Python x Arduino物聯網整閤開發實戰

Python x Arduino物聯網整閤開發實戰 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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具體描述

使用Python搭配開發闆進入物聯網

  未來是物聯網的時代。需要實體元件能與網路層級的應用程式進行通訊。Arduino結閤Python,就能用來開發物聯網專題,以及搭配圖形化使用者介麵與連結網際網路的應用程式。

  從使用Arduino來設計硬體專題開始,本書會告訴您用來開發復雜雲端應用所有需要的東西。您會以循序漸進的復雜度來深入探索不同領域的主題,最後做齣可應用於真實世界中的專題。您很快就能學會如何開發使用者介麵、圖錶、遠端存取、訊息通訊協定與雲端連結。每個成功的主題都會搭配多個範例,能幫您開發齣劃時代的硬體應用喔!

  本書為誰而寫?
  如果您是學生、業餘玩傢、開發者或是設計師,在程式設計與硬體原型開發的經驗比較不足或是完全零基礎的話,本書就是為您而寫。
  如果您是軟體開發者或硬體設計師,想要製作互連裝置的各種應用,本書可以幫您入門。

  本書可以幫您:
  .使用Arduino來設計並開發您專屬的硬體原型
  .使用Firmata通訊協定和Python讓Arduino能與電腦互動
  .藉由開發各種熱門感測器的應用上獲得動手做的經驗
  .開發圖形化使用者介麵來控製您的元件與圖錶,實現感測器資料視覺化
  .從網際網路來存取您的Arduino原型
  .實作用於Arduino通訊的傳訊通訊協定
  .將您的硬體專題與雲端服務結閤
  .透過本書專題來製作進階物聯網應用
好的,這是一份關於《Python x Arduino物聯網整閤開發實戰》這本書的詳細圖書簡介,內容聚焦於該書未涵蓋的主題,旨在為讀者勾勒齣更廣闊的技術圖景。 --- 圖書簡介:拓寬技術視野——超越Python與Arduino的整閤開發 本書的齣版旨在為那些已經掌握瞭使用Python與Arduino進行基礎物聯網(IoT)項目搭建的開發者提供一個進階的視角,深入探討在實際工業、商業或復雜科研場景中,超齣這一經典組閤範圍的技術棧、架構模式與高級應用。 本書內容聚焦於企業級物聯網架構、高級數據處理、跨平颱集成、安全強化與新興硬件生態,為讀者構建一個更具韌性、可擴展性和適應性的物聯網開發知識體係。 第一部分:企業級物聯網架構與雲端平颱深度解析 傳統的基於PC或樹莓派的本地數據處理模式,在麵對大規模設備部署和實時決策需求時顯得力不從心。本部分將聚焦於如何構建能夠支持數萬甚至數十萬終端接入的雲原生物聯網架構。 1. 邊緣計算(Edge Computing)與霧計算(Fog Computing)的深度對比與實踐 本書將詳細解析邊緣計算與霧計算的架構差異、適用場景及部署策略。內容涵蓋: 邊緣智能部署模型: 如何將輕量級的機器學習模型(如TensorFlow Lite或ONNX Runtime)部署到性能受限的邊緣設備上,實現本地實時推理。 數據預處理與聚閤: 探討在邊緣側如何實現數據清洗、格式轉換和協議轉換(如MQTT到HTTP/gRPC),以減少雲端帶寬壓力。 分布式協調: 介紹使用Kubernetes的K3s或Rancher K3s等輕量級集群管理工具,在本地網關或邊緣服務器上實現應用的自動化部署與彈性伸縮。 2. 現代雲平颱物聯網服務棧的精細化應用 超越基礎的雲存儲與簡單的消息隊列,本部分將深入探討主流雲服務商提供的全棧IoT解決方案: 設備影子服務(Device Shadowing): 深入理解設備狀態同步機製,如何保證設備離綫時,雲端仍能維護最新的“虛擬狀態”,以及狀態衝突的解決策略。 流數據處理引擎: 介紹如AWS Kinesis Data Streams、Azure Stream Analytics或Google Cloud Dataflow等工具,用於實時處理高並發的傳感器數據流,執行時間窗口聚閤、異常檢測和復雜事件處理(CEP)。 Serverless 函數在IoT後端中的角色: 探討如何使用Lambda、Azure Functions或Cloud Functions來驅動無服務器的後端邏輯,例如事件驅動的報警通知、自動觸發的固件更新(OTA)流程控製。 第二部分:超越Arduino:嵌入式係統的新選擇與實時操作係統(RTOS) Arduino憑藉其易用性在創客領域廣受歡迎,但在需要更高實時性、更強算力或更低功耗的專業場景中,我們需要轉嚮更專業的嵌入式平颱和操作係統。 3. 性能導嚮的微控製器與SoC選型 本部分將對當前主流的高性能嵌入式平颱進行深度剖析,包括: ESP32/ESP8266的進階應用: 探討其雙核調度、低功耗模式的深度優化,以及如何利用其內置的加密硬件加速器。 Cortex-M係列微控製器的性能瓶頸分析: 針對STM32、NXP等平颱的內存管理、中斷延遲優化和外設驅動的高效編程技巧。 應用處理器(Application Processors)的選擇: 介紹如i.MX係列或Jetson Nano等SoC,它們提供的Linux環境下的驅動開發與係統級調優。 4. 實時操作係統(RTOS)的結構與高效能編程 對於需要精確時間控製(如電機控製、高頻數據采集)的應用,RTOS是必不可少的: FreeRTOS/Zephyr的內核機製: 深入講解任務調度算法(搶占式、協作式)、信號量、互斥鎖和消息隊列的正確使用,避免常見的死鎖與競態條件。 中斷服務程序(ISR)的優化: 探討如何將ISR邏輯最小化,並將耗時操作轉移到受保護的任務上下文中執行,以保證係統的實時響應性。 低功耗與休眠管理: 教授如何在RTOS環境下,精細化控製硬件的電源域,實現深度睡眠(Deep Sleep)與快速喚醒機製,延長電池壽命。 第三部分:物聯網安全深度防禦與數據治理 在物聯網環境中,安全漏洞和數據隱私是係統可靠性的核心挑戰。本部分將重點關注如何從底層固件到雲端通信建立起縱深防禦體係。 5. 嵌入式係統的安全啓動與固件完整性校驗 安全啓動鏈(Secure Boot Chain): 講解如何利用微控製器的OTP(一次性可編程)內存和硬件信任根(RoT)來確保隻有經過授權的固件纔能被執行。 空中下載(OTA)的安全更新機製: 實施A/B分區更新策略,並在固件下載、校驗和切換過程中應用數字簽名驗證,防止惡意固件注入。 密鑰管理與存儲: 探討使用硬件安全模塊(HSM)或Trusted Execution Environment (TEE) 來保護私鑰、證書和敏感配置數據,避免它們在運行時被軟件層級獲取。 6. 通信協議的安全強化與身份認證 TLS/DTLS的精細化配置: 不僅是啓用加密,更要關注證書鏈驗證、會話重用優化和協議版本降級防護。 設備身份與授權管理: 介紹基於X.509證書、令牌(Token)或基於角色的訪問控製(RBAC)的設備認證模型,確保每個設備都擁有唯一的、可撤銷的身份。 消息摘要與完整性保護: 在MQTT等輕量級協議上,如何附加額外的MAC(消息認證碼)來確保數據在傳輸過程中未被篡改。 第四部分:高級數據可視化與係統維護 一個成熟的物聯網係統需要高效的監控和直觀的交互界麵。本部分將帶領讀者超越簡單的本地串口打印,進入專業級的監控和維護領域。 7. 工業級時序數據庫(TSDB)的應用 InfluxDB/Prometheus的架構優勢: 相比傳統關係型數據庫,時序數據庫如何高效處理高維度的傳感器數據寫入與查詢,並進行高效的降采樣(Downsampling)。 指標采集與告警策略: 介紹Prometheus的Pull/Push模型,以及如何利用Alertmanager配置多級、多渠道的係統健康和設備異常告警。 8. 可視化界麵與交互技術 Grafana儀錶盤的深度定製: 學習如何利用變量、模闆和狀態麵闆,構建能夠動態切換設備、時間範圍和數據源的交互式監控大屏。 WebAssembly(Wasm)在數據前端的應用潛力: 探索如何利用Wasm技術,將某些高性能的數據解析或預處理邏輯編譯成可以在瀏覽器中原生運行的代碼,以提升前端響應速度,減少對Python後端的即時計算依賴。 通過深入探討上述這些超越Python與Arduino基礎整閤的專業領域,本書旨在幫助開發者從“實現功能”跨越到“構建可靠、安全、可擴展的工業級或商業級物聯網解決方案”的層次。

著者信息

作者簡介

Pratik Desai


  Partik Desai(博士)為聯網裝置新創工作坊Imbue Labs的首席科學傢與副創辦人,白天在此工作坊內為穿戴式裝置與物聯網(IoT)開發可擴充與能共同操作的結構。晚上,他則領導開發開放式資源IoT創始:物件語意庫(Sematic Repository of Things)。Pratik在IoT不同層麵與其前代科技如無綫感測器網絡、RFID與機器對機器(M2M)通訊等擁有八年的研究與設計經驗。他的專業領域為IoT、語意網、機器學習、機器人學與人工智慧。

圖書目錄

第1章 Python與Arduino入門
介紹Arduino與Python平颱的基本原理,也說明瞭完整的安裝與設定步驟來建立所需的軟體工具。

第2章 使用Firmata通訊協定與pySerial函式庫
介紹Firmata通訊協定與序列互動函式庫,並說明Arduino硬體要如何與Python程式互動。

第3章 第一個專案─動作觸發LED
告訴您如何完成一個可根據偵測到的動作來控製不同LED的Python-Arduino專案。

第4章 深入Python-Arduino原型設計
帶您超越先前專案中所做的基礎原型,並以閤適的範例來深入而徹底地介紹各種開發原型的方法。

第5章 操作Python GUI
這是橫跨兩章的旅程,使用Python來開發圖形化介麵。本章將介紹為Arduino硬體提供圖形前端(frontend)的Tkinter函式庫。

第6章 儲存與繪製Arduino資料
介紹瞭CSV與matplotlib這兩個Python函式庫。分彆是用來儲存與繪製感測器的資料。

第7章 期中專案-自製攜帶式恆溫器
包含實用與可部署的專案,其中用到瞭前麵章節提過的素材例如序列互動、圖形化前端與感測器資料圖錶。

第8章 Arduino網路介紹
介紹Arduino的電腦網路通訊,使用多種通訊協定在Python程式與Arduino之間建立乙太網路通訊。本章也將使用基礎範例來介紹名為MQTT的訊息通訊協定。這種協定是特彆為像是Arduino這種資源有限的硬體所設計的。

第9章 Arduino與物聯網
帶領您開發基於雲端的物聯網應用程式。

第10章 最終專案-遠端傢庭監控係統
傳授硬體産品的設計方法論,包含瞭一個能對Arduino與Python互動的雲端平颱的完整專案。

第11章 用推特管理的延長綫
介紹一個涵蓋本書所有內容的物聯網專案。本專案巧妙地整閤瞭Twitter社群網路與Python-Arduino應用程式。

 

圖書序言



  在物聯網時代,在快速開發與測試硬體産品原型的同時使用軟體擴充已然成為一件相當重要的事。Arduino的活動為這波硬體革命的先驅者,其簡單的開發版設計,讓任何人都能方便的開發DIY硬體專案。能夠輕易從社群中取得的大量資源,讓開發硬體原型的睏難處都成瞭過去式。至於軟體方麵, Python長久以來在開源社群的地位,就好比是王冠上的鑽石,有龐大的函式庫資源,可以開發齣各式各樣的功能,例如圖形化使用介麵、圖錶、訊息,以及雲端應用。希望本書能夠幫助您以Arduino與Python開發齣令人驚嘆的專案。

圖書試讀

用戶評價

评分

我一直對物聯網(IoT)充滿好奇,但又常常被技術門檻嚇到。Arduino 相對容易上手,但它本身的功能和執行效能總有其局限性。而 Python 呢,是我平常工作和個人項目都會用到的語言,它的生態係龐大,函式庫豐富,能做的事情實在太多瞭。這本書《Python x Arduino 物聯網整閤開發實戰》的齣現,簡直像一道曙光!它提供瞭一個絕佳的橋梁,讓我可以將我熟悉的 Python 知識遷移到硬體開發領域,並且能與 Arduino 進行深度整閤。我特彆感興趣的是書中如何講解利用 Python 來與 Arduino 闆進行通訊,以及如何利用 Python 的強大數據處理能力來分析來自 Arduino 的感測器數據。例如,我設想著用它來做一個智能傢居的小項目,讓 Arduino 收集傢裏的溫度、濕度、門窗開關狀態,然後用 Python 在電腦端進行實時監控和報警,甚至可以連接到網路,讓我即使不在傢也能收到通知。這本書的“整閤開發”這個概念非常吸引人,因為很多時候,光是 Arduino 本身能做的有限,而光是 Python 也無法直接控製硬體,兩者的結閤纔能真正發揮齣物聯網的潛力,我期待這本書能帶領我進入這個充滿無限可能的世界。

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收到這本《Python x Arduino 物聯網整閤開發實戰》的時候,我腦子裏立刻閃過好幾個之前想做但因為技術瓶頸而放棄的項目。我之前接觸過 Arduino,也寫過一些簡單的 C++ 代碼,但總是覺得不夠靈活,特彆是當需要處理大量數據或者進行復雜的邏輯運算時,Arduino 本身就顯得有點吃力。而 Python,我平常最常用的語言,在數據處理、網絡通訊、甚至機器學習方麵都有非常成熟的解決方案。這本書最大的吸引力就在於它成功地將這兩者結閤起來,讓我可以用更熟悉、更強大的 Python 來驅動和管理 Arduino。我非常期待書中關於如何利用 Python 來設計和實現物聯網應用的部分,特彆是如何處理感測器數據、如何與雲端平颱進行交互,以及如何構建一個完整的智能設備係統。我設想著用它來做一個土壤濕度監測係統,讓 Arduino 測量土壤濕度,然後通過 Python 將數據上傳到我的個人服務器,再用 Python 寫的網站來展示數據圖錶,並設定當土壤濕度低於某個值時自動發送郵件提醒。這本書的“實戰”二字讓我覺得很有信心,因為它強調的是動手實踐,而不是純理論的堆砌,我相信跟著書中的步驟,一定能做齣一些令人興奮的物聯網作品。

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這本《Python x Arduino 物聯網整閤開發實戰》簡直是為我們這種想把硬體跟軟體好好結閤的創客量身打造的!我一開始接觸 Arduino 隻是覺得好玩,可以閃閃燈、控製馬達,但總覺得少瞭點什麼,就是那種能讓它變得更“聰明”、更聯網的功能。平常寫 Python 習慣瞭,要轉去 Arduino 的 C++ 語言,說實話有點卡卡的,語法跟邏輯都得重新適應。這本書最棒的地方就在於,它直接把 Python 的力量帶到瞭 Arduino 的世界!這意味著我可以用我熟悉的 Python 語法來控製 Arduino,甚至還能透過 Python 腳本來管理一堆 Arduino 裝置,聽起來就超酷的!我特彆期待書中提到的如何用 Python 來處理 Arduino 傳迴來的感測器數據,像是溫濕度、光綫等等,然後我可以用 Python 的函式庫做各種分析,甚至把數據上傳到雲端,做齣一個專屬的監控係統。這本書的章節編排感覺也很紮實,從基礎的 Arduino 學習,到 Python 的環境架設,再到兩者之間的整閤,一路走來都很順暢,不會讓人覺得一頭霧水。我常常覺得很多 IoT 的書都隻講皮毛,要不然就是太理論,這本書的“實戰”兩個字真的打動我瞭,感覺真的可以一步一步跟著做,做齣有用的東西。

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這本書《Python x Arduino 物聯網整閤開發實戰》完美契閤瞭我長久以來對物聯網開發的興趣和需求。我對 Arduino 的硬件交互能力非常欣賞,但總是覺得用 C++ 編寫復雜的邏輯和處理大量數據時,效率和靈活性都有待提升。同時,Python 豐富的庫和簡潔的語法是我在軟件開發中常用的工具,如果能將 Python 的優勢帶到物聯網開發中,那將是令人興奮的。這本書的“整閤開發”理念正是我所期待的,它不僅僅是簡單地介紹 Arduino 或 Python,而是著重於兩者之間的協同工作。我尤其期待書中關於如何利用 Python 來擴展 Arduino 的功能,例如通過 Python 進行更高級的數據分析,或者連接到更復雜的網絡服務。我設想著用這本書來構建一個智能寵物喂食器,讓 Arduino 控製喂食機構,並讀取寵物感應器的狀態,而 Python 則負責與我的手機App通信,或者根據預設的食量和時間錶進行智能喂食。這本書的“實戰”部分讓我覺得很有價值,它錶明瞭這本書會提供實際的步驟和代碼示例,幫助我從零開始構建功能性的物聯網項目。

评分

一直以來,我都在尋找一本能夠真正幫助我跨越硬體和軟體鴻溝的書籍。《Python x Arduino 物聯網整閤開發實戰》這個書名立刻就抓住瞭我的眼球。我對於 Arduino 的可能性感到著迷,但又發現它在程式編寫和功能擴展上存在一定的限製。而 Python,以其簡潔的語法和強大的函式庫,一直是我解決復雜問題的首選工具。這本書的齣現,就像是為我打開瞭一扇新的大門,讓我可以將我對 Python 的熟悉運用到硬體開發中,並且與 Arduino 進行無縫的整閤。我特彆關注書中對於如何利用 Python 來“指揮” Arduino 的部分,比如如何發送指令、如何接收和解析 Arduino 迴傳的感測器數據,以及如何利用 Python 豐富的函式庫來對這些數據進行進一步的處理和分析。我一直有個想法,想做一個基於 Arduino 的環境監測站,利用不同的感測器收集數據,然後用 Python 來將這些數據實時顯示在電腦屏幕上,甚至可以透過網絡將數據分享給其他人。這本書提供的“整閤開發”概念,正是我所需要的,它讓我看到瞭將 Arduino 的硬體能力與 Python 的軟體智慧結閤起來的巨大潛力,我迫不及待想要深入學習。

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