Phần 2. Tương tác với thế giới vật chất bằng các cảm biến và thiết bị truyền động

0
1007

Bài viết này giới thiệu hai khái niệm quan trọng đối với thiết bị IoT: cảm biến và thiết bị truyền động.

Trong bài viết này sẽ đề cập đến các nội dung sau:

– Cảm biến là gì?

– Sử dụng cảm biến

– Các loại cảm biến

– Cơ cấu truyền động là gì?

– Sử dụng thiết bị truyền động

– Các loại thiết bị truyền động

1. Cảm biến là gì?

Cảm biến là thiết bị phần cứng để cảm nhận thế giới vật chất. Chúng đo lường một hoặc nhiều thuộc tính xung quanh và gửi thông tin đến thiết bị IoT. Cảm biến bao gồm một loạt các thiết bị từ các đặc tính tự nhiên như nhiệt độ không khí đến các tương tác vật lý như chuyển động.

Một số cảm biến phổ biến:

Cảm biến nhiệt độ. Cảm biến này cảm nhận nhiệt độ không khí hoặc nhiệt độ của môi trường đặt chúng. Người ta thường kết hợp đo nhiệt độ áp suất không khí và độ ẩm trong một cảm biến duy nhất.

Các nút. Hoạt động khi được nhấn.

Cảm biến ánh sáng. Cảm nhận cường độ ánh sáng và dành cho các màu cụ thể, ánh sáng UV, ánh sáng hồng ngoại hoặc ánh sáng nhìn thấy.

Camera: giúp thể hiện hình ảnh thế giới bằng cách chụp ảnh hoặc phát video trực tuyến.

Gia tốc kế. Cảm nhận chuyển động theo nhiều hướng.

Microphone. Thiết bị này cảm nhận âm thanh chung hoặc có định hướng

Tất cả các cảm biến đều có một điểm chung là chuyển đổi bất cứ điều gì chúng cảm nhận được thành tín hiệu điện để có thể được xử lý bởi thiết bị IoT. Cách chuyển đổi và xử lý tín hiệu điện này phụ thuộc vào cảm biến cũng như giao thức truyền thông được sử dụng để giao tiếp với thiết bị IoT.

2. Sử dụng cảm biến

Làm theo hướng dẫn bên dưới để thêm cảm biến vào thiết bị IoT:

Arduino – Wio Terminal

Single-board computer – Raspberry Pi

Single-board computer – Virtual device

3. Các loại cảm biến

Có hai loại cảm biến là cảm biến tương tự và cảm biến số.

* Cảm biến tương tự

Cảm biến tương tự là cảm biến cơ bản nhất. Các cảm biến này nhận giá trị điện áp từ thiết bị IoT, các thành phần cảm biến sẽ điều chỉnh điện áp này và đo điện áp trả về từ cảm biến để đưa ra giá trị cảm biến.

Ví dụ về cảm biến tương tự: chiết áp. Thiết bị IoT sẽ đặt một giá trị điện áp lên chiết áp. Khi chiết áp được điều chỉnh, giá trị điện áp đầu ra cũng thay đổi theo. Thiết bị IoT sẽ đọc điện áp ở đầu ra cảm biến và phản hồi trở lại cảm biến. Tùy thuộc vào cảm biến, điện áp này có thể là một giá trị tùy ý hoặc có thể ánh xạ đến một đơn vị tiêu chuẩn.

Chuyển đổi tương tự sang số

Các thiết bị IoT là kỹ thuật số, do đó chỉ hoạt động với các số 0 và 1. Nghĩa là các giá trị cảm biến tương tự cần được chuyển đổi thành tín hiệu số trước khi được xử lý. Nhiều thiết bị IoT có bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) để chuyển đổi đầu vào tương tự thành giá trị số. Cảm biến cũng có thể hoạt động với ADC thông qua bảng kết nối. Ví dụ: trong hệ sinh thái Seeed Grove với Raspberry Pi, các cảm biến tương tự kết nối với các cổng cụ thể trên một “hat” nằm trên Pi được kết nối với các chân GPIO của Pi và “hat” này có ADC để chuyển đổi điện áp thành tín hiệu số được gửi ra khỏi các chân GPIO của Pi.

Từ góc độ mã hóa, chuyển đổi này thường được xử lý bởi các thư viện đi kèm với các cảm biến. Đối với cảm biến ánh sáng Grove, sử dụng thư viện Python và gọi là thuộc tính light hoặc sử dụng thư viện Arduino và gọi là analog Read để nhận giá trị 300.

* Cảm biến số

Cảm biến số giống như cảm biến tương tự là phát hiện thế giới xung quanh bằng cách sử dụng sự thay đổi của điện áp nhưng khác là chúng xuất ra tín hiệu số bằng cách chỉ đo hai trạng thái hoặc tích hợp bộ ADC. Cảm biến số ngày càng trở nên phổ biến hơn để giảm việc sử dụng ADC trong bảng kết nối hoặc trên chính thiết bị IoT.

Cảm biến số đơn giản nhất là một nút hoặc công tắc có hai trạng thái, bật hoặc tắt.

Các chân trên thiết bị IoT như chân GPIO có thể đo tín hiệu này trực tiếp dưới dạng 0 hoặc 1. Nếu điện áp được gửi đi giống với điện áp trả về, giá trị đọc là 1, nếu không giá trị đọc là 0.

Điện áp không có giá trị chính xác, đặc biệt là các thành phần trong cảm biến có một số điện trở, vì vậy thường có một dung sai. Ví dụ: các chân GPIO trên Raspberry Pi hoạt động trên 3.3V và đọc tín hiệu trả về trên 1.8V là 1, dưới 1.8V là 0.

3.3V đi vào nút. Nút là tắt do đó xuất hiện 0V, cho giá trị 0

3.3V đi vào nút. Nút đang bật do đó xuất hiện 3.3V, cho giá trị 1

Các cảm biến số tiên tiến hơn trong việc đọc các giá trị tương tự, sau đó chuyển đổi chúng bằng cách sử dụng ADC trên bo mạch thành tín hiệu số. Ví dụ, một cảm biến nhiệt độ số vẫn sử dụng một cặp nhiệt điện giống như một cảm biến tương tự và vẫn đo sự thay đổi điện áp gây ra bởi điện trở của cặp nhiệt điện ở nhiệt độ hiện tại. Thay vì trả về giá trị tương tự và dựa vào thiết bị hoặc bảng kết nối để chuyển đổi thành tín hiệu số, bộ ADC được tích hợp trong cảm biến sẽ chuyển đổi giá trị và gửi giá trị đó dưới dạng một chuỗi 0 và 1 tới thiết bị IoT. Các số 0 và 1 này được gửi giống như tín hiệu số.

Việc gửi dữ liệu kỹ thuật số làm cho các cảm biến trở nên phức tạp hơn và gửi dữ liệu chi tiết hơn, thậm chí dữ liệu được mã hóa giúp cho các cảm biến an toàn hơn. Ví dụ camera là một cảm biến để chụp ảnh và gửi hình ảnh dưới dạng dữ liệu số, thường ở định dạng nén như JPEG. Máy ảnh thậm chí có thể phát trực tuyến video bằng cách chụp ảnh và gửi toàn bộ hình ảnh từng khung hình hoặc một luồng video nén.

4. Cơ cấu truyền động là gì?

Thiết bị truyền động ngược lại với cảm biến, chúng chuyển đổi tín hiệu điện từ thiết bị IoT thành dạng tương tác với thế giới vật chất như phát ra ánh sáng hoặc âm thanh hoặc di chuyển động cơ.

Một số bộ truyền động phổ biến bao gồm:

– Đèn LED: phát ra ánh sáng khi bật

– Loa: phát ra âm thanh dựa trên tín hiệu nhận được, từ bộ rung cơ bản đến loa âm thanh có thể phát nhạc

– Động cơ bước: chuyển đổi tín hiệu thành một lượng vòng quay xác định, như quay mặt số 900

– Rơ le: là những công tắc có thể được bật hoặc tắt bằng tín hiệu điện. Chúng cho phép một điện áp nhỏ từ thiết bị IoT để bật điện áp lớn hơn.

– Màn hình: là những thiết bị truyền động phức tạp hơn và hiển thị thông tin trên màn hình nhiều phân đoạn. Màn hình có thể chỉ là LED đơn giản đến màn hình video độ phân giải cao.

5. Sử dụng thiết bị truyền động

Làm theo hướng dẫn bên dưới để thêm bộ truyền động vào thiết bị IoT, sử dụng cảm biến để điều khiển tạo đèn ngủ IoT. Nó sẽ thu thập các mức ánh sáng từ cảm biến ánh sáng và sử dụng một thiết bị truyền động dưới dạng đèn LED để phát ra ánh sáng khi mức ánh sáng được phát hiện là quá thấp.

Arduino – Đầu cuối Wio

Máy tính một bo mạch – Raspberry Pi

Máy tính một bo mạch – Thiết bị ảo

6. Các loại thiết bị truyền động

Giống như cảm biến, thiết bị truyền động có tương tự hoặc số.

* Thiết bị truyền động tương tự

Các bộ truyền động tương tự chuyển đổi tín hiệu tương tự thành một dạng tương tác nào đó và thay đổi dựa trên điện áp được cung cấp.

Ví dụ có thể điều chỉnh độ sáng đèn theo điện áp cung cấp.

Giống với các cảm biến, thiết bị IoT thực tế hoạt động dựa trên tín hiệu số. Nghĩa là để gửi tín hiệu tương tự, thiết bị IoT cần có bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự (DAC) trực tiếp trên thiết bị IoT hoặc trên bảng kết nối. Khi đó, bộ chuyển đổi sẽ chuyển đổi các số 0 và 1 từ thiết bị IoT thành điện áp tương tự.

Điều chế độ rộng xung

Một tùy chọn khác để chuyển đổi tín hiệu của thiết bị IoT từ số sang tương tự là điều chế độ rộng xung. Điều này liên quan đến việc gửi nhiều xung kỹ thuật số ngắn hoạt động như một tín hiệu tương tự.

Ví dụ, có thể sử dụng PWM để điều khiển tốc độ của động cơ.

Hãy tưởng tượng đang điều khiển một động cơ với nguồn cung cấp 5V. Gửi một xung ngắn đến động cơ, chuyển điện áp thành cao (5V) trong hai phần trăm giây (0,02 giây). Trong thời gian đó, động cơ có thể quay một phần mười vòng quay, hoặc 360. Sau đó, tín hiệu sẽ tạm dừng trong hai phần trăm giây (0,02 giây), gửi tín hiệu thấp (0V). Mỗi chu kỳ bật rồi tắt kéo dài 0,04 giây. Sau đó chu kỳ lặp lại.

Có thể thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi kích thước của các xung.

* Thiết bị truyền động kỹ thuật số

Thiết bị truyền động kỹ thuật số giống như cảm biến kỹ thuật số, có hai trạng thái được điều khiển bởi điện áp cao hoặc thấp hoặc tích hợp DAC để chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự.

Thiết bị truyền động kỹ thuật số đơn giản là đèn LED. Khi một thiết bị gửi tín hiệu số bằng 1, một điện áp cao sẽ được gửi đi làm sáng đèn LED. Khi gửi tín hiệu số bằng 0, điện áp giảm xuống 0V và đèn LED tắt.

Ví dụ như điện từ là một nam châm điện được kích hoạt để thực hiện những việc như di chuyển chốt cửa để khóa/mở cửa. Các thiết bị truyền động số tiên tiến hơn, thường đi kèm với các thư viện giúp dễ dàng gửi dữ liệu chính xác để kiểm soát chúng.

Biên dịch: Bắc Đặng

Để cập nhật tin tức công nghệ mới nhất và các sản phẩm của công ty AIoT JSC, vui lòng truy cập link: http://aiots.vn hoặc linhkienaiot.com

0 0 Phiếu bầu
Article Rating
Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Phản hồi nội tuyến
Xem tất cả các bình luận