【图解物联网】【总结】 第三章 物联网设备

第三章 物联网设备

设备

• 设备的连通性：表示的是机器和系统间的相互连接性和结核性。不具备连通性的设备用来独立实现功能，一旦设备出库就无法变更规格了。
• 设备连通性的优势：
  1. 一方面，物联网设备本身结构简单，提供的是云服务、智能手机和其他设备组合在一起的一体化服务，设备的应用程序可以轻松获得更新，改良固件。
  2. 另一方面，硬件成本在不断提高，设备的开发会促进其高级化。围绕设备开发，讲服务整体作为一个生态系统来规划非常重要。

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物联网设备的结构

• 基本结构：输入设备、输出设备、微控制器和连接网络。
  • 微控制器：是控制器的IC芯片。包括内存、CPU以及外围电路。使用的时候需要串行端口和USB等各种接口以及电路等对微控制器进行写入。
  • 输入设备：让设备获取周边的情况和用户操作等信息。
  • 输出设备：向用户反馈某些信息或者通过驱动器物理性地作用于环境。
  • 连接网络：设备通过网络与服务器连接。包括有线连接和无线连接。如果设备是固定的机器，则可以选择有线连接，通信更加稳定。如果设备是便携式设备，则要用无线连接，但需要考虑障碍物造成的通信信号问题，以及电源的装配等问题。
• 微控制器的类型和选择
  • 微控制器的选择标准：产品规格、成本、尺寸、开发环境、信息的可获得性。
    • 产品规格：主要是接口、内存、耗电量。
    • 成本：贵不贵。
    • 尺寸：大小，直接影响设备大小。
    • 开发环境：开发软件和语言会不会。
    • 信息的可获得性：开发生态环境如何，相关文档获取。
  • 微控制器早期是单片机，后来出现了单板计算机。
  • H8型微控制器主板（类似国内的51单片机）：IC是一款日本瑞萨公司生产的微控制器。通过通用嵌入式开发语言C语言进行编写。
  • Arduino：非常容易上手的微控制器主板，但Arduino还是一种综合开发环境。
    • 支持扩展板，安装Shield对应器件就能追加功能。
    • 使用Arduino IDE和类似于C++的Arduino语言进行开发。
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  • Raspberry Pi（树莓派）：一款搭载ARM处理器的单板计算机。
    • 具有USB端口、声音影像输入输出端口、以太网端口，能使用microSD卡，甚至具有GPU。
    • 其上安装有Debian类Rasbian操作系统，支持python。
    • 但是它没有模拟输入端口。
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  • Beagle Bone Black（BBB）：也是一款搭载ARM处理器的单板计算机。
    • 这块主板的亮点是平衡了微控制器和PC的性能。
    • 作为硬件，相比于树莓派，其拥有非常豪华的配置，在运算处理方面也是压倒性优势。
    • 它还能搭载任何Linux操作系统。
    • 在开发环境上，可以使用PC浏览器访问Cloud9 IDE，通过Node.js进行简单的行为描述。此外，能通过命令行操作各个输入输出引脚的状态。
    • 中文资料不多。
  • 英特尔Edison：搭载了双核双线程的英特尔Atom CPU和100MHz的微控制器英特尔Quark。
    • 这款主板的亮点：彻底改善了专为物联网设备设置的规格。
    • 同样安装了Linux操作系统。
    • 具有Wifi和蓝牙。
    • 这款主板非常小，但接通电源就能实现SSH远程登录。
    • 无法直接进行开发，需要通过Breakout Board Kit和Edison Kit for Arduino两种扩展板，将主机插入扩展板之后进行开发。
    • 扩展板上具有多种端口，可以与外部设备进行连接，可以配合Arduino主板进行开发。
    • 可以使用Arduino IDE进行开发，通过Wifi和SSH将执行文件发送给Edison。此外，还可以用Node.js来控制硬件的环境。
    • 可以利用这款主板直接进行商品化设计。
    • 但是其IO口电压小，在外设方面可能需要另外的驱动电路。
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连接“云”与现实世界

• 两种设备连接到网络的方式：

  • 设备本身直接连接全球网络。需要设备端实现再次发送等错误处理程序，但是可以简化系统内的网络结构。
  • 在本地区域内使用网关来连接全球网络。网关的硬件结构丰富，甚至支持再次发送数据、保存数据、加密和数据压缩的功能。

• 设备与网关间的连接方式

  • 选择的标准包括通信时能够使用的协议、通信模块的大小、耗电量等。

  • 有线连接

    • 以太网

      • 优势：不怕无线电频率干扰，能够实现普通的IP通信协议，跟PC进行简单通信。
      • 缺点：终端要在一定程度上具备丰富的执行环境，尺寸容易大，设置场所受限制。

    • 串行通信：使用RS-232C等串行通信来连接其他设备。

      • 在使用RS-232C串口时，设备多使用D-SUB9针端口。D-SUB9针端口：左5右4，左边依次是信号地、数据终端就绪、传输数据、接收数据、数据载波检测，右边依次是振铃指示、清除发送、请求发送、数据集就绪。
      • 如果网关设备上没有串行端口，则只能使用USB转串口设备进行连接。
      • 串行通信的双方要设定表示通信速度的参量“比特率”。
      • 优点：多数工业产品都具备了串行通信的端口，容易与现有的产品建立连接。

    • USB

      • 不同规格的USB，传输速度都不同。

      • 名称	最大数据传输速度	供电能力
        USB 1.0	12 Mbit/s	-
        USB 1.1	12 Mbit/s	-
        USB 2.0	480 Mbit/s	500mA
        USB 3.0	5 Gbit/s	900mA
        USB 3.1	10 Gbit/s	100mA

      • 要使用通过USB连接的设备，需要安装设备驱动。

  • 无线连接

    • Wi-Fi
      • 主要面向移动型设备。
      • 为了防止无线电频率干扰，需要注意接入点的位置，需要考虑通信断开的情况。
      • 相比于蓝牙4.0，Wi-Fi的耗电量更高，不适合需要长时间通信的设备。
    • 3G/LTE：通过移动运营商的通信线路来连接网络。
      • 需要通过SIM卡并在信号范围内且信号强度好的情况下才能使用舒适。
      • 会持续产生连接费用，成本增加。
    • 蓝牙
      • 主要面向内置电池的小型设备，具有超低功耗的BLE（Bluetooth Low Energy）技术。
      • 除了一对一通信，BLE还能实现一对多通信。
      • 蓝牙4.2还支持IPv6/6LoWPAN，设备可以通过网关直接连接互联网。
      • 把基于BLE的物联网设备连接到网关时，至少需要蓝牙4.0以上。
    • IEEE 802.15.4/ZigBee
      • 是一种近距离无线通信标准。
      • 虽然传输速度低，但是与Wifi相比耗电量较少。
      • 采用多种网络形式，在网状网下，局部信号断开其他设备仍然可以通信。
      • 缺点：需要给设备连接专用的接收器来连接PC或智能手机。
    • 易能森：一种无源无线传输技术，易能森指的是通信标准加上感测设备。
      • 其生态中的设备能够利用能量采集技术自主发电，无需考虑供电和布线问题。
      • 需要给硬件装入专门用于接受信息的模块。
      • 通信协议则必须遵循易能森公司的相关规定。
      • 无法对环境做到非常实时的输入反应。

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采集现实世界的信息

• 传感器：用于检测周边环境的物理变化，经感受到的信息转换成电子信息的形式输出。其中，具有代表性的传感器有：温度/湿度传感器，光学传感器，加速度传感器，力觉传感器，测距传感器，图像传感器。

• 传感器的机制

  • 两种感测方法：利用物理特性的传感器，利用几何变异的传感器。
  • 利用物理特性的传感器：检测元件的电子特性会根据周围环境的变化而变化。
    • 用输出电压的变化表示环境的变化。类似于变阻器。
    • 用输出电流的变化表示环境的变化。类似于二极管，运放。
  • 利用几何变异的传感器
    • 测距传感器利用与障碍物间的几何学关系来测算距离。

• 所有传感器都具备的特性：

  • 毫伏级的微弱信号
  • 输出的是含有一定噪声的模拟信号

• 放大信号：因为传感器的信号都很微弱，所以必须对信号进行放大。

  • 放大电路的核心是运算放大器。
  • 常用的运放：
    • 非反相放大电路（同相放大电路？）
    • 反相放大电路
    • 查分放大电路：把两个输入电压的差值放大并输出。

• A/D转换：把模拟信号转换成数字信号。

  • 采样、量化、编码
  • A/D转换器性能指标：采样频率、分辨率。

• 传感器的校准：把电子信号的输出数据转换成对应的想要测算的参数数值。目的是排除个体差异和再现性误差。

• 如何选择传感器

  • 明确目的和条件
    • 利用设备要实现怎么样的状态
    • 为了实现这个状态需要测算哪些物理量
    • 设备用在什么环境中，如何使用
  • 明确传感器的性能
    • 传感器的性能指标包括：分辨率、零点、位移、灵敏度、测量范围、再现性、运行环境和环境依赖性。

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反馈给现实世界

• 使用输出设备调节目标的步骤：
  • 明确要实现何种状态
  • 明确这种状态所需要的参数
  • 研究使用何种输出设备才能使测量的测算值接近目标值
  • 制作原型、进行评估，如果偏差较大则重复以上步骤
• 如何评估输出设备
  • 评估目标数值和测量数值之间的偏差
  • 评估设计性，包括设备的易用性，用户心理和感觉层面，时尚性。
  • 评估环境适应性，能否适应所有能够想到的使用环境
• 驱动的作用：在控制信号的作用下，对目标外设进行电路控制。
  • 最简单的驱动电路例如三极管。
• 制作正确的电源：每个设备都有其额定电压和最大电流等参数，为了能使设备正常工作，需要制作正确的电源。
  • 三端稳压管：作用是调整电源。一共三个端子Vin/Vout/GND，根据不同的三端稳压管，可以将输入的电压转换成3.3V、5V、12V的电压进行输出。（在使用三端稳压管时，因为其发热严重，要注意散热问题）
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• D/A转换：最具代表性的D/A转换方式是PWM调制（Pulse Width Modulation）。通过快速切换高低电压来实现近似输出模拟信号。
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硬件原型设计

• 原型设计：是一道开发工序，通过原型设计，通过不断改进和获取反馈的过程中，使商品逐渐具体化。

  • 原型设计的过程：
    1. 讨论产品概念
    2. 明确制作原型的目的和方法
    3. 在尝试制作的同时摸索技术问题和解决方法
    4. 获得用户反馈，如果用户不满意则返回第1步

• 硬件原型设计的注意事项：

  • 明确原型设计的目的
  • 要非常重视速度和成本

• 硬件原型设计的工具

  • 一块微控制器：比较推荐入门的有带有Shield的Arduino和Edison的Arduino兼容板
  • 相关电路：通过面包板实现，并进一步通过万用板或PCB实现。