物联网中的执行器和传感器
物联网(IoT)将信息技术的价值带到了物理世界。通过向计算机网络添加传感器和执行器，我们可以感知物理世界中正在发生的事情，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影响物理世界的变化。通常，这些网络是闭环，这意味着执行器控制的物理参数会立即被传感器读回到系统中，从而形成一个连续的实时环路，并允许对物理过程进行监控和严格控制。
物联网中的执行器和传感器
物联网给计算机网络增加了致动器，它们提供的对物理世界的控制给物联网应用增加了复杂性。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。当执行器添加到网络中时，特别是当这些执行器控制强大或危险的系统，如机车、反应器、变电站、车辆或医疗设备时，如果系统遭到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，如果包括执行器，我们需要特别注意系统的完整性和安全性。
大多数传感器和致动器包括各种类型的换能器。换能器是将一种形式的能量转换成另一种形式的装置。例如，你汽车上的刹车把机械能转化为热能。对于物联网系统，几乎所有的传感器都会获取一些物理参数，并将其转换为电信号。类似地，物联网系统中几乎所有的执行器都接收电信号，并将其转换为某种物理输出。物联网系统使用的物理参数，跑遍了你的物理课本。这些可以包括电(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、相机、显示器、红外(IR)、光探测和测距(激光雷达等。)、化学(潜在氢(pH)浓度、成分、纯度等。)、医疗(心率、呼吸、血压、体温、脑电图等。)还有很多。实际上，对于所有这些物理参数以及大多数可以被感测的参数，存在数千种类型的传感器，并且存在类似的致动器来修改物理世界中的参数。
传感器通常包括原始感测元件或换能器，以及信号处理链，以使网络计算机可获得原始读数。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进行放大、滤波，并将原始信号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I C或USB。复杂的传感器使用数字信号处理技术在数字域中进一步过滤、调节、平均和格式化传感器读数。
执行器具有相反的功能。控制计算机及其软件的数字输出通过一个接口传送到驱动器，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，它由一个数模转换器、一个输出滤波器和某种放大器组成。越来越多的执行器采用数字信号处理器(DSP)和D类放大器等数字技术，以提高精度、响应速度和能效。
使用执行器和传感器实现简单物联网功能的示例，如沏一杯茶
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。停下来一分钟，想想你的智能手机和它包含的所有传感器和执行器类型。为了更好地说明这一点，让我们考虑一个沏茶的机器人系统。在《星际迷航下一代》中，皮卡德船长会走近他的食物复制机，说“茶，格雷伯爵，热的”，几秒钟后，食物就端上来了。虽然在几秒钟内从纯能量中实现美味饮料所需的传感器可能不存在，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际系统，并看看一个完全实现的版本可能包含的所有传感器和致动器:
这个过程的第一步是接受用户的请求。订购可以通过键盘阵列(简单的按钮传感器)、电容触摸板(电容传感器)、麦克风阵列(声音传感器)或寻找手势的摄像头(图像传感器)。订单也可以通过使用连接类型的计算机网络到达，这些连接类型可以包括光纤(光学传感器)、无线(RF传感器)或有线(电子传感器)。本地处理器接受该输入并协调机器中的传感器和致动器作为实时控制系统。如果这是自动售货机，附加的传感器和致动器接受货币或信用卡并验证它们是真的。
传感器持续监控蓄水池中冲泡水的温度和压力。电阻加热器用作控制水温的执行器。如果有用于冷冲泡饮料的冷水贮存器，它具有自己的温度和压力传感器，并且可能有作为致动器的Peltier模块来提供热电冷却。从传感器到控制处理器再到致动器都有反馈回路，以确保水处于最佳冲泡所需的温度。
接下来，我们必须选择一个茶包。我们的机器可能有一个不同类型的茶包杂志，代表它可以冲泡的品种。传感器可以确认行李的存在——可能是通过视觉或机械方式。机器人致动器使用电机将料盒索引到正确的位置，并将选定的茶袋降低到冲泡站。另一个机器人致动器可以将杯子移动到酿造站，传感器确认它的位置正确。
现在，阀门致动器打开，让水进入酿造站。超声波液位传感器测量杯子有多满，并在适当的时候切断阀门。热传感器监测茶冲泡时的温度。降低茶包的马达可以轻轻地上下浸泡茶包，以促进均匀冲泡。光学传感器可以测量茶的颜色，以在达到所需浓度时移除茶袋。类似螺线管的致动器可以将用过的茶袋放入废料接收器中。
额外的致动器可以添加选定的调味品，例如马达驱动的螺旋钻来计量糖或奶精，或者阀门来分配蜂蜜。调味品箱中的光学、重量或超声波传感器验证供应是否充足以及分配器是否计量正确。一个小小的机器人勺子——需要几个电机驱动的致动器来定位、移动和清洁它——进行最后的搅拌，电机致动器打开输送门，将杯子呈现给用户。
因此，使用物联网技术来自动化像沏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、相当复杂的处理器和大量软件。我不确定今天制造这样的机器是否值得，但随着传感器和致动器的能力不断提高，成本不断下降，这种系统的出现是可能的。
