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无所不在的JavaScript与物联网设备

物联网风潮将原本称霸Web前台技术的JavaScript顺势带入物联网。学习JavaScript,也就能同时掌控前台、后台和感测端的软硬件。

  物联网(Internet of Things,IoT)一词,是由美国麻省理工学院Auto-ID中心主任Kevin Ashton,于1999年进行RFID研究时所提出的概念。物联网是指为每个东西,包括一般物品(例如:超商以及它所贩售的所有商品)、传感器,甚至人类和动物,都标上唯一识别码(Unique Identifier,如:条形码、IP地址、身份证号码等),彼此之间通过约定好的通信协议,利用互联网相连、分享数据。

  物联网不仅是两个设备之间的互相连接,它们通常也连接到负责收集数据,以及协调这些设备运作的(云)服务器。此外,控制器、传感器等物联网设备,通常也都要具备让用户操作和监控的界面,无论是网页还是App形式。下面是物联网的基本架构:

  可连接互联网设备的数量,在2011年时超越地球总人口数。这些设备包含消费性电子产品、工厂机器、家电、医疗器材、传感器等。以往,数据通过人力输入到计算机(例如,抄录水、电、燃气用量),现在多半则是由设备直接提供数据给另一个设备。

  举例而言,你的手机认得“你”和“家人”,当你的小孩抵达校园时,“学校”会自动发送短信通知;手机可以记录你的运动习惯并协调智能型温控器,在你到家之前调整好室温:若是下班快抵达家门时,手机可以自动过滤公司电话,并通知住家的房子自动打开车库门。宅配的货车可实时更新网购商品位置和预计送达时间,也能读取送货路线的交通状况,并适时提醒或规划避开车流量大的路线。

  所以,机器和机器相互连接、协同合作(Machine to Machine, M2M),就能完成代理人或者贴身秘书的工作。随着宽带网络基础建设的普及、各式云服务推陈出新,加上传感器、通信芯片和单片机技术的提升与价格下降,使得“物联网”从概念融入真实的日常生活中。

0.1 JavaScript与物联网

  许多嵌入式系统采用的是运算性能、存储器容量相对较低的8位单片机,它们也通常采用专属的库和开发工具,并且多采用C/C++语言开发。就像电视机、空调等家电,逐渐脱离“单独”运作的时代,为了抢食物联网市场大饼,原本软硬件较为封闭的嵌入式控制器,也开始拥抱开放的互联网和Web标准。

  这股风潮,也将原本称霸Web前台技术的JavaScript(注:在网页上提供交互功能的编程语言)顺势带入物联网。例如,Pebble智能表提供的开发工具PebbleKit和Pebble.js,让你用JavaScript来开发手表的App。又如,2014年被Google收购的Nest Labs公司推出的Nest温度控制器,也有供JavaScript代码使用的API(Application Interface,应用程序接口,也就是提供让外部程序控制的渠道),因此,程序员可用JavaScript读取或调控Nest温控器的状态。基本上,凡具备Web浏览器的设备,就能运行JavaScript。

  在浏览器内操作的应用(像YouTube, Google Docs和Office 365),叫作Web应用。Web应用分成前台和后台(服务器端)两大部分,以电子邮件服务网站(如:QQ和Gmail)为例,显示在浏览器里电子邮件操作的界面(网页)是前台,提供用户填写信件的界面,负责发送邮件的则是后台。网页界面的架构通过HTML定义,外观样式由CSS定义,动态改变字体样式、大小、插入表情图案等交互功能则是用JavaScript写成的。

  JavaScript语言具有下列几个特色:

  • 所有浏览器都支持,也是网页的标准语言。
  • 语法简单,学习门槛低,容易入门。
  • 不需要特殊的开发工具,在计算机、平板电脑或手机上,用文本编辑软件和浏览器就能开发和调试JavaScript代码。
  • 有为数众多的开发者,以及书籍、网络等参考资源和示例。

用于服务器和单片机的JavaScript

  当QQ用户单击“发送”按钮之后,信件内容会从浏览器传给QQ服务器,而在服务器上运行的代码,将负责寄送信件和保存邮件等功能。不像浏览器,在服务器端运行的编程语言并没有统一,常见的语言和运行环境有PHP、ASP.NET、Ruby等。

  其实,服务器端程序也能用JavaScript语言开发。可在浏览器之外独立运行Ja¬vaScript代码的Node.js于2009年问世,并相继被沃尔玛、PayPal(在线支付款项系统)和Netflix(网飞,在线电视)等大型企业所采纳,用来建置可应付购物旺季高流量的高性能网站后台程序。

  Node.js并不是第一个可在浏览器外运行的JavaScript环境,但它是最成功的一个。

  Node.js能够在Windows、Mac OS X以及Linux系统中运行;不只是个人计算机,风靡创客的Raspberry Pi(以下称“树莓派”)、BeagleBone Black(http://beagleboard.org/BLACK),以及9美元的开源微电脑C.H.I.P.(https://getchip.com/),还有基于x86处理器架构的Intel Galileo控制板也都能运行Node.js。

  某些采用32位处理器的控制板,更直接把JavaScript语言当作“母语”,例如Espruino(http://espruino.com/)和Tessel 2(http://tessel.io/),而三星电子公司在2015年5月发表了一个“瘦身”版的JavaScript语言,叫作JerryScript(https://samsung.github.io/jerryscript/),可运用在仅有64KB内存的单片机上。换句话说,在这些控制板上读取和设置I/O脚,都用JavaScript。因此,从前台网页、后台服务器,到单片机和传感器终端,都能用相同的JavaScript语言编写;学习JavaScript,也就能同时掌控前台、后台和感测端的软硬件!

0.2 MPU、MCU与SoC介绍

  处理器芯片依照功能来区分,大致分成如下三种类型。

  MPU:全名是Microprocessor Unit(微处理器单元),其实就是CPU(中央处理器),可运行指令,进行运算和逻辑处理。

  MCU:全名是Microcontroller Unit(单片机),把微处理器(MPU)和快闪存储器、主存储器(内存)包在同一个芯片里,相当于一台微型计算机,耗电量低,但是处理器的性能不高(时钟频率在200MHz以内),而且存储器容量不大(以KB为单位)。

  当今的MCU通常也会集成模拟-数字转换器(模数转换)、USB和其他外围界面控制器。Arduino UNO的ATmega328芯片属于MCU。

  SoC:全称为System on a Chip(系统芯片),集成微处理器和特定功能,例如,图像处理单元(显示卡)、WiFi网络、蓝牙、音效处理等。智能手机以及某些个人计算机的处理器,都属于SoC。采用这类处理器的设备,通常需要较高速的运算性能(时钟频率达数百MHz至数GHz)以及较大的存储器容量(单位是MB或GB),所以存储器不在同一个芯片上,耗电量也较大。

  树莓派的处理器芯片属于SoC。就功能而言,SoC大于MCU:

  以穿戴设备应用来说,MCU足以胜任普通数字手环所需,而且能长时间运作;具备多媒体功能的智能手表,就必须采用SoC。某些智能手表甚至同时搭载SoC和MCU,前者处理复杂的多媒体运算,后者用于连接传感器以及电源管理。

0.3 章节导读

  第1章JavaScript入门:介绍JavaScript的由来、基础语法、浏览器的DOM(文档对象模型)、事件处理程序、使用Chrome浏览器调试JavaScript代码、在网页中嵌入JavaScript代码等主题。

  第2章 认识jQuery库:jQuery是当今使用最广泛的JavaScript库,主要作用是让动态网页开发变得更简单。本章将通过集成Arduino以太网络与jQueryUI(交互界面)程序,带领读者认识jQuery语法、网页信息交换格式(CSV、XML和JSON)和“不刷新网页,动态更新内容”的AJAX技术。

  第3章Node.js入门:Node.js是一个独立的JavaScript运行环境,可以让我们使用JavaScript开发应用,在浏览器之外运行。本章将介绍Windows、Mac OS X和Linux(树莓派)系统的Node.js安装方式,并通过非阻塞I/O读取文件、自定义与引用程序模块、使用npm工具管理模块、使用Express框架开发网站应用、从Arduino传递温湿度值给Node网站等数个实例认识Node.js。

  第4章Node.js串口通信与树莓派GPIO控制:串口是连接Arduino与个人计算机和Linux微电脑控制板最常用的界面。GPIO则是树莓派控制板的标准外围界面,本章除了介绍如何使用Node.js连接与控制串口和GPIO界面,也将介绍GPIO界面集成自制Arduino控制板的方法,还有MOSFET电子元器件,以及通过MOSFET组成5V和3.3V的电压转换板。

  第5章 使用霹雳五号操控Arduino:Johnny-Five(霹雳五号)是一个Node.js库,让计算机(或Linux微电脑控制板)以JavaScript程序操控连接在USB接口的Arduino。本章将比较“霹雳五号”与Arduino的C语法异同,并且通过读取开关(数字)信号、模拟输入和PWM输出、LM35温度传感器、舵机控制,还有浏览器与矩阵LED作画等实例,让读者了解“霹雳五号”和网页实时通信程序(socket.io)。

  第6章 电子邮件、串流视频、计算机视觉与操控舵机:本章的示例以树莓派摄像头为主,第一个示例搭配PIR人体红外传感器,在侦测到入侵者时,自动拍照并发送E-mail。第二个示例介绍使用socket.io和M-JPEG压缩程序,在网页上显示串流视频。第三个示例介绍简易的摄像头+DIY舵机云台,并通过触控屏、键盘和电玩把手控制云台。最后一个例子是在计算机的浏览器上,通过JavaScript撷取摄像头的视频,并侦测其中是否有人类脸孔,若有的话,控制舵机跟着脸孔转动。

  第7章 使用MongoDB数据库以及ejs模板引擎创建动态网页:MongoDB是一款适合处理大数据与物联网数据的免费、开源数据库,本章将介绍MongoDB的安装方式、基本架构以及数据的添加、撷取(筛选)、修改和删除等基本操作,并通过Node.js的Mongoose包(package)连接数据库,存储Arduino上传的数据。

  第8章 数据可视化——使用C3.js与D3.js绘制图表:若只在网页上用文、数字列举数据,未免太乏味,本章将介绍如何采用知名的C3.js和D3.js库,以活泼生动的量表(gague)和图表(chart)形式呈现存储在MongoDB数据库里的数据,以及Arduino传入的实时数据,并且通过简易的数字滤波手法过滤噪声。

  本文选自《完美图解物联网IoT实操》,点此链接可在博文视点官网查看此书。
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