小物大聯網：Arduino、WiFi和Sensors創客設計

我們借用中國清華大學軟件學院院長的劉雲浩教授的定義，代表亞洲對物聯網（Internet of Things，縮寫IoT）的觀點：「它是網際網路、傳統電信網等資訊承載體，讓所有能行使獨立功能的普通物體實作互聯互通的網路。」並補充說明它「具有普通對象設備化，自治終端互聯化和普適服務智能化三個重要特徵。」其中，從筆者的角度觀察，設備化在乎它能夠被控制，互聯化在意它的訊息能夠被交換，智能化則在於它的功能往往凸顯出人工智慧。

要讓一個普通物體被加以控制其實很容易理解，不就是加上一個控制器（Controller）嗎？加了控制器的物體一般代表著它能接受指令完成存取（Access）功能，這包括了讀（Read）和寫（Write）的操作。換言之，透過讀與寫，就能隨時控制這個普通物體，使它不再普通，而能成就一個設備。

這時出現一個有趣的問題：如果這個物體尺寸很小怎麼辦？我們還能用控制器來控制它嗎？對於這種小型IoT技術其實處處可見，主要就是拜超大型積體電路技術（Very Large-Scale Integration，縮寫VLSI）所賜，它可以讓許多設備隱身在我們周圍的生活環境中。

VLSI技術也能讓控制器微小化（又稱作微控制器，Micro Controller），讓它藏身、嵌入（Embedded）在傳統家具設備中，賦予這些設備新的應用方式，變出新的把戲。其實，現在熱門的IoT觀念有點像當年熱議的IA（Internet Appliance），只是涵蓋精神更加擴大。

如圖1-1中的圖中圖所示，這個以手機為操控中心的IA群，舉例有多媒體影音設備、智慧馬桶設備、咖啡機設備、烤箱設備等，在2000年當時還沒有現今流行的iPhone和Android，大家就能想像終有一天，當一早用完洗手間，馬桶設備自動進行基本心跳脈搏、體溫體重、糞便尿液等檢測並產生健檢報告，正在了解健康報告摘要時，可能家中咖啡機、烤箱或蔬果機上的OK訊號已經通知主人，甚至之後將用餐時欣賞到一半的影音曲目，自動從家中設備轉移到正要出發的房車上的媒體播放器內等待繼續播放等等。

其實，IoT就和圖1-1所描述的情況很類似，有一個非常重要的相似點，那就是設備的互聯化。因為互聯，可以對於設備集中控制、集中管理；也因為互聯，縮短了控制設備所需花費的時間（至少減少管理人員在設備之間往來走動的許多寶貴時間），而寶貴的時間就能轉化成為實用的金錢。

值得一提的是，近年互聯網因為便利所帶來的安全方面的副作用，也讓一些應用走向內部網（Intranet），特別是關於一些企業機密或是家庭隱私的應用，然而這樣的區別並不影響物物相聯的技術本質和應用需求，只是在情境和手段方面有所不同。

表格1-1是參考一篇Mark Fell所著「新興物聯網的發展路線圖」一文中擷取出來的內容，在他所列舉的14個IoT可運用的通訊技術裡，筆者選出其中較常見到的八項作為對照比較，我們可以根據它們的功耗大小、速度快慢、以及範圍的大小，一窺彼此間的強項和異同為何。

其中的藍芽（Bluetooth，縮寫BT）和 無線局網（WiFi）是兩個頗具代表性、且為人所熟知的技術，主要原因之一可能來自智能手機對此二者的採用與流行。在通訊技術的功耗、速度、與範圍加總後的成本評比中，BT和WiFi幾乎成為低、中成本群裡的代表，也因此，本書在理論以外的專題實務單元中，會以它們為首選之探討對象。

到目前為止，我們已經針對清大劉雲浩院長所歸納之IoT三個重要特徵的其中兩個，也就是設備化以及互聯化，稍作解釋與回應。但是智能化是怎麼回事？筆者想採取另一個角度為讀者切入主題。

首先，Mark Fell在其書中關於IoT的意義，採用Adrian McEwen和Hakim Cassimally於「Designing the Internet of Things」中的「公式」加以定義，其實和劉院長的看法有異曲同工之妙：

Physical Object （實體）

+

Controller, Sensors, and Actuators （控制器、傳感器、和促動器）

+

Internet （網路）

=

Internet of Things （物聯網）

從上述公式，我們可以對於IoT的三個重要特徵再次對應、並整理如下：

1) 設備化：Physical Object + Controller

2) 互聯化：Physical Object + Controller + Internet

3) 智能化：Physical Object + Controller + Sensors and Actuators

對於上述第一項的設備化對應關係，相信讀者從控制器的角度已經可以理解；至於第二項的互聯化也差不多，但值得一提的是，互聯的功能是無法單從通訊技術本身加以實踐的，仍然需要透過Controller將已經編譯好的程式一步接著一步精確地執行，所以實體除了網路還需要再加上控制器才能成功。

最後，是所謂的智能化，就是將傳感器（Sensor）和促動器（Actuator）整合進來。傳感器和促動器其實相當程度模仿生物感官與肢體的功能。透過不只視覺、聽覺、觸覺等等傳感功能，並配合手足肢體的執行功能，賦予實體設備更多的智慧才能。

提到物聯網就不能不提到RFID（原文：Radio Frequency IDentification，中文：無線射頻辨識）標籤，因為它是最早用在物流管理的一個創新技術，分成不需安裝電源的被動式標籤、以及需要電源的主動式標籤兩種。

從表格1-1可以看出RFID屬於較低階的通訊技術，再從圖1-2的左下方可以看到在物聯網的技術發展路線圖中，美國一家非營利的研究組織SRI International (SRI)認定它屬於2010年之前的一個發展重點，也確實對於物流產生很大的幫助，甚至應用在台灣的高速公路電子收費系統（Electronic Toll Collection，簡稱ETC），也是目前世界最大的公路電子收費系統。

本書關於技術與應用方面的實務則著重在2010至2020這段時間的Roadmap重點，我們可以看到圖1-2已為我們列出這段期間的幾項重點議題，像是監控、安防、衛生保健、甚至定位等等，也正是本書希望著墨的地方。本書前4個單元會從微控制器、通訊技術、傳感器、和促動器4個基礎出發，除了觀念演譯，也有豐富的範例說明。

以上內容節錄自《小物大聯網：Arduino、WiFi和Sensors創客設計》鄭一鴻◎著．愛蕊科技出版

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我們借用中國清華大學軟件學院院長的劉雲浩教授的定義，代表亞洲對物聯網（Internet of Things，縮寫IoT）的觀點：「它是網際網路、傳統電信網等資訊承載體，讓所有能行使獨立功能的普通物體實作互聯互通的網路。」並補充說明它「具有普通對象設備化，自治終端互聯化和普適服務智能化三個重要特徵。」其中，從筆者的角度觀察，設備化在乎它能夠被控制，互聯化在意它的訊息能夠被交換，智能化則在於它的功能往往凸顯出人工智慧。

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本書是愛蕊科技有限公司為了推廣其科技教育和科技應用的第一本進修學習專書，且由於愛蕊科技的教育和應用理念是從做中學，因此本書設計成需要搭配愛蕊科技所推出的「愛蕊物聯網實驗包」一起透過實務驗證，達到最佳的學習效果。

承上，愛蕊科技期待在教育（Education）和應用（Application）兩個面向盡一點心力，所以就採用E（Edu.）和A（App.）兩個字母代表相關的系列產品名稱：

E系列：先推出本書（第1版）以及「愛蕊教育開發板」，希望協助學校學生、在職進修者、創客等等朋友，有一個學習物聯網的工具在手邊，方便上手。

AE系列：預計再推出本書（第2版）以及「愛蕊教育暨應用開發板」，同樣希望幫到學校學生、在職進修者、創客社群朋友，只是這個版本不僅著重在學習，更在書本內容及開發板上作出有助於應用的設計，但請讀者拭目以待。

A系列：最後預計再推出本書（第3版）以及愛蕊相關應用產品，這時候的重點就不再純粹以教育為角度了，反而是要以單純應用產品的思維推出，希望向讀者展示愛蕊科技在物聯網這個市場所要推動的產品，同時期待藉由拋出這樣的產品磚，能夠引出讀者們寶貴的良品玉，刺激讀者有信心跨出創客純欣賞的思維，進一步成功商品化造福大家。

愛蕊的精神就是：不怕青澀的過程，以信心和愛心不斷育成，終至結果。威廉‧佩利（William Paley，1743-1805），一位200多年前的學者、作家和牧師，曾以一個通俗有名的比喻「手錶和它們的製造者」，辯證他從宇宙大自然的精妙，反推其背後必然有一位創造者，就如同手錶不會平白無故產生，其背後必然有一位製造者。

當然，讀者不見得全然認同威廉‧佩利的觀點，然而可以確定的事情是，一宗精妙的設計，一項實用的製造，除了讓人讚嘆作品之美好，還能分享創作者的喜悅，甚至藉此改善某些生活品質，或提升某些心靈的境界！親愛的讀者，何不一起開始善用並發揮我們的創意，永遠不晚！

本書是愛蕊科技有限公司為了推廣其科技教育和科技應用的第一本進修學習專書，且由於愛蕊科技的教育和應用理念是從做中學，因此本書設計成需要搭配愛蕊科技所推出的「愛蕊物聯網實驗包」一起透過實務驗證，達到最佳的學習效果。

承上，愛蕊科技期待在教育（Education）和應用（Application）兩個面向盡一點心力，所以就採用E（Edu.）和A（App.）兩個字母代表相關的系列產品名稱：

E系列：先推出本書（第1版）以及「愛蕊教育開發板」，希望協助學校學生、在職進修者、創客等等朋友，有一個學習物聯網的工具在手邊，方便上手。

AE系列：...

第 1 單元 物小而美
1.1 微控制器的小故事
1.2 從物聯網切入程式教育
1.2.1 為何需要程式教育？
1.2.2 Arduino vs. 程式教育
1.2.3 撰寫第一支Arduino程式
1.2.4 執行第一支Arduino程式
※ 參考資料
※ 思考議題

第 2 單元 多元聯網
2.1 USB聯網
2.1.1 USB通訊硬體介面
2.1.2 以USB呈現UART
2.1.3 USB Hub與OTG
2.1.4 USB數據連線
2.2 藍芽聯網
2.2.1 藍芽通訊之用法示範
2.2.2 藍芽技術應用於物聯網
2.2.3 從程式看BT vs. UART
2.3 WiFi聯網
2.3.1 WiFi通訊之用法示範
2.3.2 WiFi技術應用於物聯網
2.3.3 ESP8266聯網之熱門技術
※ 參考資料
※ 思考議題

第 3 單元 智能傳感
3.1 數位型傳感器模組
3.1.1 功能對照
3.1.2 程式驗證
3.1.3 執行結果
3.2 類比型傳感器模組
3.2.1 功能對照
3.2.2 程式驗證
3.2.3 執行結果
3.3 ESP8266微控制器
3.3.1 以Arduino IDE 開發ESP8266
3.3.2 執行傳感器模組之Arduino程式
※ 參考資料
※ 思考議題

第 4 單元 智能聯網
4.1 安信可ESP-12F開發板
4.1.1 內建光敏傳感器
4.1.2 內建RGB 七彩燈促動器
4.1.3 內建Push-Button傳感器
4.2 安信可ESP-12F燒錄板
4.2.1 開發板USB vs. 燒錄板USB
4.2.2 Flash鈕 vs. Reset鈕
4.3 ESP8266之網路功能
4.3.1 ESP8266之Arduino WiFi功能
4.3.2 ESP8266之Arduino TCP/IP功能
※ 參考資料
※ 思考議題

第 5 單元 智能促動
5.1 聲光促動
5.1.1 改用序列埠控制聲光
5.1.2 改用藍芽控制聲光
5.2 聲促動智能應用：倒車警示
5.3 光促動智能應用：自動照明
5.4 結語
※ 參考資料
※ 思考議題

附錄 A Arduino ESP8266開發環境FAQ
附錄 B 愛蕊物聯網開發套件組簡介
B.1 愛蕊物聯網開發板簡介
B.2 愛蕊物聯網材料包簡介
B.3 愛蕊物聯網App免費體驗版簡介
附錄 C 本書所有實驗之Arduino指令整理

第 1 單元 物小而美
1.1 微控制器的小故事
1.2 從物聯網切入程式教育
1.2.1 為何需要程式教育？
1.2.2 Arduino vs. 程式教育
1.2.3 撰寫第一支Arduino程式
1.2.4 執行第一支Arduino程式
※ 參考資料
※ 思考議題

第 2 單元 多元聯網
2.1 USB聯網
2.1.1 USB通訊硬體介面
2.1.2 以USB呈現UART
2.1.3 USB Hub與OTG
2.1.4 USB數據連線
2.2 藍芽聯網
2.2.1 藍芽通訊之用法示範
2.2.2 藍芽技術應用於物聯網
2.2.3 從程式看BT vs. UART
2.3 WiFi聯網
2.3.1 WiFi通訊之用法示範
2.3.2 WiFi技術應用於...