存在。無論哪種方式，關鍵是它們通過Internet彼此通信（或交談）。每個這樣的設備都有一個嵌入式的發(fā)送器和接收器，可以實現(xiàn)使用互聯(lián)網(wǎng)的通信過程。

但是，每個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)都不相同，不一定適合所有應用程序。實際上，它們類似于我們人類。每個人都擅長某事。您不能指望演員會駕駛飛機而飛行員會在電影中表演。同樣，您不能期望單個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（和設備）可以完成所有任務。因此，工程師設計不同的系統(tǒng)來執(zhí)行不同的任務，以提供最佳的結果。

在現(xiàn)代企業(yè)中，客戶為王，所有行業(yè)都是如此。因此，系統(tǒng)設計師總是設計，生產(chǎn)和交付物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，以提供無縫的用戶體驗。物聯(lián)網(wǎng)硬件產(chǎn)品開發(fā)： Vera Kozyr的操作方法，重申了所有利益相關者投入的時間和精力，從硬件產(chǎn)品的角度來創(chuàng)建端到端的即插即用樣式系統(tǒng)。

在探索IoT設備的內部之前，區(qū)分設備和系統(tǒng)非常重要。

設備就像個人成員，而系統(tǒng)就像是涉及個人的團隊。因此，設備是系統(tǒng)的一部分，反之亦然。

二、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的組成

任何系統(tǒng)都包含多個單獨的組件（和子組件），它們共同為實現(xiàn)一個共同的目標而努力。此外，成為系統(tǒng)（團隊）的一員可確保更高的生產(chǎn)率并獲得更好的結果。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主要組件是：

感測物理量的傳感器

現(xiàn)場中央微控制器，控制傳感器和其他組件執(zhí)行的所有動作

云數(shù)據(jù)分析和處理以分析和處理接收到的數(shù)據(jù)

發(fā)送器和接收器通過互聯(lián)網(wǎng)建立不同傳感器，傳感器和微控制器與中央云服務器之間的通信

用戶界面，可與用戶交流并執(zhí)行用戶指示的任務

物聯(lián)網(wǎng)傳感器：通向現(xiàn)實世界的橋梁

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一個很好的例子是智能手機，通常包括：

用于確定位置的全球定位系統(tǒng)（GPS）模塊

溫度傳感器感應環(huán)境溫度

麥克風可以感應使用者的聲音，

接近傳感器可感測用戶與電話的距離并在通話過程中將其鎖定。

智能手機上的不同應用程序使用不同的傳感器。例如，Google Maps具有一個用戶界面（一個應用程序），可與GPS模塊進行交互并收集位置坐標。它通過互聯(lián)網(wǎng)連接處理數(shù)據(jù)，以幫助用戶路由到他/她的目的地。

電池管理系統(tǒng)（BMS）是使用多個傳感器的IoT系統(tǒng)的另一個示例。BMS是保護和管理電池運行的電子系統(tǒng)。簡而言之，它是電池的個人看管人。我已經(jīng)在energyio.tech的文章“智能手機中的電池管理系統(tǒng)”中解釋了智能手機BMS的功能。

傳感器的作用就像計算世界和現(xiàn)實世界之間的網(wǎng)關。因此，傳感器需要將其在現(xiàn)實世界中感測到的一切轉換成計算機可以理解的特殊內容。

幸運的是，兩個世界之間的共同紐帶是電能！

因此，我們得出了傳感器的技術定義–物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的傳感器會感應到所需的物理量，并將其轉換為直接或通過現(xiàn)場微控制器傳輸?shù)街醒朐品掌鞯碾娦盘枴?/p>

IoT傳感器是IoT系統(tǒng)中使用的傳感器。

三、微機電系統(tǒng)（MEMS） 和 IoT傳感器的傳感機制

微機電系統(tǒng)（MEMS）是一種微系統(tǒng)技術（MST），它由由半導體材料（如硅）組成的微小組件組成，其尺寸在微米范圍內。

如果不是全部，大多數(shù)檢測機械能的傳感器都會以一種或另一種方式使用MEMS技術。加速度計是一個非常受歡迎的例子。這主要是由于快速增長和對計算機的廣泛依賴。

由于MEMS技術的制造材料是半導體，因此主要優(yōu)點是可以將其嵌入到集成電路（IC）中。IC包括其他計算組件（也由半導體材料組成），它們作用于從傳感器接收的數(shù)據(jù)。

實際上，小尺寸和芯片集成極大地降低了成本。您可以以不到?250（$ 3.34）的價格購買基于MEMS的加速度計。此外，基于MEMS的傳感器具有很高的靈敏度并可以檢測微小的變化，這是以前的產(chǎn)品無法想象的。

四、感應機制的類型和工作原理

根據(jù)應用，系統(tǒng)可以包括一個或多個傳感器，感測不同的物理量，從而具有獨特的感測機制。MEMS技術中將物理變化轉換為電信號的兩種最流行的傳感機制是：

基于電阻的傳感

電容式感應

兩種類型的傳感機制都采用簡單的原理-物理量的任何變化都可以通過傳感器中所用材料的電阻或電容的變化來捕獲。因此，物理量的較大變化表示材料的電阻或電容的較大變化，反之亦然。

兩種類型之間的主要區(qū)別在于兩種機制的工作方式?；陔娮璧膫鞲邢到y(tǒng)很好地使用電阻，而基于電容的傳感系統(tǒng)則使用電容器。

如果您在本文之前沒有聽說過電阻器和電容器，請不要擔心。您可以閱讀它們之間的區(qū)別。可以將這兩個組件視為兩個具有自己獨特特征的人。

五、基于電阻的傳感機制（使用MEMS技術）

一個多世紀以來，我們一直使用電阻電阻器來測量，分析，控制和觀察各種物理量。如前所述，每當物理量（如壓力）發(fā)生變化時，電阻的變化量就決定了該變化量。

電阻的變化受光導效應，半導體的熱阻效應和壓阻效應等物理原理控制。

通過物理幾何形狀的變化進行感應–材料的電阻取決于材料的幾何形狀，長度和橫截面積。長度或橫截面積的任何變化都將直接影響材料的電阻。

壓阻效應–壓阻材料是一種特殊的材料，當該材料發(fā)生機械變形（如推，拉或擠壓）時，其電阻會發(fā)生變化。因此，壓力，振動和加速度測量IoT傳感器通常使用壓阻材料。

六、物聯(lián)網(wǎng)傳感器中使用的其他基于電阻的傳感機制

盡管基于MEMS的IoT傳感器對于機械，物理量非常有效，但電阻式傳感器檢測非機械量（如光和溫度）的操作卻不相同。因此，感測機制改變。

光感測–要檢測光，需要特殊的光敏材料。植物借助稱為感光體的特殊分子來檢測光。同樣，任何光敏傳感器都使用光敏電阻-一種電阻材料，其電阻隨著光強度的增加而降低。光敏電阻或俗稱LDR是一種非常流行的IoT傳感器，用于檢測光。

溫度感測–與光感測相似，溫度感測還需要能夠適應環(huán)境溫度變化的材料。大多數(shù)溫度傳感器由熱敏電阻組成，該材料的電阻會隨著溫度的升高而降低。例如，用于防止現(xiàn)代鋰離子電池過度充電的參數(shù)之一是在熱敏電阻的幫助下檢測電池溫度。

化學傳感器–這些傳感器用于檢測特定的化學物質。該傳感器包含一個傳感層，該傳感層由一種材料制成，只要它與化學物質發(fā)生反應，其電阻就會改變。例如，許多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)使用MQ系列（MQ9，MQ2，MQ7等）氣體傳感器。它可以檢測到各種類型的氣體，例如一氧化碳，液化石油氣和甲烷。

轉換為電信號

可以說，第二受歡迎的科學方程式是歐姆定律（V = IR），在電流，電壓和電阻之間建立了直接關系。該法則的優(yōu)點在于，電阻的任何微小變化都可以瞬間轉換為電信號（電壓或電流）。

因此，每個基于電阻的物聯(lián)網(wǎng)傳感器（包括MEMS技術）都直接或間接使用歐姆定律。

七、物聯(lián)網(wǎng)傳感器中基于電容的傳感機制

基于電容的傳感機制通過改變材料的電容來捕獲物理量的變化，并且像電阻一樣，也取決于材料的物理幾何形狀。

但是，幾乎所有基于電容的傳感系統(tǒng)都主要依賴于物理幾何形狀的變化-面積，距離以及材料的電容能力，這些電容由其可以存儲的電荷量來描述。

觸摸傳感器是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中最常見的基于電容的傳感器之一。智能手機使用由眾多觸摸傳感器組成的觸摸屏。從本質上講，它是一種壓力傳感器，可檢測物理觸摸產(chǎn)生的壓力/力。

當屏幕受到物理觸摸刺激時，施加的壓力會改變面積或/和距離，從而觸發(fā)屏幕下方的電容值變化。

電容的這種變化就像電開關一樣，將電信號驅動到下一級。圖3示出了觸摸傳感器的工作。

與使用歐姆定律的基于電阻的傳感系統(tǒng)類似，基于電容的系統(tǒng)具有其自身的獨特關系，該關系將電容的變化映射到電壓和電流。不幸的是，數(shù)學方程式超出了本文的范圍。

電容與電阻感測

在電阻感測中，某些物理量（例如光和溫度）需要特殊類型的材料。這是一個福音，一個禍根！一方面，電阻變化對于所測量的量是唯一的。但另一方面，這種獨特性要求完全不同的測量/傳感程序。

取而代之的是，大多數(shù)基于電容的傳感系統(tǒng)都保持統(tǒng)一的傳感程序，因為變化主要是由于物理幾何形狀的變化。此外，與電阻式電阻相比，它們相對較新，并且目前僅限于使用MEMS技術感測機械系統(tǒng)。

結論

我希望我能夠解釋物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中一些常用傳感器的工作原理。此外，傳感器設計制造只是物聯(lián)網(wǎng)的一部分。該系統(tǒng)必須有效處理接收到的數(shù)據(jù)，并通過滿足用戶需求提供以應用程序為中心的結果。

就目前而言，物聯(lián)網(wǎng)傳感器已滲透到制造業(yè)并實現(xiàn)了大多數(shù)手動操作的自動化，從而形成了一個全新的分支，稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）。

與個人計算機和智能手機不同，物聯(lián)網(wǎng)技術尚未在我們的生活中實現(xiàn)巨大的轉變。在此之前，整個物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)需要繼續(xù)發(fā)展。
責任編輯:tzh