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图解物联网

• 豆瓣: https://book.douban.com/subject/27016248/

时间:

著：2015-03
译：2017-04

第1章 物联网的基础知识

泛在网络可以让人们随时随地访问网络

连接互联网的各种各样的“物”

2013年12月，在美国高通公司的支持下，家电厂商的横向性物联网推进联盟AllSeen Alliance成立了。该联盟的意图在于越过厂商这道高墙，规划一种统一规格，让冰箱、烤箱及电灯等所有电器都能通过互联网实现协作。 2014年7月，在英特尔和三星的推动下，物联网联盟OIC成立了。该联盟旨在为物联网相关机器的规格和认证设立标准。

具有代表性的传感器的种类

第 2 章 物联网的架构

QoS 1: 中介一接收到消息就会向发布者发送一个叫作“PUBACK 消息”的响应，除此之外还会根据订阅者指定的 QoS 发送消息。当发生故障，或经过一定时间后仍没能确认 PUBACK 消息时，发布者会重新发送消息。如果中介接收了发布者发来的消息却没有返回 PUBACK，那么中介会重复收到消息。

用QoS 2 发送的消息里面含有消息 ID。中介收到消息后会将消息保存，然后给发布者发送 PUBREC 消息。发布者再给中介发送 PUBREL 消息，然后中介会给发布者发送 PUBCOMP 消息。接下来中介才会依据订阅者指定的 QoS，向订阅者传递接收到的消息。

Retain: 订阅者只能接收在订阅之后发布的消息，但如果发布者事先发布了带有 Retain 标志的消息，那么订阅者就能在订阅后马上收到消息。当发布者发布了带有 Retain 标志的消息时，中介会把消息传递给订阅了主题的订阅者，同时保存带有 Retain 标志的最新的消息。此时，若别的订阅者订阅了主题，就能马上收到带有 Retain 标志的新消息

Will: 有“遗言”的意思。由于中介的 I/O 错误或网络故障等情况，发布者可能会突然从中介断开，Will 就是专门针对于这种情况的一个机构，它用于定义中介向订阅者发送的消息。发布者在连接中介时会用到 CONNECT（连接）消息，连接时对其指定 Will 标志、要发送的消息以及 QoS。这样一来，如果连接意外断开，Will 消息就会被传递给订阅者。另外，还有一个标志叫作 Will Retain。通过指定这个标志，就能跟前面说的 Retain 达到同样的效果，即在中介处保存消息。但当发布者使用 DISCONNECT（断开连接）消息明确表明连接已断开时，Will 消息就不会被发送给订阅者。

• Clean session 用于指定中介是否保留了订阅者的已订阅状态。用CONNECT 消息连接时，订阅者把 Clean session 标志设定为 0 或 1。0是保留 session，1 是不保留 session。

• 若指定 Clean session 为 0 且中介已经连接上了订阅者，则中介需要在订阅者断开连接后保留订阅的消息。另外，如果订阅者的连接已经断开，且发布者已经发布了 QoS 1、QoS 2 的消息给已订阅的主题时，中介则会把消息保存，等订阅者再次连接时发送给订阅者。

• 若指定 Clean session 为 1 并连接，中介就会废弃以往保留的客户端信息，将其当成一次“干净”的连接来看待。此外，订阅者断开连接时，中介也会废弃所有的信息。

第 3 章 物联网设备

过去，微控制器主板的目标在于搭载单片机，实现结构的简约性和高通用性。与此同时，用在移动电话和智能手机上的高性能 CPU、完善的 I/O 端口，以及配备了网络接口的超微型计算机，即单板计算机等设备陆续登场。使用者不但能通过 Linux 操作系统来运行这些单板计算机，还能像控制以往的微控制器那样控制 I/O 引脚（pin）。微控制器主板和计算机的分界线正在逐渐模糊。

微控制器主板间的比较

连接

有线连接:

1. 以太网
2. 串行通信
    采用 RS-232C 串口线等串行通信
    设备大多使用 D-SUB 9 针端口
    串口线包括直通线和交叉线两种
3. USB

无线连接:

1. Wi-Fi
2. 3G/LTE
3. 蓝牙
4. IEEE 802.15.4/ZigBee
5. 易能森（EnOcean）
    利用能量采集技术自主发电
    如:
      开关就是用按下开关的力量发电通信的
      温度传感器则是利用太阳光进行发电并通信的

USB 的规格、传输速度及供电能力

ZigBee 的网络形式

输入-传感器

传感器的机制:

两种感测方法:
①利用物理特性的传感器
②利用几何变异的传感器

放大传感器的信号:

1. 反相放大电路：反转极性（把正负极反过来）并输出放大的值
2. 差分放大电路：把两个输入电压的差值放大并输出

把模拟信号转换成数字信号:

A/D 转换操作分成以下 3 个步骤。
1. 采样（sampling） 用某个频率来区分模拟输入信号，获取值
2. 量化 把采样后的值近似表现为离散值
3. 编码（coding） 把量化后的数值编码成二进制代码

输出-驱动

驱动就好比是水管的水龙头，微控制器自身只负责控制水龙头的开或关，实际流入设备的电流跟微控制器输出的电流是两股电流，需要给流入设备的电流另外准备一个电源来供给电流。最简单的驱动电路包括开关电路，它利用了一种叫作晶体管的电子器件，这种器件能控制电流。晶体管有两种类型，分别是 NPN 型晶体管和 PNP 型晶体管，因为它们类型不同，所以电流通过的路径也不同。它们都具备发射极（Emitter，简称 E）、集电极（Collector，简称 C）和基极（Base，简称 B）这 3 种端子。

以 NPN 型为例进行说明：当微控制器连接到基极，且微控制器的输出电压低（0 V）的时候，集电极与发射极之间是没有电流流过的。反过来，把基极的输出电压调高，再让电流流过，电流就会从集电极流到发射极了。这个机制非常像开关，把电流加在基极上，就能控制集电极－发射极之间的开或关。有一点很重要：即使加在基极上的电流只有小幅度的变化，也会导致晶体管切换开关状态。把大型电源连接到集电极，就能在很大程度上放大并输出基极的电流。可以通过控制微控制器的输出来令 LED 点亮或熄灭。

输出-PWM

把数字信号转换成模拟信号：数字 / 模拟（D/A）转换

脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，简称 PWM）方式通过高速切换输出高 / 低电压来实现近似输出模拟信号，很多微控制器都采用了这个方式。

第 4 章 先进的感测技术

GPS 接收器并不会向卫星发射信息，它毕竟只是一台用来接收卫星发来的无线电波的设备。

卫星发射出的无线电波中，下面两条信息尤其重要:

1. 发射无线电波时的准确时刻
2. 卫星在宇宙空间中的位置

先进的感测设备

1. RGB-D 传感器:

   RGB 是红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）
   最后的 D 是深度（Depth）
   把 RGB-D 传感器想象成测距传感器和相机的组合强化版传感器
   
   应用:
   a. 立体相机
   b. 点阵图判断法
   c. TOF（Time of Flight）技术
   

2. 自然用户界面:

   NUI（Natural User Interface）
   
   应用:
   a. 微软 Kinect: Xbox 360 的一种控制器
   b. Leap: 高速且精密地追踪其上方半径约 50 cm范围内的人类手指发出的动作
       其精确度最高在 0.01 mm
   

先进的感测系统

1. 卫星定位系统(GNSS):

   GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）
   a. GPS
   b. 俄罗斯的 GLONASS
   c. 欧盟的 Galileo
   d. 中国的北斗
   

2. 准天顶卫星(RNSS):

   RNSS（Radio Navigation Satellite System，卫星无线电导航系统）
   大致位于正上方的卫星
   只要有准天顶卫星，即使周围被大楼包围，也会有很大概率成功定位
   

3. IMES:

   IMES（Indoor Messaging System，室内通信系统）
   

4. 使用了 Wi-Fi 的定位技术:

   原理：接收信号强度
   实现：指纹定位
       记录无线电波在各个地点的状态，进行比较
       这个方法要事先测量，比较费工夫
   

5. Beacon:

   利用了接收信号的强度
   被用于雪山搜救方面
   

第 5 章 物联网服务的系统开发

物联网服务开发的重点

1. 设备:

   设备的选择
       传感器的特征
       测量误差
       法律制约
       设备的设置(设计配置, 设置场所, 设置环境)
   参数设置
       感测间隔
       传感器网络的设置
   

2. 处理方式设计:

   如何连接多种多样的设备
   如何应对接收数据量的增多
   分散功能(边缘计算)
   提高系统结构的牢固性
   

3. 网络:

   提升通信效率
       压缩数据
       选择协议
   

4. 安全性:

   安全性设计
       风险分析
       多层防御
   保护设备
       预防
       检测
       应用
   保护服务器端系统
       网关设备的认证
       数据流量的监测和制约
   保护所采集数据的隐私
       在信道上进行数据隐藏
       保护所感测数据的隐私
   

第 6 章 物联网与数据分析

分析的种类

图表的种类和特征

第 7 章 物联网与可穿戴设备

可穿戴设备上配备的典型传感器

可穿戴设备独有的特色传感器

可穿戴设备的主流形状:

● 头戴式显示器（以下称为 HMD 型）
    呈眼镜样式的“眼镜型”和完全挡在眼前的“护目镜型”
● 手表型
● 饰品型

使用可穿戴设备的 3 个典型目的:

● 显示信息
● 控制设备
    语音指令
    手势
    触摸面板、触摸显示屏
● 感测
    步数、活动量、睡眠时间
    心率
    心电波形
    脑电波
    身体特定部位的动作
        挥手和举手
        握拳和弯曲特定的手指
        眼球运动和眨眼

第 8 章 物联网与机器人

• ROS（Robot Operating System，机器人操作系统）

给云机器人的诞生创造了条件:

①网络的低成本化和高速化→高速无线通信、光通信
②大数据处理能力的成熟→ Hadoop、Spark、Storm、Deep Learning
③机器人技术的开放→ RT 中间件、ROS

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