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IoT-For-Beginners 第 3 课：用传感器与执行器与物理世界交互——从模拟/数字信号原理到智能夜灯实战

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导读

本篇文章对应 IoT-For-Beginners 课程体系中《入门》模块的第 3 课，核心主题是 IoT 设备如何与物理世界交互：**传感器（sensors）**负责把物理世界的温度、光照、运动等信息转换为电信号交给设备，执行器（actuators）则把设备发出的电信号转换成发光、发声、转动等物理动作。文章会先讲清传感器与执行器的分类与底层电学原理（模拟/数字、ADC/DAC、PWM），随后带你走完一个完整实战：给设备接入光线传感器和 LED，构建一个根据环境光照自动亮灭的智能夜灯。读完本文，你将理解传感器/执行器的电气工作方式，并能在 Wio Terminal、Raspberry Pi 和虚拟设备三种硬件路径上完成可运行的夜灯程序。

本文主体内容来自 translations/cs/1-getting-started/lessons/3-sensors-and-actuators/README.md，并辅以该课目录下的硬件操作指南与示例代码（code-sensor/、code-actuator/）进行深化说明。

什么是传感器？

传感器（sensor）是感知物理世界的硬件设备——它测量周围环境的一项或多项属性，并把信息发送给 IoT 设备。由于可测量的对象极多（从空气温度这类自然属性，到运动这类物理交互），传感器的种类非常庞大。

常见传感器包括：

所有传感器的共同点是：把感知到的物理量转换为能被 IoT 设备解释的电信号。这个电信号如何被解释，取决于传感器本身，也取决于它与 IoT 设备通信所用的通信协议（本课程后续会介绍 I²C、SPI、UART 等协议）。

实战：把传感器接入设备

本课提供了三条硬件路径的接入指南，你可以按自己的设备选择：

• Arduino 平台（Wio Terminal）：wio-terminal-sensor.md
• 单板计算机（Raspberry Pi）：pi-sensor.md
• 单板计算机（虚拟设备 CounterFit）：virtual-device-sensor.md

三条路径使用的都是光线传感器：物理硬件上它是一个基于 [photodiode]（光电二极管）的模拟传感器，输出一个 0～1023 的整数值来表示相对光照量（不映射到 lux 等标准单位）。三条路径的核心代码完全一致，只是导入的库不同（真实 Grove 库 vs CounterFit shim 库），下面会逐一展开。

传感器类型：模拟 vs 数字

传感器分为**模拟（analog）和数字（digital）**两大类。

模拟传感器

最基础的传感器大多是模拟传感器：IoT 设备向传感器送入一个电压，传感器内部元件调整这个电压，然后测量传感器返回的电压来得到传感器数值。

**背景知识：电压（Voltage）**是衡量"推动"电荷从一处移到另一处（如从电池正极到负极）的力的大小。标准 AA 电池为 1.5V（V 是伏特的符号）。不同电气元件需要不同电压：LED 在 2～3V 即可点亮，而 100W 白炽灯泡需要 240V。

**电位器（potentiometer）**是一个典型例子：它是一个可以在两个位置之间旋转的旋钮，传感器测量旋转角度。

IoT 设备向电位器发送一个电压信号，例如 5V。当电位器被调节时，它改变另一侧输出的电压。想象一个从 0 到 11 的旋钮（类似放大器上的音量旋钮）：当电位器处于完全关闭位置（0）时，输出 0V；处于完全打开位置（11）时，输出 5V。返回的电压被 IoT 设备读取后，设备即可据此作出响应。

取决于传感器类型，输出电压可能是任意值，也可能映射到标准单位。例如基于**热敏电阻（thermistor）**的模拟温度传感器，其电阻随温度变化，输出端电压可以在代码里通过计算转换为开尔文（Kelvin），再换算成 °C 或 °F。

⚠️思考题：如果传感器返回的电压比发送的电压更高（例如来自外部电源），会发生什么？⛔️ 切勿实际测试！

模拟到数字的转换（ADC）

IoT 设备本质上是数字设备——只能处理 0 和 1，无法直接处理模拟值。因此，模拟传感器的数值必须先转换为数字信号才能被处理。许多 IoT 设备内置模数转换器（ADC，analog-to-digital converter）；传感器也可以通过**连接板（connector board）**上的 ADC 工作。例如在 Seeed Grove 生态系统中，Raspberry Pi 上的模拟传感器连接到安装在 Pi 上方、与 GPIO 引脚相连的"hat"板上的特定端口，该 hat 内置 ADC，把电压转换为可从 Pi 的 GPIO 引脚输出的数字信号。

具体换算过程举例：假设你有一个连接到 3.3V 设备的模拟光线传感器，它返回 1V。这个 1V 在数字世界没有意义，需要转换。电压会根据设备和传感器按一定刻度换算为模拟值。以 Seeed Grove 光线传感器为例，它输出 0～1023 的值；在 3.3V 供电下，1V 输出对应数值300。IoT 设备无法把 300 当作模拟值处理，因此该值会被 Grove hat 转换为0000000100101100（300 的二进制表示），再交给 IoT 设备处理。

从编程角度看，这类转换通常由传感器附带的库完成，你无需自己处理：Grove 光线传感器在 Python 里调用light属性，在 Arduino 里调用analogRead，就能直接拿到 300 这个数值。

数字传感器

数字传感器和模拟传感器一样，通过电压变化感知周围世界，区别在于它们输出数字信号：要么只测量两种状态，要么内置 ADC 自行完成转换。数字传感器越来越普及，正是为了省去在连接板或 IoT 设备上使用 ADC 的需求。

最简单的数字传感器是按钮/开关——一个只有开、关两种状态的传感器。

IoT 设备上的 GPIO 引脚可以直接把这种信号读成 0 或 1：如果返回电压与发送电压相同，读到的值是 1，否则是 0。信号无需转换，它只能是 0 或 1：

• 3.3V 进入按钮，按钮断开 → 输出 0V → 读到值 0
• 3.3V 进入按钮，按钮闭合 → 输出 3.3V → 读到值 1

💁关于电压容差：电压永远不会完全精确，因为传感器内部元件存在电阻，所以通常有容差范围。例如 Raspberry Pi 的 GPIO 引脚工作在 3.3V，把高于 1.8V 的返回信号读为 1，低于 1.8V 读为 0。

更高级的数字传感器会读取模拟值，再用板载 ADC转换为数字信号。例如数字温度传感器同样使用热电偶、同样测量当前温度下热电偶电阻引起的电压变化，但它不返回模拟值、也不依赖设备或连接板做转换，而是由传感器内置的 ADC 完成转换，并以一串 0 和 1 发送给 IoT 设备——发送方式与按钮的数字信号完全一致（1 表示满电压，0 表示 0V）。

发送数字数据还让传感器可以做更复杂的事：发送更详细的数据，甚至为安全传感器发送加密数据。摄像头就是一个例子——它捕捉图像并作为包含该图像的数字数据（通常是 JPEG 等压缩格式）发送给 IoT 设备，甚至可以逐帧发送完整图像或压缩视频流，实现视频流传输。

什么是执行器？

执行器（actuator）是传感器的"反义词"——它们把 IoT 设备的电信号转换为与物理世界的交互，例如发光、发声或驱动电机转动。

常见执行器包括：

实战：用执行器构建智能夜灯

这一步要做的是：用光线传感器收集光照水平，用执行器（LED）在检测到光照过低时发光，组装成一个 IoT 夜灯。逻辑用伪代码表示为：

检查光照水平。 如果光照小于 300 打开 LED 否则 关闭 LED

按以下指南接入执行器：

• Arduino（Wio Terminal）：wio-terminal-actuator.md
• 单板计算机（Raspberry Pi）：pi-actuator.md
• 单板计算机（虚拟设备 CounterFit）：virtual-device-actuator.md

执行器类型：模拟 vs 数字

与传感器一样，执行器也分为模拟与数字两大类。

模拟执行器

模拟执行器接收模拟信号并将其转换为某种交互，交互强度随供给电压变化。典型例子是可调光灯泡——供给灯泡的电压大小决定亮度。

和传感器的情况一样，真正的 IoT 设备工作在数字信号上。要发送模拟信号，IoT 设备需要数模转换器（DAC，digital-to-analog converter）——可以内置在设备上，也可以在连接板上。DAC 把 IoT 设备的 0 和 1 转换为执行器可用的模拟电压。

⚠️思考题：如果 IoT 设备发送的执行器电压超过其承受能力，会发生什么？⛔️ 切勿实际测试！

脉冲宽度调制（PWM）

另一种把 IoT 设备数字信号转换为模拟信号的方法是脉冲宽度调制（PWM，pulse-width modulation）：发送大量短促的数字脉冲，使其表现得像模拟信号。以用 PWM 控制电机转速为例：

假设用 5V 电源控制一个电机：向电机发送一个短脉冲，把电压切换到高电平（5V）并保持 0.02 秒，这段时间内电机可旋转十分之一圈（36°）；然后暂停 0.02 秒，发送低电平（0V）。每个"开+关"周期持续 0.04s，随后循环重复。

这意味着每秒有 25 个 0.02s 的 5V 脉冲驱动电机旋转，每个脉冲后跟 0.02s 的 0V 暂停。每个脉冲让电机转十分之一圈，因此电机每秒完成 2.5 圈——你用一个数字信号就让电机以每秒 2.5 圈、即 **150 转/分（rpm）**的速度旋转：

25 pulses per second x 0.1 rotations per pulse = 2.5 rotations per second 2.5 rotations per second x 60 seconds in a minute = 150rpm

🎓 当 PWM 信号一半时间开启、一半时间关闭时，称为50% 占空比（duty cycle）。占空比以信号处于开启状态的时间百分比来衡量。

改变脉冲宽度即可改变电机转速：保持同样的 0.04s 周期，把开启脉冲缩短一半（0.01s），关闭脉冲延长到 0.03s。每秒脉冲数（25）不变，但每个开启脉冲只有原来一半长，每次只转二十分之一圈，于是电机每秒完成 1.25 圈，即75 rpm——通过改变数字信号的脉冲宽度，你把模拟电机的速度降为一半：

25 pulses per second x 0.05 rotations per pulse = 1.25 rotations per second 1.25 rotations per second x 60 seconds in a minute = 75rpm

✅思考题：尤其在低速时，如何让电机转动保持平滑？是用少量长脉冲配长暂停，还是用大量极短脉冲配极短暂停？

💁 补充：一些传感器也会用 PWM 把模拟信号转换为数字信号。

数字执行器

数字执行器与数字传感器类似：要么只有两个状态（由高/低电压控制），要么内置 DAC，能把数字信号转换为模拟信号。

最简单的数字执行器就是 LED：设备发送数字信号 1 时输出高电压点亮 LED，发送数字信号 0 时电压降到 0V、LED 熄灭。

✅思考题：还能想到哪些简单的两状态执行器？例如螺线管（solenoid）——一种电磁体，通电后可以移动门闩实现门的上锁/开锁。

更高级的数字执行器（如屏幕）要求数字数据按特定格式发送，通常附带库来简化发送正确控制数据的过程。

三平台夜灯完整代码实现

下面给出三条硬件路径的完整夜灯代码（结合光线传感器阈值 300 与 LED 控制），全部来自仓库code-sensor/与code-actuator/目录。

Wio Terminal（Arduino / PlatformIO）

Wio Terminal 的光线传感器内置在设备背面、透过透明塑料窗可见，直接使用引脚WIO_LIGHT即可。在setup中把WIO_LIGHT配置为INPUT，把右侧 Grove 插座对应的数字引脚D0配置为OUTPUT（右侧 Grove 插座支持模拟和数字传感器/执行器；左侧插座仅用于 I²C 与数字设备）：

#include <Arduino.h> void setup() { Serial.begin(9600); while (!Serial) ; // Wait for Serial to be ready delay(1000); pinMode(WIO_LIGHT, INPUT); pinMode(D0, OUTPUT); } void loop() { int light = analogRead(WIO_LIGHT); Serial.print("Light value: "); Serial.println(light); if (light < 300) { digitalWrite(D0, HIGH); } else { digitalWrite(D0, LOW); } delay(1000); }

代码要点：

• analogRead(WIO_LIGHT)从板载光线传感器读取 0～1023 的模拟值；
• 光照小于 300 时，digitalWrite(D0, HIGH)向D0写高电平（值为 1）点亮 LED；光照 ≥ 300 时写LOW（值为 0）熄灭 LED；
• 向执行器发送数字值时，LOW是 0V，HIGH是设备最大电压——Wio Terminal 的高电平为3.3V；
• delay(1000)让程序每秒采样一次，光照无需连续检查，降低功耗。

完整源码位于 code-actuator/wio-terminal/nightlight/src/main.cpp，对应传感器版在 code-sensor/wio-terminal/nightlight/src/main.cpp。PlatformIO 工程配置见 platformio.ini：使用atmelsam平台、seeed_wio_terminal板卡与arduino框架。串口监视器（9600 波特率）会输出类似下面的光照读数，用手遮挡/移开传感器时数值随之变化：

--- Miniterm on /dev/cu.usbmodem101 9600,8,N,1 --- Light value: 4 Light value: 5 Light value: 4 Light value: 158 Light value: 343 Light value: 348 Light value: 344

Raspberry Pi（Grove Base hat + Python）

Grove 光线传感器通过 Grove 线缆连接到 Grove Base hat 的模拟插座 A0（GPIO 引脚旁一排插座中右数第二个）；Grove LED 模块连接到数字插座 D5。注意 LED 是二极管，电流只能单向导通，安装时较平的一侧为负极，应连接到模块靠中间一侧的孔位，圆侧引脚接标有+的孔位。

import time from grove.grove_light_sensor_v1_2 import GroveLightSensor from grove.grove_led import GroveLed light_sensor = GroveLightSensor(0) led = GroveLed(5) while True: light = light_sensor.light print('Light level:', light) if light < 300: led.on() else: led.off() time.sleep(1)

代码要点：

• GroveLightSensor(0)连接模拟引脚A0；GroveLed(5)连接数字引脚D5；
• 该 hat 上所有插座都有唯一引脚号：引脚 0、2、4、6 是模拟引脚，引脚 5、16、18、22、24、26 是数字引脚；
• light属性在 0～1023 刻度上读取当前光照；led.on()/led.off()分别发送数字值 1/0；
• Raspberry Pi 的数字高电平（1 值）同样是3.3V；
• 用python3 app.py运行后控制台输出示例：Light level: 634→Light level: 230→Light level: 104……遮住传感器时 LED 应点亮（若 LED 不亮，检查是否插反、亮度旋钮是否旋到最大）。

完整源码见 code-actuator/pi/nightlight/app.py，传感器版见 code-sensor/pi/nightlight/app.py。

虚拟设备（CounterFit）

没有实体硬件时，可在 CounterFit 应用中模拟同样的夜灯：在Sensors面板创建类型为Light、引脚为0的传感器；在Actuators面板创建类型为LED、引脚为5的执行器（可用颜色选择器修改 LED 颜色）。代码与 Raspberry Pi 版几乎一致，只是把库换成 CounterFit shim：

import time from counterfit_connection import CounterFitConnection from counterfit_shims_grove.grove_light_sensor_v1_2 import GroveLightSensor from counterfit_shims_grove.grove_led import GroveLed CounterFitConnection.init('127.0.0.1', 5000) light_sensor = GroveLightSensor(0) led = GroveLed(5) while True: light = light_sensor.light print('Light level:', light) if light < 300: led.on() else: led.off() time.sleep(1)

运行后在 CounterFit 中修改光照值（直接在Value输入数字后点Set，或勾选Random并设置Min/Max让传感器每次返回随机数），就能让 LED 在 300 阈值上下翻转。完整源码见 code-actuator/virtual-device/nightlight/app.py 与 code-sensor/virtual-device/nightlight/app.py。

挑战与课后作业

挑战：前两课要求你尽可能多地列出家中、学校或工作场所里的 IoT 设备，并判断它们是围绕微控制器（microcontroller）、单板计算机（single-board computer）还是两者混合构建的。现在请进一步思考：每个设备上连接了哪些传感器和执行器？每个传感器与执行器的用途是什么？

课后作业：深入研究传感器与执行器，详见 assignment.md。

小结

• 传感器把物理量转换为电信号，分为模拟与数字两类；模拟信号需要经 ADC（设备内置或连接板承载）转为 0/1 才能被 IoT 设备处理，数字传感器则直接输出两状态信号或通过板载 ADC 输出数字数据。
• 执行器把电信号转换为物理动作，同样分模拟与数字两类；模拟执行器需要 DAC 或PWM来由数字信号驱动，PWM 通过调整脉冲宽度（占空比）可以连续地控制电机转速等模拟量。
• 三条硬件路径（Wio Terminal、Raspberry Pi、CounterFit 虚拟设备）共享同一套夜灯逻辑：读取光照 → 与阈值 300 比较 → 控制 LED 开关，示例代码均可直接在仓库 code-sensor 与 code-actuator 目录中找到。

理解这些基础后，后续课程将在此基础上继续深入：连接互联网、搭建更完整的物联网应用（可继续浏览 2-farm、3-transport 等模块的实战项目）。

【免费下载链接】IoT-For-Beginners12 Weeks, 24 Lessons, IoT for All!项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/io/IoT-For-Beginners