数据采集：物联网产品经理入门

物联网的关键属性之一是它能够测量物理信号以更好地了解我们周围的世界。这是一个非常重要的话题，产品经理应该很好地掌握。在这篇博文中，我将介绍数据采集领域以及 PM 需要了解的关键参数。

获取真实世界信号或数据获取的过程对于大多数 PM 来说是一个谜，尤其是在您没有接触过硬件的情况下。但是，您对端到端物联网产品的工作原理了解得越多，您就能够与工程团队进行更明智的对话。

请记住，目标不是成为技术专家或决定您的工程团队应该用于构建产品的技术。目标是了解技术背景，以便您可以加入工程对话并添加业务和用户视角。

在上一篇文章中，我写了每个 IoT 设备中包含的 4 个关键硬件组件。在这篇博文中，我将深入研究这些组件之一：数据采集模块。

Data Acquisition Module 的作用是从现实世界中获取物理信号，并将其转换为计算机可以操作的数字信息。

实际信号有两种主要类型：离散信号和模拟信号。为了让您开始，在这篇文章中，我将只关注模拟信号。

什么是模拟信号？

模拟信号被定义为随时间变化其幅度或频率的连续信号。这些变化是响应于他们测量的物理现象的变化而发生的。例如，下图显示温度随时间波动。

现在您已经熟悉了模拟信号，让我们来谈谈获取或“数字化”这些信号所需的硬件和过程。

数据采集​​的工程方面会变得非常复杂。从 PM 的角度来看，我将重点介绍数据采集过程的这些组件：

1. 您想测量什么样的真实信号？
2. 了解传感器
3. 信号调理
4. 模数转换工作
5. 数据解读

1. 您想测量什么样的真实信号？

在开始规划硬件路线图之前，您需要了解要测量的物理信号类型。物理信号的例子包括：

• 温度
• 声音
• 湿度
• 振动
• 光
• 压力
• 等

请注意，我并没有直接选择传感器。传感器是一种技术组件，可提供达到目的的手段。首先，重要的是要了解您需要测量什么类型的信号，并充分了解您计划如何使用这些信息。

一旦确定了所需的信号类型，在与团队合作选择合适的传感器之前，您需要研究一些额外的参数。以下是您需要回答的一些关键问题：

您要测量的确切信号类型是什么？

仅仅说你想测量“气体”是不够的。哪种气体？氧？二氧化碳？您要测量有关气体的哪些信息？流动？温度？每平方英寸的颗粒数？要具体，以便您的工程团队可以选择最适合工作的传感器。

信号变化有多快？

假设您需要测量温度。根据您的应用，相同的物理现象（在这种情况下是温度）可以非常缓慢地变化（即房间内的环境温度），也可以非常快地变化（即发动机内部的温度）。

了解您的信号变化（变化率）的速度将帮助您的团队选择能够跟上您想要测量的信号的传感器和转换器。

您需要测量的信号范围是多少？

例如，如果您正在测量室温，那么具有 0-40 摄氏度范围的传感器就足够了。另一方面，如果您要测量熔炉内的温度，那么您可能需要范围在数千摄氏度的传感器。再说一次，您越具体，就越能授权您的工程团队做出正确的决策。

2.了解传感器

有数百个传感器，这使您可以非常灵活地为要测量的实际信号选择合适的传感器。但是传感器是如何工作的？

所有模拟传感器都会产生一个电信号（电压或电流），代表您要测量的现实世界信号的变化。随着现实世界的信号随时间变化，传感器将产生准确代表这些变化的电信号。

3.什么是信号调理？

每种类型的传感器产生不同水平的电压或电流输出。通常，传感器的输出与模数转换器 (ADC) 所需的输入范围不兼容。或者，您的设备硬件可能安装在有大量电磁噪声的地方，您需要一种方法来清除该信号，然后再将其传递给 ADC。

信号调理是指操纵传感器输出的过程，以便它可以被 ADC 消耗。最常见的信号调理形式是：

• 直流偏移
• 放大
• 衰减
• 过滤

许多供应商都有信号调节产品，您可以将其添加到设备硬件中，以确保来自传感器的信号已准备好进行处理。这些产品范围从单个芯片到用于专门应用的完整硬件模块。与您的工程团队合作，确定最适合您的应用的方法。

4.模数转换 (ADC)

您的设备硬件需要对来自传感器的信号进行数字化处理，然后计算机才能使用该数据。这个过程就是调用模数转换。

模数转换是一个非常深入的话题，所以在这篇文章中，我将只关注产品经理需要知道的最重要的参数。

模数转换器 (ADC) 是一种硬件（通常是芯片），它通过不断地对信号进行单独采样来将信号数字化。

模数转换器需要考虑的关键参数是采样率和分辨率。

采样率

采样率是指 ADC 对模拟信号进行采样的频率。为了准确再现模拟信号的频率内容，ADC 的采样速度至少需要是信号最高频率的两倍。这是基于奈奎斯特频率。

如果您不仅要再现频率内容，还要再现时域中信号的形状和幅度，则 ADC 需要以更高的速率进行采样。工程经验法则是对该原始信号频率的 10 倍进行采样。这意味着，如果您的信号频率为 100 Hz（每秒 100 个周期），那么您的转换器需要以 1,000 Hz 进行采样。

下图显示了对模拟信号进行慢速采样与快速采样的结果。

分辨率

分辨率是指您希望准确度的细化程度。分辨率由 ADC 用来表示每个样本的位数指定。例如，您可以使用 2 位 ADC、4 位、8 位、24 位等。2 位 ADC 可以注册 4 个值 (2^2 =4)。一个 4 位 ADC 可以测量 16 个值（2^4 =16）等等。每个样本的位数越多，您的测量分辨率就越高。

让我们看一个例子。假设您有一个热电偶（温度传感器），可以测量 0 到 96 摄氏度之间的温度变化。如果您使用 4 位 ADC，那么您有 16 个可能的值 (2^4 =16) 来表示传感器的完整范围。 ADC输出0对应0度，ADC输出15对应96度。

如果将测量范围除以 ADC 值的数量，您将得到可以测量的最小步长。在这种情况下，步长为 6 (96/16 =6)。这意味着您可以使用该 ADC 记录的最小温度变化为 6 度。

现在考虑使用 8 位 ADC 的相同示例。如果我们将传感器的整个范围（96 摄氏度）除以 256 的 ADC 分辨率（2^8 =256），结果为 0.375 (96 / 256 =0.375)，这意味着使用 8 位 ADC，您d 能分辨小到 0.375 度的温度变化！

从 PM 的角度来看，一个关键的结论是采样率和分辨率的组合决定了您的设备产生的数据量。例如，如果您有一个 24 位 ADC 并且您以 200 kHz 采样（是的，每秒 200,000 个样本），那么您将在这个传感器中每秒产生 600kB 的数据。这是您需要在边缘处理的数据，可能传输到云端、存储、备份等。

现在您知道如何执行这些计算，您可以估计您的产品每天/每月/每年将产生多少原始数据。请注意，机器几乎可以立即产生大量数据。请注意这些计算，以便您了解它们如何影响物联网技术堆栈的其他领域以及业务和安全等其他决策领域。

5.解读

现在您有了数字化信号，您需要应用一些转换来理解该数据。请记住，传感器的输出只是一个与其所测量的物理现象的变化相关的数字。

回到温度示例，热电偶不会以摄氏度或华氏度返回值。它只返回一个数字，您需要将其转换为对人类有意义的单位。这个过程叫做解释。

请记住，每个传感器都是不同的。传感器的制造商会为您提供将原始值转换为可用单位的公式。

在解释过程中，将元数据附加到传感器测量值也很常见。一些元数据可能包括：

• 时间戳（添加到每个 ADC 样本以创建时间序列）
• 传感器 ID
• 位置 ID
• 设备 ID
• 等

底线

数据采集​​是每个物联网产品的关键组成部分。这是一门深奥而复杂的学科，您无需成为专家。作为 PM，您的目标是了解技术的工作原理以及各个部分如何组合在一起，以便与工程师进行富有成效的对话。

您的重点不应该放在数据获取过程本身上，而应该放在数据策略的要素上，包括您将生成多少数据、您传输多少数据，更重要的是，您将如何通过此为客户提供价值数据。