JavaScript与物联网

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。