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感測器
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MachineChat
主要特點
軟體選項
通訊協定
內部整合電路 (I2C)
增進版內部整合電路 (I3C)
序列週邊介面 (SPI)
通用型非同步接收器／發射器 (UART)
UART、SPI、I2C 和 I3C 的比較
通訊生態系統
SparkFun QWiiC 連接
Adafruit STEMMA QT 連接
Seeed Grove
環境感測器
溫度感測器
水氣與濕度感測器
壓力感測器
氣體感測器
方向和存在感測器
運動感測器
光學感測器
接近感測器
產品
感測器
感測器 (或傳感器) 是電子系統的「感覺」部位。正如動物使用其感官 (視覺、嗅覺、觸覺、聽覺和味覺) 來瀏覽世界一樣，電子裝置則利用感測器來理解世界。
感測器技術的進步，包括小型化、更緊密的整合、增強的連接性和複雜的資料處理，逐漸帶來工業和消費性應用的革命。在 Sensor eMagazine 中閱讀有關 3D 飛時測距感測器、智慧空氣品質感測器以及使用 MEMS 感測器進行振動監測等主題。
DigiKey 電子雜誌 2024 年感測器專刊。
MachineChat
MachineChat 是一家打造多功能合一軟體應用程式 (如 JEDI One 和 JEDI Pro) 的公司，這些軟體可進行資料收集、儀表板視覺化和規則式監測。此軟體只要幾分鐘，就可在桌上型和單板電腦上執行，無需額外程式設計。此軟體可在系統上以本機方式運作，因此無需將資料傳送到雲端，也無需每月訂閱費。
主要特點
- 資料收集來源包括：MQTT、REST API、HTTP、TCP CSV、序列／USB。此外，還可以透過客製化的資料收集器取用其他資料收集來源。
- 此軟體可針對感測器資料進行過濾、轉換、累積、監測和行動。
- 資料會儲存在本機，且在 CSV 資料庫中維護。
- 資料會經過快取並傳送到 MQTT 和 REST API 等上游服務。
- 所有資料視覺化作業皆可透過 Web 介面取用。
- 可以透過電子郵件或 SMS 簡訊發送警示。
- 軟體可在 PC、Mac、Linux、Raspberry Pi 和 BeagleBone 上運作。
軟體選項
- JEDI One 是以創客和初期原型為導向 (單一使用者，最多 10 部裝置)
- JEDI Pro 則以商業應用為導向 (最多 10 位使用者，最多 200 部裝置)
TechForum 中一則有關 MachineChat 貼文內的範例儀表板。論壇上有 30 幾則關於如何使用各種平台和感測器的深入貼文：TechForum 上的 MachineChat 類別
用樹莓派、PyPortal Titano 和 machinechat JEDI One 設定和測試 MQTT 伺服器
此項目使用 machinechat 的 JEDI One 物聯網資料管理軟體在樹莓派4上設定了一個物聯網 MQTT 伺服器（broker）。
使用 Machinechat 和 MQTT 設定一個 Wio Terminal 作為遠端室外空氣品質監測顯示器
該專案設置了一個 Seeed Wio Terminal，作為遠端室外空氣品質顯示器，顯示臭氧（O3）和顆粒物（PM2.5 和 PM10）數據。
使用 Seeed 的 LoRa-E5 模組為 LoRaWAN 網路開發風速/風向感測器
這專案涵蓋了開發基於 Seeed LoRa-E5 的 Arduino 風速/方向感測器的過程，並將其安裝在能夠連接到 DigiKey 公司總部大樓屋頂氣象平台的戶外外殼中。
Getting Started with Machinechat’s JEDI One IoT Software
This tutorial walks through setting up and sending data to an IoT service on your own network, which allows you to have control over the security of the data
使用 Machinechat JEDI One 更快打造智慧更上一層樓城市
Machinechat 的 JEDI One IoT 資料管理軟體能讓開發人員以較低成本，快速打造現場立即可用的原型並進行概念驗證。
通訊協定
平行與序列通訊有何區別？查看答案
平行通訊會同時傳送多筆數據位元，因此需要數據匯流排硬體，通常由多條線路組成。平行通訊不僅可達到更快的數據傳輸，也會利用相連裝置的更多 I/O 連接埠，因此需要複雜的接線安排。
資料來源：DigiKey序列通訊一次只會利用單一條電線在配對裝置之間傳送一位元的數據。因為只用一個 I/O 連接埠進行裝置通訊，因此可降低整體裝置複雜性和成本。
資料來源：同步與非同步通訊有何區別？查看答案
序列通訊可以進一步分為兩個小類別，具體取決於是否有使用時脈訊號來控制和同步處理相連裝置之間的數據通訊，可分為同步與非同步。
- 非同步序列是指可以在不需要時脈訊號的情況下傳輸數據。如果沒有時脈訊號，裝置之間傳輸的數據就必須使用開始和停止位元進行編碼，以確保正確傳輸，雖然通常較慢，但缺少時脈訊號也有其實用性，視應用而定，例如緩衝數據時不需要即時回應。
- 同步序列會要求所有裝置之間共用時脈訊號以控制數據通訊。雖然同步序列需要在所有裝置之間添加另一道計時訊號，卻可讓通訊速度提高。
單工、半雙工和全雙工有什麼區別？查看答案
這些差異與裝置之間的數據流方向有關。數據流有三種主要的表示方式：
- 單工 – 從來源到目的地的單向數據流動。收音機從無線電塔接收電台訊號就是例子之一。訊號從無線電塔發射，再由收音機接收。
- 半雙工 – 可從配對裝置進行雙向數據傳輸，但在指定時段內只能進行單一方向傳輸。為了達到半雙工，兩個設備都必須能傳送和接收數據。對講機就是此類例子之一，因為同一時間內只有一台裝置可以傳送，另一台則接收。
- 全雙工 – 兩個裝置能同時以兩個方向進行數據的傳送和接收。這會產生雙向通訊。電話連線就是這類例子之一，兩台裝置都要同時傳送與接收數據。
內部整合電路 (I2C)
- 內部整合電路 (I2C) 協定是一種雙線序列連線，可讓多個端點與一個或多個控制器進行通訊。這屬於半雙工協定，也就是說，數據一次只能以一個方向從控制器傳送到多個端點。
- I2C 的數據傳輸速率介於 0.1 至 5 Mbit/s，視確切的 IC 和匯流排配置而定。但基於雙線匯流排連接的簡易本質，在數據傳輸率上，會比更複雜的 SPI 連接慢上許多。
增進版內部整合電路 (I3C)
- 增進版內部整合電路 (I3C) 協定是一種雙線序列連接，可讓多個端點與一個或多個控制器進行通訊。與 I2C 有許多共同點 (包括半雙工)
- 與 I2C 標準相比，I3C 標準的一項重大改進就是制訂一種訊號協定，能讓同一個匯流排上的多個晶片控制匯流排通訊，並達到更低的功耗和更高的數據傳輸率
- I3C 匯流排的數據傳輸率介於傳統 I2C 數據傳輸率的 400Kbit/s 到三元模式的 33 Mbit/s，但 12.5 Mbit/s 的標準數據傳輸率 (SDR) 也很常見
序列週邊介面 (SPI)
- 序列週邊介面 (SPI) 協定是一種三線或更多線的匯流排連接，能讓許多不同的端點與一個集中式控制器 IC 進行通訊。
- SPI 連接屬於全雙工的同步序列連接，需要來自中央控制器的同步時脈訊號，且 SPI 網路上的所有參與者都會共用此訊號，以便達到更高速的雙向數據傳輸。當來源與接收 IC 彼此靠近時，例如在同一張電路板內，就可達到最高 60 Mbps 的速率。
- SPI 的缺點在於，若要在同一個匯流排上添加更多端點，就要有更多可用的 I/O 引腳當作晶片選擇引腳，也要與控制器 IC 建立更多的有線連接，因此會讓現有網路的擴充有所難度。
通用型非同步接收器／發射器 (UART)
- 通用型非同步接收器發射器 (UART) 是一種雙向非同步序列連接，通常在硬體中實作，可以設置為單工、半雙工或全雙工數據傳輸，且數據會依據最低到最高的順序，逐一以個別位元的方式傳送。
- 因為沒有共用的時脈訊號來控制數據的計時和傳送，UART 需依賴 UART 數據訊框的開始和停止位元來發出何時該開始和停止傳輸的訊號。
- 與現代網路作法相比，UART 的數據傳輸速度通常較慢，往往以一對一通訊的方式連接，而且所有的數據傳輸變數 (如取樣率、流量控制、數據訊框大小和電壓位準等) 都必須先經過同意，才可建立連接。
- 大多數現代微控制器裝置通常具有多組 UART 電路，因此能讓多個 UART 連接通訊在多個裝置上運作。
UART、SPI、I2C 和 I3C 的比較
UART 和 SPI 通訊協定的比較
I2C 和 I3C 通訊協定的比較
如何透過 1-Wire 通訊有效連接 IoT 端點中的感測器
透過 Maxim Integrated 的 1-Wire 通訊協定橋接控制器，開發人員即可傳輸電力與數據至最遠 100 公尺外的 SPI 與 I2C 周邊裝置。
通訊生態系統
這些連接器能讓原型設計更輕鬆快速。能讓含有感測器的解決方案在更短的時間內開始運作，且無需焊錫。
SparkFun QWiiC 連接
- 無需焊錫就可連接 I2C 裝置的快速系統
- 也可簡化配置，因此數據與時脈線路就不會反轉
- 可從父系裝置以菊鏈方式連接超過 100 多個子裝置
- 僅有 3.3 V 訊號
- 非標準板件尺寸
SparkFun QWiiC 連接生態系統範例Adafruit STEMMA QT 連接
- 此快速原型系統採用插頭標準，可省去或縮短接線和焊錫的時間
- 相容的感測器平台可針對 3.3V 和 5V 進行電壓位準轉換
- I2C 通訊
- 相容於 Sparkfun QWiiC
- 相容於 Seeed Grove (透過配接器)
Adafruit 感測器具有兩個STEMMA QT 插槽Seeed Grove
- 允許以隨插即用方式添加週邊裝置／模組
- 相容於許多不同的微控制器平台，如 Arduino、NodeMCU 和 Raspberry Pi
- 用於感測器模組／板件的一組固定板尺寸
- 4 腳位連接器和 4 根導線電纜
- 通訊能以類比、I2C 和 UART 方式進行
- Grove 擴充板會堆疊在開發板頂端，可提供一組容易取用的連接器
Arduino 用的 Grove 架構擴充板
使用 Seeed 的 LoRa-E5 模組為 LoRaWAN 網路開發風速/風向感測器
這專案涵蓋了開發基於 Seeed LoRa-E5 的 Arduino 風速/方向感測器的過程，並將其安裝在能夠連接到 DigiKey 公司總部大樓屋頂氣象平台的戶外外殼中。
環境感測器
溫度和濕度等環境因素會影響建築物和電子元件的使用壽命。暖通空調 (HVAC) 系統的運作需仰賴完善的環境數據。
溫度感測器
溫度感測器可以測量周遭或遠方位置的熱量，並將該資料傳輸到系統。此效果的達成，是利用材料因應熱量時改變其物理和電氣特性來達成。
熱電偶 – 這是最常見的溫度感測器類型，因為其具有自供電本質，且在寬廣溫度範圍內具有快速反應時間。熱電偶是依照賽貝克效應的物理原理運作。當兩種不同的導體材料之間具有溫差時，接面會產生壓差，就可在放大後進行測量。
電阻溫度偵測器 (RTD) – 這種簡易的感測器，可測量金屬電阻隨溫度變化的改變。RTD 的反應速度通常比熱電偶慢，因此並不適合有快速變化的環境。
熱敏電阻 – 由聚合物或陶瓷材料製成，因此比 RTD 或熱電偶更便宜、更容易生產，但在穩定度和準確度上則有所犧牲。熱敏電阻通常具有更大的輸出訊號範圍 (因此需要的放大和濾波較少)。負溫度係數 (NTC) 熱敏電阻是最常見和應用最廣泛的熱敏電阻。若有 NTC，整個裝置上的電阻測量值會隨著溫度升高而降低。正溫度係數 (PTC) 熱敏電阻的電阻會隨著溫度升高而增加。通常，更適合用於過溫偵測等應用中的臨界值感測。
積體電路 (IC) – 此裝置可以具有多層邏輯，包括數據處理，有助於這些裝置在測量中達到更高的線性度。此外，IC 可在裝置內納入臨界值監測或警示功能，因此可在設計中減少所需的裝置數量。
溫度感測器的類型與設計技巧
溫度感測器是一種用來測量環境或物體溫度的元件，它們在各種應用中都扮演著重要的角色，從家用電器到工業控制系統都有廣泛應用，還可用於工業生產中的負責監控各種設備儀器，即時監測溫度的變化。
水氣與濕度感測器
濕度是空氣中水蒸氣含量的測量值。這會對人體健康和機器效能造成影響。高濕度會導致發霉和黴菌滋生。此外，高濕度也會導致腐蝕和電氣短路。低濕度則對人體健康有不良影響，且會讓電子電路的靜電放電 (ESD) 機率提高。濕度能以相對濕度 (RH) 來表示，這是一種百分比，可表示當前的水蒸氣相對於指定溫度下發生冷凝之前可能存在的水蒸氣量。絕對濕度則是空氣中水蒸氣的百分比。
以下列出濕度感測器的運作方式：
電容式 – 運作方式是基於電介質依據周圍環境吸收和釋放水分，就可測量隨之改變的電容值。這是最常見的濕度感測器類型，因為其在時間推移下的成本、維護花費與線性度都較低。可測量相對濕度。
電阻式 – 通常有兩個由非金屬層隔開的導電材料區域。由於此非金屬層會從周遭空氣中吸收水份，因此電阻會降低，進而讓更多的電流在兩個導電區域之間通過。可測量相對濕度。
熱量式 – 由兩個均勻匹配的熱敏電阻組成，一個暴露在空氣中，另一個暴露在密封容器中。當裸露的熱敏電阻遇到潮濕的空氣時，電阻測量值就會改變。兩個熱敏電阻之間的電阻差會與絕對濕度成正比。
濕度感測器的類型與設計技巧
濕度是指空氣中水蒸氣的含量，通常以相對濕度的百分比表示，濕度的高低對於人類生活與電子產品的運作都會造成影響，因此用於感測空氣中濕度變化的濕度感測器，來進行濕度控制與監測。
XBee3 無線 Micropython 平台與 TE Connectivity 的天氣擴充板
TE Connectivity 的天氣擴充板搭配 Digi International 的 Micropython 功能 XBee3 無線模組，構成絕佳的無線感測器原型開發平台。
壓力感測器
壓力感測器可偵測單位面積上是否有力量或力量變化。可針對水、油或其他化學品等液體，以及我們呼吸的空氣等氣體進行測量。
壓力感測器的主要運作方法是測量壓電效應所產生的電壓變化。壓電效應是指特定實體材料 (如石英晶體、陶瓷和金屬合金) 在受到機械應力時產生電荷的一種特性。
壓力的測量方式有好幾種，並可以公制和英制系統表示。挑選感測器時，請確保最終選擇可與系統中的其他感測器相容。
壓力單位：
- 帕斯卡：公製測量單位，定義為每平方公尺 1 牛頓力
- 巴：個人可能承受的壓力程度，定義為 100,000 帕斯卡，略低於海平面的正常大氣壓力 (1.013 巴)
- 每平方英寸磅 (PSI)：較常見於美洲與英制系統國家。
壓力感測器的類型：
計示型 – 以參照當地一般大氣壓力的方式測量壓力。這些感測器有一個開口朝一般環境的通風孔，可當作感測器的基準。任何壓力測量值都僅參照當地條件。
絕對型 – 以相對於絕對真空或零壓力的方式測量壓力。使用零壓力的真空當作測量基準，無論條件如何，使用該基準的所有測量值都是相同的。如此就可在各種工作條件下取得穩定和一致的結果。更可讓這些感測器成為海拔和深度測量時 (包括室內導航) 的優異選擇。
差壓式 – 測量兩個不同壓力之間的差異，各連接到感測器刻度線的不同側。這類壓力感測器通常用於需要測量氣體或液體流速的系統，可用於偵測系統是否發生堵塞或洩漏。
壓力換算器
使用 DigiKey 的壓力量測值換算器從 psi 轉換成 bar、kgf/cm2 至 psi、bar 至 kgf/cm2，並可換算其他單位，例如 pa、mm H2O 和 inch H2O。
氣體感測器
氣體感測器可以識別不同類型的氣態化學品。通常，這些感測器可以在有毒或爆炸性濃度到達有害程度前就先偵測到，但最近，智慧家庭與大樓的設計已經納入氣體感測器，並著重在人體健康和舒適度。
電子氣體感測器最常見的偵測目標氣體類型是一氧化碳、二氧化碳、揮發性有機化合物 (VOC)、氧氣和氫氣。有時，氣體感測器會使用較通俗的「空氣品質」一詞，當中包含二氧化碳、VOC 和微粒測量，但在此情況下，最好參考規格書。
氣體感測器最常見的運作方式是基於金屬氧化物半導體。其運作方式是將加熱的化學電阻器表面暴露在空氣中，讓氣體與表面互相作用。隨著更多目標氣體與氣體感測層接觸，表面的電阻值會改變，進而讓電路偵測周圍環境的變化。
氣體感測器的另一種運作方式是利用非色散紅外線 (NDIR)。此類型感測器的運作方式是將紅外線光束引導到暴露在大氣氣體中的管子。遭吸收的紅外線光束頻率，有助於指出是否有目標氣體。
為 Renesas ZMOD4510 室外空氣品質感測器配備 Machinechat
本專案設定 Arduino MKRWIFI1010 板，從 Renesas ZMOD4510 感測器讀取臭氧（O3）和相關的空氣品質指數（AQI），並使用 WiFi 將 O3 和 AQI 資料 HTTP POST 傳到 machinechat 的 JEDI One 物聯網資料平台。
方向和存在感測器
這些感測器可偵測物體、動作並判定系統的方向。自動駕駛機器人就是運用這些感測器的相關系統範例之一，其需要一系列方向和存在感測器，以避免碰撞並安全地在廠區內導航。
運動感測器
加速度計 – 速度 (公尺／秒) 是位置變化的速率，加速度 (公尺／秒2) 是速度的變化速率。另一種思考方式是，速度是汽車行駛有多快，加速度則是汽車有多快改變速度。加速度和速度不僅適用於單向移動的汽車，也適用於轉彎 (方向改變)。因此，加速度計是可以測量系統振動或加速度的感測器。目前許多加速度計都採用三軸架構，這表示可以測量 X、Y 和 Z 維度的加速度。大多數電子加速度計都運行微機電系統 (MEMS)，可測量壓電材料在應力下所引起的電容值或電壓變化。
光學式運動感測器 – 可以使用光 (通常是紅外線輻射) 來偵測運動；有些感測器可以判定運動的方向。被動式紅外線 (PIR) 感測器可以偵測照射到感測器的紅外線量有何變化。這些感測器通常用於安全偵測或自動照明，當有人進入房間時會有所反應。熱電感測器r經過調諧，可以拾取與熱量相關的紅外線輻射。熱電感測器可用於感測火焰，也可用於人體熱成像。
陀螺儀 – 此裝置可測量旋轉的變化。陀螺儀可以感測角速度或轉彎率的變化，並以以度／秒為測量單位。此感測器的目標是提供回饋，以便系統 (如飛機) 可以判定變化率和平衡率。具有微機電系統 (MEMS) 感測功能的電子陀螺儀因體積小、功耗低和精準度高而廣受歡迎。
慣性量測單元 (IMU) – 此電子裝置可以測量全部三個運動軸上的加速度、方向和角度轉彎率。這些裝置是以不同感測器類型的多軸組合而成，通常會在同一個封裝中納入加速度計、陀螺儀和磁力計。
光學感測器
光學感測器 (也稱為光電感測器)是利用光學特性偵測物體的裝置。不同於其他只能偵測具有特定金屬或導電材料成分之物體的感測器，光學感測器能夠偵測多種材料，例如塑膠、玻璃、木材和金屬。通常，光學感測器具有兩個主要元件：發射器 (通常是可以朝一個方向投射光束的 LED) 與接收器 (電路中的光電電晶體，能對光量變化進行反應)。
對射式感測器 – 一對個別裝置，包括一個發射器單元，可將光束投射出去，以及一個接收器，負責接收光束。當物體穿過光束時，會中斷光線路徑，因此會減少或阻擋來自接收單元的光束。接著，接收單元的光量變化就可觸發輸出電路。此感測器有個常見的實例就是車庫門開啟系統上的安全樑。
來源：
復歸反射式感測器 – 與對射式感測器類似，但發射器和接收器並非裝入兩個獨立的單元中，而是都位於同一個外罩中。來自發射器元件的光會向外投射到反射器，再由反射器將光反射回接收器元件。當物體穿過光束時，接收器上的光量會減少。
來源：
漫反射式感測器 – 發射器和接收器位於同一封裝中，但與反射式感測器不同的是，當光線從目標物體反射回接收器元件時，漫反射式感測器會觸發。如果目標物體可以將一些光線返回感測器，就會觸發，因此在物體路徑和方向層面上非常靈活。
來源：
接近感測器
接近感測器無需實際接觸物體，就可判定物體是否存在或其距離。其運作方式有許多種，有些感測器會偵測目標物的物理特性，有些則是感測環境。
電感式接近感測器 – 偵測是否有導電性 (即金屬) 物體，且其感測範圍取決於受偵測金屬的類型。這些感測器是透過在高頻下不斷改變極性的磁場來運作。當導電金屬目標物穿過感測器產生的磁場時，目標物中會產生渦流。此渦流會產生一個相反的磁場，進而破壞感測器的磁場，而此變化就會觸發輸出電路。
超音波接近感測器 – 此感測器會發射高頻音波脈衝，其頻率範圍高於人類的聽覺範圍。測量反射音波從目標物體反彈並返回接收感測器的時間，就可判定離目標物的距離。
電容式接近感測器 – 可以偵測多種型式的金屬與非金屬目標物質，例如粉末、顆粒、液體和固體等。這些感測器與電感式感測器非常相似，但運作上並非測量金屬物體的電感特性，而是測量電容值的變化。感應板可當作電容的一半，目標物當作另一半，藉此偵測電容值的變化，因為電容值會隨著實體距離或成分而變化。
中國香港