物聯網ABC

前言：從人才培育做起，點亮下世代的光

吳瑞北（國立臺灣大學電機工程學系特聘教授）

2014年3月27日「台灣半導體產業協會」（Taiwan Semiconductor Industry Association, TSIA）年會，以「創新時代–核心產業以智慧與知識開創新世代」為主軸，邀請台積電張忠謀董事長發表對下一階段產業發展的看法，他認為行動裝置無疑就是2014年當時的「Big Thing」，還會是一兩年主要的營收貢獻來源，但下一個「Big Thing」很可能就是物聯網。

至於物聯網要發展什麼技術？每個人的看法可能不太一樣。張董事長從台積電來看，認為台灣半導體廠應該發展系統級封裝、感測器及節能低功耗三項技術。他也認為物聯網產業中最賺錢的公司不會是半導體公司，而是能夠整合系統、平台的公司，相關商機可望於未來數年間發酵。

張董事長提出這個見解很快引起許多共鳴，因為那時不少成功的新創故事受到大家矚目，像2013年7月26日Google以11億美元併購Waze，投入社群網路及電子地圖的整合應用，是智能城市（smart city，此處smart應翻成智能，而非智慧，因為智慧與智能是不同層次的內涵）的典型應用；2014年2月12日Google 以32億美元收購智能家庭裝置公司Nest，是能源的應用。

可是幾年來，我們還沒有看到物聯網產業蓬勃發展，這可以從幾個方面來看，在應用面：物聯網具垂直整合特性，由於市場零碎化，難以跨領域應用，以致於產品缺乏全球統一標準，競爭供應商解決方案互不相容。在技術面：各種先進感測技術持續發展，距產業商用化尚有距離，而產業應用範疇廣泛、尚無產業強勢主導廠商出現。更關鍵的是商業面：物物相連形成創新，仍缺可營利與永續之商業模式，且產業鏈長和技術整合度高，短時間難吸引資金投入。

雖然如此，物聯網產業仍然是台灣應極力發展的方向。利用物聯網擷取大量數據，配合AI技術發揮數據的價值，應用到各垂直領域，是台灣產業轉型的重要關鍵。因應下一代發展趨勢，積極投入人才培育，為產業發展打好基礎，教育界責無旁貸。

2012年「國際電信聯盟電信標準化部門」（ITU Telecommunication　Standarization Sector, ITU-T）給物聯網下個定義：物聯網「是資訊社會的一個全球化基礎設施，以現有及演進中的可交互運作資通訊科技為基礎，藉由連接[虛擬及實體]物件，使先進服務成為可行。」（A global infrastructure　for the information society, enabling advanced services by interconnecting　[physical and virtual] things based on existing and evolving interoperable ICT）。其中主要元素有「感測與致動器」、「互聯通信」、「虛實整合」，以及「先進服務」四部分，含括非常垂直的領域。然目前大學中人才愈走愈專精，偏向平行領域，實不易找到合適的師資，因此最好的方法是邀請業師來集合授課。而且要重視實作（hands on），從實作中去體會物聯網的廣泛知識。

本書即是綜整在臺大電機系開授「物聯網導論」課程的實驗教材而成，該課程的演進，從資策會張栩嘉博士開始規劃，經過三年的發展，課程愈來愈完整，而實習的教材也愈來愈精緻。參照「網宇實體系統」（cyber-physical system，簡稱CPS）的架構，含括四部分：（1）感測控制層（Connected Things Layer），這部分實作包括Arduino、Raspberry Pi、感測與控制；（2）網路傳輸層（Conversion Layer），包括BLE、LoRa、MQTT與Node-RED的實作；（3）虛實統合層（Cyber Layer），實作包括AWS雲端平台、軟體容器（container）技術Docker與Kubernetes，與Google AIY Voice Kit；（4）辨識認知層（Cognition Layer），實作則配合期末專題進行相關系統應用開發。學生若能循序漸進，自可確實掌握物聯網的技術與能力。

軟硬整合是台灣未來的機會，但無可諱言，智能製造還是台灣最可能的產業。台灣過去是硬體行銷，但因為缺軟體與平台服務，所以獲利不高。未來是物聯網時代，如能基於台灣原有的硬體優勢，早一步掌握物聯網的技術與能力，配合刻正建立的充沛AI人力，將可在全球產業鏈創造不可替代的價值，讓台灣發光發熱。

本書的完成，始於張進福教授的起心動念在臺大電機系開課，要特別感謝張栩嘉博士的起始規劃，以及資策會智通所及數研所的馮明惠與李進寶所長及所內諸多同人全力協助，隔年並邀請資策會廖書漢博士及律輝科技總經理李健榮博士加入形成雛形，此後逐年改進由賴怡吉博士集其大成。期間也非常感謝廠商如佐臻科技，提供題目發想、技術指導及器材資源。為了使此一多人心血結晶廣為推廣使用，復有助教陳昱志與林思綺大力協助，終能將其中相關實作部分集結成書，盼為台灣邁向下個物聯網世代的人才培育貢獻一番心力。

物聯網領域快速發展，相關知識仍隨時進化中，此書彙整了我們歷年開課心得編撰而成，其中謬誤之處難免，尚祈各先進方家不吝指正。

前言：從人才培育做起，點亮下世代的光

吳瑞北（國立臺灣大學電機工程學系特聘教授）

2014年3月27日「台灣半導體產業協會」（Taiwan Semiconductor Industry Association, TSIA）年會，以「創新時代–核心產業以智慧與知識開創新世代」為主軸，邀請台積電張忠謀董事長發表對下一階段產業發展的看法，他認為行動裝置無疑就是2014年當時的「Big Thing」，還會是一兩年主要的營收貢獻來源，但下一個「Big Thing」很可能就是物聯網。

至於物聯網要發展什麼技術？每個人的看法可能不太一樣。張董事長從台積電來看，認為台灣半導體廠應該發展...

前言：從人才培育做起，點亮下世代的光

第0章　緒論
0.1　物聯網起源與定義
0.2　為什麼需要物聯網：物聯網的重要性
0.3　物聯網與其他重要資通訊科技的關聯性
0.4　臺大電機系IoT課程參考架構
0.5　結語

第1章　Arduino
1.1　什麼是Arduino
1.2　Arduino Uno第一支程式
1.3　於OLED上顯示溫溼度及光度感測值
1.4　結語

第2章　Raspberry Pi
2.1　什麼是Raspberry Pi
2.2　RPi從零到開機
2.3　RPi介面操作
2.4　遠端檔案傳送（FTP）
2.5　遠端操作RPi
2.6　結語

第3章　感測與控制
3.1　自動控制
3.2　通訊協定
3.3　自動控制馬達轉速
3.4　結語

第4章　BLE應用裝置開發
4.1　開發材料介紹
4.2　開發環境搭建
4.3　實作PIR Service
4.4　開啟PIR Notify功能
4.5　PIR驅動程式撰寫
4.6　APP層應用功能
4.7　程式碼編譯與燒錄
4.8　以ble-shepherd接收PIR感測值
4.9　結語

第5章　LoRa
5.1　LoRa操作頻率設定
5.2　RFIC（RFM95）之設定與操作方式
5.3　Dragino LoRa Shield硬體介紹
5.4　改變LoRaWAN SF值設定之影響
5.5　以PM 2.5空氣品質感測與LoRa Shield點對點傳輸
5.6　結語

第6章　閘道器與MQTT
6.1　閘道器在物聯網的重要性
6.2　MQTT基本介紹
6.3　RPi建立MQTT Broker推播PIR感測器
6.4　以MQTT傳送PM2.5並做圖形化顯示
6.5　結語

第7章　AWS雲端平台
7.1　什麼是AWS
7.2　AWS IoT
7.3　將PM2.5傳至AWS
7.4　結語

第8章　微服務與軟體容器
8.1　虛擬化技術回顧與軟體容器技術
8.2　Docker
8.3　Docker安裝
8.4　Docker基本操作
8.5　Kubernetes
8.6　用Rancher以All in One方式安裝K8S
8.7　實作：在Kubernetes實作MQTT Broker
8.8　結語

第9章　Google AIY Voice Kit實作
9.1　AIoT介紹
9.2　Voice Kit硬軟體實作
9.3　語音助理展示
9.4　結語

第10章　物聯網實作範例
10.1　手持裝置自動鏟屎官╱蕭恬、葉津源
10.2　校園安全攝影機╱曾煒傑、林士彰
10.3　以KNN演算法實現室內定位╱林思綺
10.4　工廠及施工危險區域警示系統╱江嘉玲、謝儒萱
10.5　結語

中英文專有名詞索引

前言：從人才培育做起，點亮下世代的光

第0章　緒論
0.1　物聯網起源與定義
0.2　為什麼需要物聯網：物聯網的重要性
0.3　物聯網與其他重要資通訊科技的關聯性
0.4　臺大電機系IoT課程參考架構
0.5　結語

第1章　Arduino
1.1　什麼是Arduino
1.2　Arduino Uno第一支程式
1.3　於OLED上顯示溫溼度及光度感測值
1.4　結語

第2章　Raspberry Pi
2.1　什麼是Raspberry Pi
2.2　RPi從零到開機
2.3　RPi介面操作
2.4　遠端檔案傳送（FTP）
2.5　遠端操作RPi
2.6　結語

第3章　感測與控制
3.1　自動控制
3.2　通訊協...