Internet Of Things: Connecting Things - Rozdział 2

1. Codziennie korzystamy z urządzeń elektronicznych, od telefonów komórkowych po telewizory, do wielu naszych różnych narzędzi i urządzeń. Słowo elektronika pochodzi od słowa elektron, które jest źródłem ładunku elektrycznego. Elektronika to dziedzina nauki skupiająca się na kontroli elektryczności i fizycznych komponentach oraz obwodach, które pomagają kierować energią elektryczną. 

Świat IoT opiera się na kilku technologiach, jedną z nich jest zwiększająca się dostępność tanich czujników elektronicznych. Czujnik to komponent elektroniczny, który przekształca wielkość fizyczną, taką jak temperatura w pomieszczeniu, położenie ramienia robota lub poziom cukru we krwi, w sygnał elektryczny. Sygnał elektryczny generowany przez czujnik jest następnie przekształcany w sygnał cyfrowy do przetworzenia przez bardzo uproszczony system komputerowy nazywany mikrokontrolerem.

2. Definicje:

• Prąd elektryczny powstaje z ruchu elektronów. Prąd płynie w zamkniętej pętli i jest stały wszędzie w tej pętli. 
• Elektrony wraz z protonami i neutronami tworzą atomy. Podstawowy ładunek na elektronie mierzony jest w kulombach. Jeden kulomb ładunku jest równy ilości ładunku przenoszonej przez jeden amper w jednej sekundzie. 
• Atomy są podstawowymi składnikami wszystkich pierwiastków i materii. Elektrony niosą ujemne ładunki i są przyciągane do dodatnio naładowanych protonów w jądrze atomowym. 
• Pierwiastki chemiczne na układzie okresowym składają się z różnych typów atomów. Przyciąganie między atomami a ich zewnętrznymi elektronami jest silniejsze w niektórych pierwiastkach niż w innych.
• Przewodniki elektryczne to materiały z elementami, które mają słabe przyciąganie między atomami a ich elektronami. W elementach przewodzących elektrony mają tendencję do poruszania się z atomu na atom. Przykładami materiałów przewodzących prąd elektryczny są metale takie jak miedź, złoto i srebro.
• Izolatory elektryczne to materiały składające się z elementów, które silnie przyciągają swoje elektrony i w których elektrony nigdy nie opuszczają atomu. Przykładami materiałów, które są izolatorami elektrycznymi, są wysuszone drewno, szkło i różne materiały gumowe.
• Napięcie to siła napędowa prądu. Może być również określane jako ciśnienie elektryczne. Napięcie mierzone jest jako różnica w energii potencjalnej elektrycznej między dwoma punktami.
• Ampery (A) mierzą siłę prądu elektrycznego. Ampery są miarą liczby elektronów w prądzie elektrycznym. Jeden amper na sekundę jest równoważny jednemu kulombowi przemieszczającemu się przez obwód w jednej sekundzie. To jest mniej więcej równoważne przepływowi 6,241509 × 10^18 elektronów na sekundę.
• Moc to ilość energii zużywanej w czasie. Moc mierzona jest w watach. Podstawowe sformułowanie mocy to moc = napięcie x prąd. 
• Obwód elektryczny to fizyczna sieć (lub model fizycznej sieci) połączonych ze sobą elementów elektrycznych, w tym baterii, rezystorów, kondensatorów, cewek i przełączników.

3. Prawo Ohma: Napięcie jest bezpośrednio proporcjonalne do siły prądu pomnożonej przez opór w obwodzie. Napięcie równa się prąd pomnożony przez opór (V = I x R).

4. Urządzenia elektroniczne kontrolują przepływ energii elektrycznej za pomocą elektronicznego obwodu. Obwód to zamknięta droga dla elektronów, umożliwiająca przepływ prądu. Aby prąd mógł płynąć, obwód musi mieć źródło energii, np. baterię.

• Zamknięty obwód pozwala na przepływ prądu, podczas gdy otwarty obwód ma przerwę, która przerywa przepływ prądu. Otwarty obwód można utworzyć za pomocą przełącznika. Urządzenia elektryczne z włącznikiem mogą tworzyć zamknięty lub otwarty obwód.
• Zwarcie to niezamierzone połączenie między punktami obwodu, które omija normalną ścieżkę. Może to prowadzić do przeciążenia i przegrzania składników elektrycznych, co stanowi zagrożenie, takie jak topienie przewodów czy powstanie pożaru.

Poniżej przedstawiono prosty obwód z baterią, zasilającą diodę elektroluminescencyjną (LED). Schemat obwodu pokazuje połączenia między komponentami. Bateria dostarcza 6 woltów prądu stałego. Prąd konwencjonalny płynie od bieguna dodatniego do bieguna ujemnego, choć w rzeczywistości elektrony przepływają od bieguna ujemnego do dodatniego.

Obwody elektroniczne są tworzone przez połączenia przewodów i komponentów. Rezystor ogranicza przepływ prądu, a dioda elektroluminescencyjna emituje światło.

5. W obwodzie elektrycznym składniki mogą być połączone na różne sposoby:

• W obwodzie szeregowym składniki są połączone kolejno jeden po drugim, tworząc ścieżkę między biegunami dodatnim i ujemnym źródła zasilania. Prąd płynie przez każdy składnik w sposób liniowy. - np. stare lampki choinkowe
• W obwodzie równoległym prąd dzieli się na rozgałęzieniu i płynie równolegle przez różne ścieżki obwodu. Każdy składnik otrzymuje swój własny prąd. W obwodzie równoległym można zasilać wiele składników, np. diody LED. Jeśli któryś składnik ulegnie awarii, nie wpływa to na zasilanie pozostałych składników. Obwód równoległy rozwiązuje problem, w którym awaria jednego składnika nie powoduje zgaszenia pozostałych.

Wybór między obwodem szeregowym a równoległym zależy od zastosowania, ale w obu przypadkach źródło zasilania musi być wystarczająco mocne, aby zasilić cały obwód.

6. Komponenty elektroniczne mogą być aktywne lub pasywne. Aktywne komponenty generują energię i tworzą nieliniowe obwody, takie jak diody i tranzystory. Pasywne komponenty przechowują energię i tworzą liniowe obwody, takie jak rezystory i kondensatory.

• W obwodach aktywnych prąd jest kontrolowany za pomocą zewnętrznego źródła energii, takiego jak napięcie lub prąd. Obwody aktywne mogą wzmacniać sygnały i generować niespójne sygnały napięciowe. Obwody nieliniowe znajdują zastosowanie w mikserach, modulatorach i układach logicznych.
• Komponenty pasywne nie kontrolują prądu za pomocą sygnału elektrycznego. Tworzą one liniowe obwody, w których wartości komponentów nie zmieniają się wraz z napięciem lub prądem. Obwody pasywne składają się z rezystorów, kondensatorów, cewek i transformatorów. Przetwarzanie sygnału w obwodach pasywnych jest ciągłe i analogowe.

Obwody mogą być analogowe lub cyfrowe. W obwodach analogowych sygnał jest ciągły i może przyjmować różne wartości. Obwody cyfrowe prezentują dyskretny sygnał, przyjmując tylko dwie wartości: brak mocy lub pełną moc.

Obwody liniowe są ważne, ponieważ mogą wzmacniać i przetwarzać sygnały bez zniekształceń. Przykładem urządzenia korzystającego z obwodów liniowych jest system dźwiękowy.

7. Prąd stały (DC) to jednokierunkowy przepływ elektronów, produkowany przez baterie, zasilacze i inne źródła. Służy do ładowania baterii i zasilania systemów elektronicznych. Prąd zmienny (AC) natomiast periodycznie zmienia kierunek i dostarcza energię elektryczną do domów i firm. Prąd zmienny ma kształt fali sinusoidalnej i jest generowany w elektrowniach za pomocą alternatorów. Można uzyskać prąd stały z prądu przemiennego za pomocą prostownika. Prąd zmienny jest podstawową formą dostarczania energii, a prąd stały może być przekształcany w prąd zmienny za pomocą falownika lub zestawu silnikowo-generatorowego.

8. Obwody analogowe to układy, w których prąd lub napięcie mogą ciągle zmieniać się w czasie, odzwierciedlając reprezentowane informacje. Są one wykorzystywane w układach zarządzania energią, czujnikach, wzmacniaczach i filtrach. 

Obwody cyfrowe operują na sygnałach elektrycznych, które przyjmują tylko dwie dyskretne wartości napięcia, reprezentujące 1 i 0. Obwody cyfrowe mogą być zaprojektowane do realizacji logiki i pamięci poprzez połączenie sygnałów binarnych, umożliwiając wykonywanie różnych funkcji obliczeniowych.

Układy scalone to zminiaturyzowane obwody, które są produkowane na jednym kawałku półprzewodnika. Często nazywane są "chipami" i mogą zawierać wiele elementów elektronicznych.

9. Komponenty elektroniczne to specjalistyczne urządzenia używane w obwodzie do kontrolowania prądu. - np. przewody, przełączniki, rezystory, kondensatory, diody, tranzystory, cewki i układy scalone.

10. Solenoidy i przekaźniki to komponenty elektroniczne używane do sterowania dużymi prądami lub napięciami za pomocą małego sygnału elektrycznego. Solenoid wykorzystuje cewkę drutu do generowania pola magnetycznego, które może poruszać obiektem magnetycznym. Solenoidy są stosowane do otwierania zamków drzwi, sterowania zaworami czy napędzania mechanizmów przełączników.

Przekaźniki są szczególnie przydatne, gdy potrzebujemy kontrolować duże prądy lub napięcia. Składają się z cewki i styków, które są zamknięte lub otwarte przez pole magnetyczne generowane przez cewkę. Przekaźniki umożliwiają sterowanie dużą mocą za pomocą małego sygnału sterującego.

11. Faza projektowania składa się z następujących kroków:

Etap 1: Koncepcja - To jest początkowy pomysł.

Etap 2: Badania - To jest szczegółowe badanie dotyczące wymaganej technologii, możliwych dostawców, kosztów materiałów i projektu, oraz studium wykonalności.

Etap 3: Projektowanie obwodu - To obejmuje schematyczne diagramy, układy drukowane i projekty obudowy produktu.

Schemat przedstawiony na rysunku nazywany jest diagramem obwodu. Jest to graficzne przedstawienie obwodu elektrycznego. Diagram obwodu pokazuje komponenty i połączenia obwodu za pomocą standardowych symboli. Prezentacja połączeń między komponentami na diagramie niekoniecznie odpowiada ich fizycznemu układowi w urządzeniu końcowym. Poglądowy diagram obwodu używa prostych obrazów komponentów i ich fizycznych połączeń.

12. Faza prototypowania składa się z następujących kroków:

Etap 1: Rozwój sprzętu, mechaniki i oprogramowania - Oprogramowanie stanowi istotną część projektu. Podobnie jak w przypadku sprzętu, należy rozpocząć od wysokopoziomowego projektu.

Etap 2: Projektowanie płytki drukowanej (PCB) - Projektowanie płytki drukowanej (PCB) stanowi ważny element w rozwoju sprzętu elektronicznego. Testy integralności sygnału powinny być przeprowadzane w ramach tej czynności. Zazwyczaj używa się oprogramowania CAD do tworzenia projektów PCB.

Etap 3: Budowanie prototypów - Budowanie prototypu gotowego produktu, włączając grafikę i opakowanie.

Etap 4: Testowanie produktu - Przed przejściem do kolejnej fazy konieczne jest dokładne przetestowanie produktu oraz przegląd gotowości testowej (TRR).

13. Faza produkcji składa się z następujących kroków: 

• przegląd gotowości produkcyjnej
• produkcja
• stałe konserwowanie.

14. Płytka drukowana (PCB), mechanicznie podtrzymuje i elektrycznie łączy komponenty elektroniczne. PCB wykorzystuje ścieżki przewodzące, pady i inne elementy wytrawione z arkuszy miedzi i laminowane na nieprzewodzącym podłożu. Komponenty, takie jak kondensatory, rezystory lub układy aktywne, zazwyczaj są lutowane na PCB.

PCB mogą być jednostronne (jedna warstwa miedzi), dwustronne (dwie warstwy miedzi) lub wielowarstwowe (zewnętrzne i wewnętrzne warstwy). Przewodniki na różnych warstwach są łączone za pomocą małych otworów w płytce, zwanych przelotkami. Wielowarstwowe PCB pozwalają na zamontowanie wielu więcej komponentów niż jedno- lub dwustronne PCB o tej samej wielkości.

PCB są stosowane we wszystkich, oprócz najprostszych, produktach elektronicznych. Alternatywami dla PCB są m.in. wire wrap i konstrukcja punkt-po-punkcie. PCB wymagają dodatkowego wysiłku projektowego podczas układania obwodu, ale proces produkcji i montażu może być zautomatyzowany. Wykonywanie układów z PCB jest tańsze i szybsze niż przy użyciu innych metod połączeń, ponieważ komponenty są montowane i przewlekane za pomocą jednej części. Ponadto, eliminuje się błędy operatorów przy połączeniach.

15. Zestaw SparkFun (SIK) to zestaw do budowania obwodów z czujnikami i aktuatorami IoT. Zestaw zawiera płytę podobną do Arduino, bezlutową płytę stykową, przewody i różne komponenty. Niektóre z komponentów to: bezlutowa płyta stykowa, SparkFun RedBoard, kabel USB mini-B, rezystory, diody, czujniki, przełączniki, diody LED, potencjometr, przewody zaciskowe, serwo, wyświetlacz LCD, przekaźnik, układ scalony i silnik DC.

16. Komputer można zaprogramować tak, aby wykrywał zdarzenie wywołane przez czujnik, a następnie wykonywał akcję w zależności od tego zdarzenia. Mikrokontrolery są świetną platformą do wykonywania tych zadań ze względu na ich miniaturowy rozmiar i skromne wymagania energetyczne. Jednostka mikrokontrolera (MCU) to prosty komputer zaprojektowany i zbudowany w małej formie. Po sparowaniu z czujnikami lub aktuatorami, mikrokontrolery można zaprogramować tak, aby działały na podstawie sygnałów. 

17. Płytki Arduino są w stanie odczytywać sygnały wejściowe, takie jak światło na czujniku, palec na przycisku lub wiadomość na Twitterze. Mogą następnie zamienić sygnał wejściowy na wyjściowy, takie jak aktywowanie silnika, włączenie diody LED lub publikowanie czegoś w Internecie. Wszystko to jest określone przez zestaw instrukcji zaprogramowanych za pomocą zintegrowanego środowiska programistycznego Arduino (IDE) - C/C++ (C# - podczas użycia biblioteki SolidSoils/Arduino)

18. Obwód potrzebuje ciągłej pętli i źródła zasilania, aby płynął prąd. Prosty obwód można utworzyć, łącząc w szereg wzdłuż rzędu na płytce stykowej elementy elektroniczne (diodę LED, rezystor i przewody zaciskowe). Po połączeniu rzędu źródło zasilania zostanie podłączone do dolnych czerwonych i czarnych przewodów zaciskowych. Powinno to zakończyć obwód i zapalić diodę LED.

19. Aktuator to rodzaj silnika odpowiedzialnego za tworzenie ruchu.  Elektryczny aktuator przekształca energię elektryczną w moment obrotowy mechaniczny. W tym kursie będziemy pracować tylko z elektrycznymi aktuatorami, ale aktuatorami mogą być również hydrauliczne (olej), pneumatyczne (powietrze) i mechaniczne.

20. Przekaźnik to mechaniczny przełącznik sterowany elektrycznie.