掌控Python：物聯網實踐（簡體書）

目錄
第1章 認識物聯網
1.1 物聯網的框架 1
1.2 物聯網概念的形成 3
1.3 物聯網的應用領域 3
1.4 物聯網的典型應用 4
1.5 AIoT的概念 5
第2章 物聯網基礎
2.1 網絡通信方案 7
2.2 網絡通信協議 11
2.3 數據處理模塊 14
2.4 物聯網云平臺 19
第3章 基於網絡的簡單交互
3.1 連接網絡 25
3.2 網絡通信 29
3.3 以網頁形式反饋 33
3.4 基於網絡的交互 41
第4章 數據存儲與處理
4.1 文件操作 63
4.2 CSV文件 74
4.3 JSON 79
4.4 正則表達式 81
第5章 本地物聯網應用
5.1 安裝運行SIoT 88
5.2 MQTT協議原理 91
5.3 消息的發布和訂閱 93
5.4 利用掌控板發布和訂閱消息 99
第6章 網絡云平臺
6.1 OneNET平臺 107
6.2 通過OneNET平臺與掌控板交互 111
6.3 樂為物聯平臺 124
6.4 通過樂為物聯平臺與掌控板交互 129
第7章 基於微信交互
7.1 手機端小程序設置 140
7.2 小程序與掌控板交互 144
7.3 微信公眾號 153
第8章 智能花聯網
8.1 項目概述 161
8.2 傳感器使用 162
8.3 掌控板的廣播功能 169
8.4 連接網絡層 174
8.5 小程序界面設置 182

第1章 認識物聯網
物聯網（The Internet of Things，簡稱IoT）是在互聯網技術的基礎上結合傳感器技術和通信技術發展起來的。簡單來說，物聯網是由各種信息傳感設備與互聯網結合起來形成的一個巨大網絡，它讓所有能夠被獨立尋址的普通物理物件形成互聯互通的網絡。
物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，又被稱為泛互聯，可以理解為“物聯網就是物物相連的互聯網”。這裡有兩層意思：第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信。
物聯網的理念是信息化時代的重要發展階段，它徹底改變了人與物理世界的交互方式，實現了人與機器或電子設備之間的信息交流，甚至實現了機器與機器之間的信息交流（M2M）。
1.1 物聯網的框架
物聯網與其他網絡一樣，也有其基本的框架，大體來說，物聯網由終端層、網絡層和應用層三大部分組成，如圖1.1所示。
圖1.1 物聯網的基本框架
1.1.1 終端層
終端層又稱為感知層，主要是指用於采集數據信息和執行實際控制的各種終端。對於人類而言，我們是使用五官和皮膚，通過視覺、味覺、嗅覺、聽覺和觸覺來感知外部世界。而終端層則是通過各種傳感器來獲取環境及自身的數據信息。
另外，終端層通常還包含一個小的數據處理模塊，這個模塊會對傳感器的數據進行簡單處理，同時還有可能承擔近距離通信的功能。
1.1.2 網絡層
在成功獲取了傳感器的信息之後，就需要將這些數據發送出去並對數據進行存儲，這個工作就是在網絡層進行的。
網絡層又稱為網絡傳輸層，主要是指對終端層各種數據的傳輸以及不同網絡通信協議之間的加密解密、中轉及適配。幾乎任何一個物聯網應用都會處理大量的數據，網絡層的硬件載體就是各種服務器和數據存儲器，這些硬件需要能夠同時承載數以十萬計的同步網絡數據傳輸以及超大量的數據存儲問題。同時服務器還需要考慮安全性、可維護性、不間斷服務能力等問題。
1.1.3 應用層
應用層主要是指對數據的處理。在應用層會編寫大量的數據處理程序對數據進行分析、組合、匯總及挖掘，讓有用的數據以便於接受的形式表現出來，從而實現對物理世界的實時控制、精確管理和科學決策。
正是因為有了應用層對數據的不同處理方式，我們才能看到物聯網在不同領域發揮著不同作用。比如智能電網中的遠程抄表、高速公路的不停車自動繳費系統、智能家居中的遠程家電控制等。
由於不同的行業對數據的應用需求是不一樣的，所以，在開發應用層時通常會先聘請專業人士對項目進行梳理，通過對工程目標的分析，確定需要的數據種類、數據類型以及數據精度。
當然光有應用層還不行，這裡面離不開終端層與網絡層的參與。在確定了需要的數據種類、數據類型以及數據精度之後，就需要落實到終端層與網絡層的硬件配置以及系統工程實現上。例如，在智能電網的遠程抄表應用中：裝在用戶家中的電表就是終端層的設備，這個設備中有檢測電流的傳感器，電表在獲取了用戶的用電信息之後，通過電力載波的網絡將數據發送到發電廠的服務器上。*後在應用層完成對用戶用電信息的分析，並根據應用層設定的規則自動采取相關措施。
1.2 物聯網概念的形成
物聯網概念*早出現在比爾 蓋茨1995年創作的《未來之路》（The Road Ahead）一書，在書中，比爾 蓋茨已經提及物聯網概念，只是當時受限於無線網絡、硬件及傳感設備的發展，並未引起世人的重視。
1999年，美國麻省理工學院Auto-ID實驗室首先提出物聯網的概念，主要是建立在物品編碼、RFID技術和互聯網的基礎上。
在中國，物聯網*初被稱為傳感網。中國科學院早在1999年就啟動了傳感網的研究，並建立了一些適用的傳感網。
2005年11月17日，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（WSIS：World Summit on the Information Society）上，國際電信聯盟（ITU：International Telecommunication Union）發布了《ITU互聯網報告2005：物聯網》，正式提出了物聯網的概念。報告指出，無所不在的物聯網通信時代即將來臨，世界上所有的物體，從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過因特網主動進行交換。傳感器技術、納米技術、智能嵌入技術將得到更加廣泛的應用。
1.3 物聯網的應用領域
物聯網的應用領域涉及方方面面，其在工業、農業、環境、交通、物流、安保等基礎設施領域的應用，有效地推動了這些領域的智能化發展，使得有限的資源得到了更加合理的分配，從而提高了行業效率；其在家居、醫療、健康、教育、金融與服務業、旅遊業等與生活息息相關的領域的應用，使得這些領域從服務範圍、服務方式到服務質量等方面都有了極大的改進，大大提高了人們的生活質量;在國防軍事領域，大到衛星、導彈、飛機、潛艇等裝備系統，小到單兵作戰裝備，物聯網技術的嵌入都有效提升了軍事智能化、信息化、精準化，極大提升了軍事戰斗力，是未來軍事變革的關鍵。
1.4 物聯網的典型應用
1.4.1 智能交通
物聯網技術在交通方面的應用算是比較多的。隨著社會車輛越來越普及，交通擁堵甚至癱瘓已成為城市的一個大問題。應用物聯網，可以對道路交通狀況進行實時監控並將信息及時傳遞給駕駛人，讓駕駛人及時調整出行方案；在高速路口設置道路自動收費系統（ETC：Electronic Toll Collection），免去進出車輛的取卡、還卡時間，提升了車輛的通行效率；在公交車上安裝定位系統，乘客可以及時了解公交車行駛路線及到站時間，實時了解搭乘路線的公交狀況。
另外，隨著社會車輛增多，除了交通壓力大幅增加以外，停車難的問題也日漸凸顯，因此，不少城市推出了智能路邊停車管理系統，這個系統基於云計算平臺，結合物聯網技術與移動支付技術，共享車位資源，提高車位利用率，方便用戶。
1.4.2 智能家居
智能家居是另一個物聯網的主要應用領域。隨著寬帶業務的普及，智能家居產品涉及家庭生活的方方面面。家中無人時，可利用手機等產品客戶端遠程操控智能空調調節室溫，甚至可以學習用戶的使用習慣，從而實現全自動的溫控操作；通過產品客戶端還可以實現智能燈泡的開關、調控燈泡的亮度和顏色等；內置Wi-Fi的插座，可以實現遙控插座定時開關，有的插座甚至還可以監測設備用電情況，生成用電圖表，讓用戶對用電情況一目了然；智能體重秤可以監測運動效果，甚至可以根據身體狀況提出健康建議；智能牙刷與產品客戶端相連，可以提供刷牙時間、刷牙位置提醒；智能攝像頭、環境傳感器、智能門鈴、煙霧探測器、智能報警器等都是家庭不可缺少的安全監控設備，各種智能家居設備讓我們的生活因為物聯網變得更加輕松、美好。
1.4.3 公共安全
近年來全球氣候異常情況頻發，災害的突發性和危害性進一步加大，互聯網可以實時監測環境的不安全性情況，提前預防、實時預警、及時采取應對措施，降低災害對人類生命財產的威脅。美國一所大學早在2013年就提出了研究深海的物聯網項目，該項目將經過特殊處理的感應裝置置於深海處，分析水下相關情況，為海洋污染的防治、海底資源的探測，甚至海嘯預警提供了更加可靠的數據。另外，利用物聯網技術還可以感知大氣、土壤、森林、水資源等方面的各項指標數據，對於改善人類生活環境發揮巨大作用。
1.4.4 智能農業
智能農業是農業生產的高級階段，是依托部署在農業生產現場的各種傳感節點（環境溫濕度、土壤水分、二氧化碳、圖像等）和無線通信網絡實現農業生產環境的智能感知、智能預警、智能分析、專家在線指導，為農業生產提供精準化種植、可視化管理、智能化決策。
1.4.5 智能城市
智能城市是物聯網技術更大範圍的一個應用，主要是指運用信息和通信技術手段感測、分析、整合城市運行核心系統的各項關鍵信息，從而對包括民生、環保、公共安全、城市服務、工商業活動在內的各種需求做出智能響應。其實質是利用先進的信息技術，實現城市智能式管理和運行，進而為城市中的人創造更美好的生活，促進城市的和諧、可持續成長。智能城市的範疇再擴大就是智能國家或智能地球的概念。
1.5 AIoT的概念
1.5.1 什麼是AIoT？
本章的*後，我們來介紹一個新的概念——AIoT（智能物聯網），AIoT是在物聯網的基礎上提出的概念。廣義來說，AIoT就是人工智能（AI：Artificial Intelligence）技術與物聯網（IoT：Internet of Things）技術在實際應用中的融合。這並不是一種新的技術，而是一種新的IoT應用形態。如果物聯網是將所有可以行使獨立功能的普通設備或電子器件實現互聯互通，用網絡連接萬物，那AIoT則是在此基礎上賦予其更智能化的特性，做到真正意義上的萬物互聯。
1.5.2 AIoT概念的形成
AIoT概念興起於2018年，指系統通過各種信息傳感器實時采集各類信息（一般是在監控、互動、連接情境下的），在終端設備、邊緣域或云中心通過機器學習對數據進行智能化分析，包括定位、比對、預測、調度等。在技術層面，人工智能使物聯網獲取感知與識別能力，物聯網為人工智能提供訓練算法的數據；在商業層面，二者共同作用於實體經濟，促使產業升級、體驗優化。從具體類型來看，主要有具備感知/交互能力的智能聯網設備、通過機器學習手段進行設備資產管理、擁有聯網設備和AI能力的系統性解決方案等三大類。從協同環節來看，主要解決感知智能化、分析智能化與控制/執行智能化的問題。