物联网入门
文档摘要
物联网入门 本课概览的速写笔记 速写笔记由 Nitya Narasimhan 绘制。点击图片查看大图。 这节课是作为 Hello IoT 系列 的一部分，在 Microsoft Reactor 教授的。这节课通过两段视频进行教学——一段1小时的课程，另一段1小时的办公室时间，深入探讨课程的部分内容并回答问题。 第1课：物联网简介 第1课：物联网简介 - 办公室时间 点击上面的图片观看视频 预习测验 预习测验 引言 本节课涵盖了关于物联网的一些基础知识，并指导你如何设置硬件设备。 在这节课中，我们将涵盖： 什么是“物联网”？ 物联网设备 设置您的设备 物联网的应用 您周围可能遇到的物联网设备示例 什么是“物联网”？
物联网入门
速写笔记由 Nitya Narasimhan 绘制。点击图片查看大图。
这节课是作为 Hello IoT 系列 的一部分，在 Microsoft Reactor 教授的。这节课通过两段视频进行教学——一段1小时的课程，另一段1小时的办公室时间，深入探讨课程的部分内容并回答问题。
点击上面的图片观看视频
预习测验
引言
本节课涵盖了关于物联网的一些基础知识，并指导你如何设置硬件设备。
在这节课中，我们将涵盖：
什么是“物联网”？
“物联网”这个术语是由 Kevin Ashton 在1999年创造的，用来指通过传感器将互联网连接到物理世界。从那时起，“物联网”这个术语被用来描述任何与周围物理世界互动的设备，无论是通过传感器收集数据，还是通过执行器（如开关或LED灯）提供现实世界的交互，通常这些设备与其他设备或互联网相连。
传感器 收集来自世界的信息，例如测量速度、温度或位置。
执行器 将电信号转换为实际的交互，例如触发开关、打开灯光、发出声音或将控制信号发送到其他硬件，例如开启电源插座。
作为技术领域，物联网不仅仅是设备——它还包括可以处理传感器数据或将请求发送给连接到物联网设备的执行器的基于云的服务。它还包含那些没有或不需要互联网连接的设备，通常称为边缘设备。这些设备能够自行处理和响应传感器数据，通常使用在云端训练的人工智能模型。
物联网是一个快速增长的技术领域。据估计，截至2020年底，已有300亿台物联网设备部署并连接到互联网。展望未来，预计到2025年，物联网设备将收集近80泽字节的数据或80万亿千兆字节。这是一个巨大的数据量！
✅ 做一些研究：物联网设备生成的数据中有多少被实际使用，又有多少被浪费了？为什么会有这么多数据被忽略？
这些数据是物联网成功的关键。要成为一个成功的物联网开发者，你需要了解需要收集哪些数据，如何收集这些数据，如何根据这些数据做出决策，以及如何利用这些决策与物理世界进行互动（如果需要的话）。
物联网设备
物联网中的“T”代表“事物”——这些设备通过传感器收集数据或通过执行器提供现实世界的交互，与周围物理世界进行互动。
用于生产或商业用途的设备，如消费者健身追踪器或工业机器控制器，通常是定制制造的。它们使用定制电路板，甚至可能是定制处理器，以满足特定任务的需求，无论是在手腕上足够小，还是在高温度、高压力或高振动的工厂环境中足够坚固。
作为学习物联网或创建设备原型的开发者，你需要从开发工具包开始。这些是一般用途的物联网设备，专为开发者使用而设计，通常具有生产设备上不会有的功能，如连接传感器或执行器的外部引脚、支持调试的硬件，或额外的资源，这些资源在大规模生产时会增加不必要的成本。
这些开发工具包通常分为两类——微控制器和单板计算机。这些将在接下来的课程中详细介绍。
您的手机也可以被视为一种通用的物联网设备，内置有传感器和执行器，不同的应用程序以不同的方式使用这些传感器和执行器，并与不同的云服务进行互动。您甚至可以找到一些使用手机应用程序作为物联网设备的教学教程。
微控制器
微控制器（也称为MCU，即微控制器单元）是一种小型计算机，包括：
一个或多个中央处理单元（CPU）——微控制器的“大脑”，运行您的程序
存储器（RAM和程序存储器）——存储您的程序、数据和变量的地方
可编程输入/输出（I/O）接口——与外部外围设备（如连接的设备）通信，例如传感器和执行器
微控制器通常是低成本计算设备，用于定制硬件的一般价格平均降至约0.50美元，有些设备低至0.03美元。开发工具包可以从4美元开始，随着添加更多功能，成本会增加。Wio终端，一款来自Seeed工作室的微控制器开发工具包，带有传感器、执行器、Wi-Fi和屏幕，大约花费30美元。
当在网上搜索微控制器时，请注意，搜索“MCU”可能会返回大量与漫威电影宇宙相关的结果，而不是微控制器。
微控制器设计用于执行有限数量的非常具体的任务，而不是像PC或Mac这样的通用计算机。除了极少数情况外，您不能像使用普通PC或Mac那样连接显示器、键盘和鼠标进行一般用途的任务。
微控制器开发工具包通常自带额外的传感器和执行器。大多数板子都会有一个或多个LED，您可以编程控制，以及其他设备，如标准插口，以便添加更多传感器或执行器，使用各种制造商的生态系统，或内置传感器（通常是流行的传感器，如温度传感器）。有些微控制器内置了无线连接，如蓝牙或Wi-Fi，或在板上附加了额外的微控制器以实现这种连接。
微控制器通常用C/C++编程。
单板计算机
单板计算机是一种小型计算设备，所有计算机元素都集成在一个小板上。这些设备的规格接近桌面或笔记本电脑或Mac，运行完整的操作系统，但体积小、功耗低、价格便宜得多。
Raspberry Pi 是最流行的单板计算机之一。
与微控制器类似，单板计算机具有CPU、内存和输入/输出引脚，但它们还具有额外的功能，如图形芯片，允许您连接显示器、音频输出和USB端口，以连接键盘、鼠标和其他标准USB设备，如网络摄像头或外部存储。程序存储在SD卡或硬盘上，与操作系统一起，而不是集成在板上的内存芯片。
您可以将单板计算机视为阅读本文的PC或Mac的小型、廉价版本，增加了GPIO（通用输入/输出）引脚，以与传感器和执行器进行互动。
单板计算机是全功能计算机，因此可以用任何语言编程。物联网设备通常用Python编程。
其余课程所需的硬件选择
所有后续课程都包括使用物联网设备与物理世界互动并与云通信的作业。每节课支持三种设备选择——Arduino（使用Seeed Studios Wio Terminal），或单板计算机，既可以是物理设备（Raspberry Pi 4），也可以是在PC或Mac上运行的虚拟单板计算机。
您可以阅读有关完成所有作业所需硬件的详细信息，请参阅硬件指南。
您无需购买任何物联网硬件即可完成作业，您可以使用虚拟单板计算机完成所有内容。
您选择哪种硬件取决于您在家或学校有什么可用的设备，以及您已经知道或计划学习的编程语言。两种硬件变体将使用相同的传感器生态系统，因此如果您开始了一个路径，您可以随时切换到另一种路径，而无需更换大部分套件。使用虚拟单板计算机相当于在Raspberry Pi上学习，如果最终获得设备和传感器，大多数代码都可以移植到Pi上。
Arduino 开发工具包
如果您对学习微控制器开发感兴趣，您可以使用Arduino设备完成作业。您需要对C/C++编程有基本的理解，因为课程仅教授与Arduino框架、使用的传感器和执行器以及与云交互的库相关的代码。
作业将使用Visual Studio Code 和 PlatformIO扩展，用于微控制器开发。如果您熟悉此工具，也可以使用Arduino IDE，但不会提供指令。
单板计算机开发工具包
如果您对使用单板计算机学习物联网开发感兴趣，您可以使用Raspberry Pi或在PC或Mac上运行的虚拟设备完成作业。
您需要对Python编程有基本的了解，因为课程仅教授与使用的传感器和执行器以及与云交互的库相关的代码。
如果您想学习Python编程，请参考以下两个视频系列：
作业将使用Visual Studio Code。
如果您使用的是Raspberry Pi，您可以选择使用Raspberry Pi OS的完整桌面版本，在Pi上直接进行所有编码，使用Raspberry Pi OS版本的VS Code，或者将Pi作为无头设备运行，并从PC或Mac使用VS Code和远程SSH扩展进行编码，这样可以像直接在Pi上编码一样编辑、调试和运行代码。
如果您选择虚拟设备选项，您将直接在计算机上编码。代替访问传感器和执行器，您将使用一个工具来模拟硬件，提供您定义的传感器值，并显示执行器的结果。
设置您的设备
在开始编程您的物联网设备之前，您需要做一些简单的设置。请根据您将要使用的设备遵循下面的相关说明。
如果您还没有设备，请参考硬件指南以帮助决定您将要使用的设备以及需要购买的额外硬件。您不需要购买硬件，因为所有项目都可以在虚拟硬件上运行。
这些说明包括链接到硬件或您将使用工具的创建者的第三方网站。这是为了确保您始终使用最新版本的工具和硬件。
按照相关指南设置您的设备并完成一个“Hello World”项目。这将是创建一个物联网夜灯的四个课程中的第一步。
## 物联网的应用 物联网涵盖了许多使用案例，主要分为几个大类： * 消费者物联网 * 商业物联网 * 工业物联网 * 基础设施物联网 ✅ 做一些研究：对于下面描述的每个领域，请找到一个具体的例子，而不是文本中给出的例子。 ### 消费者物联网 消费者物联网指的是消费者会在家中购买和使用的物联网设备。这些设备中有许多非常有用，比如智能音箱、智能供暖系统和机器人吸尘器。但也有一些设备在实用性上值得商榷，例如通过语音控制的水龙头，在水流声过大时无法关闭。 消费者物联网设备正在使人们在其周围环境中实现更多的功能，特别是对那10亿有残疾的人而言。机器人吸尘器可以帮助行动不便的人打扫地板，而无需亲自操作；语音控制的烤箱允许视力受限或手部运动受限的人仅用声音就能启动烤箱；健康监测设备可以让患者自己监控慢性疾病，并获得更频繁和详细的病情更新。这些设备变得如此普遍，以至于连小孩子也在日常生活中使用它们，例如在疫情期间，学生在家上学时会在智能家居设备上设置计时器来跟踪他们的作业进度或提醒他们即将开始的课程。 ✅ 你身上或家里有哪些消费者物联网设备？ ### 商业物联网 商业物联网涵盖了物联网在工作场所的应用。在一个办公室里，可能会有占用传感器和运动检测器来管理照明和供暖，以确保在不需要时关闭灯光和暖气，从而降低成本和碳排放。在工厂中，物联网设备可以监测安全风险，如工人未佩戴安全帽或噪音达到危险水平。在零售业中，物联网设备可以监测冷藏温度，如果冰箱或冰柜的温度超出所需范围，则会通知店主，或者监测货架上的商品，引导员工及时补货。运输行业越来越依赖物联网来监测车辆位置、记录路上行驶里程以进行道路收费、监控驾驶员的工作时间和休息合规情况，或者当车辆接近仓库时通知工作人员准备装货或卸货。 ✅ 你的学校或工作场所有哪些商业物联网设备？ ### 工业物联网（IIoT） 工业物联网（IIoT）是使用物联网设备来大规模控制和管理机器。这包括从工厂到数字农业等各种应用场景。 工厂通过多种传感器监控机器，以跟踪温度、振动和旋转速度等数据。这些数据可以被监控，以确保机器在超出一定容差时停止运行——例如，如果机器过热，就会被关闭。这些数据还可以被收集和分析，用于预测性维护，其中AI模型会分析导致故障的数据，并利用这些信息预测其他可能的故障。 数字农业对于满足日益增长的人口至关重要，尤其是在那20亿生活在5亿户家庭中的居民中，他们依靠自给自足的农业生活。数字农业可以从几美元的传感器到大型商用系统不等。农民可以通过监测温度并使用积温（生长度日）来预测作物何时可以收获。他们还可以将土壤湿度监测与自动灌溉系统连接起来，为作物提供所需的水分，避免浪费水资源。农民甚至进一步利用无人机、卫星数据和AI来监测大面积农田的作物生长、病害和土壤质量。 ✅ 还有哪些物联网设备可以帮助农民？ ### 基础设施物联网 基础设施物联网是监测和控制人们每天使用的本地和全球基础设施。 智慧城市是使用物联网设备来收集城市数据并改善城市管理的城市区域。这些城市通常由地方政府、学术界和当地企业合作运营，管理从交通到停车和污染的各种事项。例如，在丹麦哥本哈根，空气污染对当地居民非常重要，因此会被测量并用来提供最清洁的骑行和慢跑路线信息。 智能电网通过收集每家每户的用电数据来更好地分析电力需求。这些数据可以在国家层面指导决策，如在哪里建设新的发电站，也可以在个人层面为用户提供关于他们用电量、何时用电以及如何减少成本的见解，例如建议夜间充电电动汽车。 ✅ 如果你可以添加任何物联网设备来测量你居住的地方的某些指标，你会选择什么？ ## 你身边的物联网设备示例 你可能会惊讶地发现你身边有多少物联网设备。我正在家里写作，我有以下设备连接到互联网，具有智能功能，如应用程序控制、语音控制或能够通过手机向我发送数据： * 多个智能音箱 * 冰箱、洗碗机、烤箱和微波炉 * 太阳能板的电量监测器 * 智能插座 * 视频门铃和安全摄像头 * 具有多重智能房间传感器的智能恒温器 * 车库门开启器 * 家庭娱乐系统和语音控制电视 * 灯光 * 健身和健康追踪器 所有这些类型的设备都有传感器和/或执行器，并且与互联网通信。我可以通过手机查看车库门是否打开，并要求我的智能音箱帮我关闭它。我甚至可以设置定时器，如果晚上车库门仍然开着，它会自动关闭。当有人按门铃时，无论我在世界的哪个角落，我都可以通过手机看到是谁，并通过内置在门铃中的扬声器和麦克风与他们交谈。我可以监控我的血糖、心率和睡眠模式，寻找数据中的规律以改善我的健康状况。我可以远程控制灯光，并在互联网连接中断时坐在黑暗中。 --- ## 挑战 列出你家里、学校或工作场所的所有物联网设备——你可能会惊讶地发现数量之多！ ## 课后测验 [课后测验](https://black-meadow-040d15503.1.azurestaticapps.net/quiz/2) ## 复习与自学 阅读有关消费者物联网项目的好处和失败的资料。在新闻网站上查找相关文章，了解其问题，例如隐私问题、硬件问题或由于缺乏连接性引起的问题。 一些示例： * 查看Twitter账号**[Internet of Sh*t](https://twitter.com/internetofshit)**（注意：包含脏话）以获取一些消费者物联网失败的实例。 * [c|net - 我的Apple Watch救了我的命：五人分享他们的故事](https://www.cnet.com/news/apple-watch-lifesaving-health-features-read-5-peoples-stories/) * [c|net - ADT技术员承认多年来窥探客户摄像头画面](https://www.cnet.com/news/adt-home-security-technician-pleads-guilty-to-spying-on-customer-camera-feeds-for-years/) （触发警告：非自愿偷窥）
请注意，为了保持自然流畅，部分翻译可能做了适当调整，但意思不变。
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本文件灏天文库团队进行了翻译。尽管我们力求准确，但请注意，翻译可能包含错误或不准确之处。原文档以其原始语言为准。我们不对因使用此翻译而产生的任何误解或误译负责。