小物大联网：Arduino、WiFi和Sensors创客设计 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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　　◎涵盖物联网之MCU、Sensors及网路三大主轴，稍具基础读者即能吸收的进修补品。
　　◎贯穿24个实验，并精挑重点作成影片展示，好学易用的实验设计，稍作变化就能展现创意。
　　◎整合实验开发板及基本实验组件，另购不需500元之高CP值实验套件，再送物联网App！

　　这是一本深入浅出的物联网进修着作，其「深入」可从开场定义、USB、BT及WiFi 的相关概念用法、多组传感器模组实务操作，并完整走过安信可开发板之传感／促动器功能，及其内建的WiFi 和TCP/IP 网路功能之学习等等，而能体会之。其「浅出」则可由作者精心设计24个实验，却只用33种指令就能完成，就算不会写程式也可以从上下文理解、感受之。

　　作者的理念是希望提供进修学习市场一种经济实惠之优质实验套件组，从中小学开始扎根，也让在职进修者与创客社群多一种深入浅出的物联网套件可以选择。因此不仅撰写此书，并同时提供结合Arduino、WiFi、烧录器、面包板之物联网开发板供学习之用，其低价位、高性价比之设计，相对当今坊间，绝对物超所值！非常适合专题制作、原型参展／简报、作品面试、小型专案等。详情可上 AERAEL.com 查询。
 

深度解析：嵌入式系统、物联网与无线通信技术前沿实践 本册技术专著聚焦于现代电子工程、嵌入式系统设计以及新兴的物联网（IoT）领域，旨在为读者提供一套全面、深入且高度实用的技术指南。全书的撰写基于扎实的理论基础与丰富的工程实践经验，致力于打通从基础概念到复杂系统集成的关键技术壁垒。 全书结构严谨，内容详实，共分为六大核心板块，每个板块都紧密围绕当前科技产业的核心需求展开： --- 第一部分：嵌入式系统核心原理与微控制器深度探究 本部分奠定了理解现代智能设备的基础。我们首先从微控制器（MCU）的架构演进和核心功能模块入手，详细剖析了冯·诺依曼与哈佛架构在实际应用中的差异与取舍。重点章节深入讲解了诸如中断处理机制、定时器/计数器的高级应用（如脉冲宽度调制PWM的精确控制与滤波）、以及存储器层次结构（SRAM、Flash、EEPROM）的数据管理策略。 特别地，我们构建了一个关于实时操作系统（RTOS）的专题模块。这部分内容超越了单纯的API调用介绍，而是深入探讨了任务调度算法（如固定优先级与抢占式调度）、资源竞争下的互斥访问与同步机制（信号量、互斥锁、消息队列的正确应用场景），并结合实际案例演示了如何通过RTOS优化嵌入式应用的响应速度与稳定性。此外，对低功耗设计策略进行了详尽的论述，包括休眠模式的选择、时钟门控技术以及电源管理单元（PMU）的配置，这对于开发电池供电设备至关重要。 --- 第二部分：高级传感器原理、信号调理与数据采集 本部分专注于感知层技术，这是任何智能系统的“眼睛”和“耳朵”。我们不仅罗列了主流传感器类型（如光学、压力、惯性测量单元IMU、环境气体传感器等），更着重于其背后的物理学原理和信号处理技术。 核心内容包括： 1. 传感器接口与协议解析： 详细解析了模拟信号到数字信号转换（ADC）的采样定理、量化误差分析以及过采样技术。对于数字接口，SPI、I2C、UART的电气特性、时序图、冲突解决机制被细致剖析。更进一步，我们引入了如CAN Bus和USB协议在嵌入式设备间的通信应用。 2. 信号调理电路设计： 针对传感器输出信号的弱电特性，我们探讨了低噪声放大器（LNA）的选择、桥式电路的平衡与线性化处理、以及有源滤波器（如巴特沃斯、切比雪夫滤波器）的设计与级联，确保采集到的原始数据具有足够的信噪比（SNR）。 3. 传感器融合技术： 针对高精度定位和姿态估计需求，本章讲解了卡尔曼滤波（Kalman Filter）及其扩展形式（EKF、UKF）在线性化和非线性系统中的应用，用于融合来自不同类型传感器的异构数据，实现状态估计的最优化。 --- 第三部分：网络通信协议栈与低功耗广域网（LPWAN）技术详解 物联网的实现离不开可靠的网络连接。本部分着重于通信技术栈的深入理解与实践，特别关注了面向海量、低功耗场景的网络方案。 内容涵盖了经典的TCP/IP协议簇的底层工作机制，如ARP解析、IP寻址与路由选择，以及TCP/UDP的可靠性保证机制。在此基础上，我们系统性地介绍了面向嵌入式环境的轻量级通信协议： 1. MQTT 深度剖析： 重点阐述了其发布/订阅模型、服务质量（QoS 0, 1, 2）的差异化保障、心跳机制与遗嘱消息（Last Will and Testament）的设计。 2. 新兴网络技术： 对当前主流的LPWAN技术进行了对比分析，包括LoRaWAN在物理层和MAC层的工作原理、NB-IoT的频谱效率与运营商集成优势，以及Sigfox的超窄带优势。我们还探讨了如何为特定的应用场景（如智能农业或资产追踪）选择最合适的广域网络技术。 3. 安全通信： 强调了传输层安全（TLS/DTLS）在资源受限设备上的优化实现，包括握手过程的计算开销分析与证书管理的最佳实践。 --- 第四部分：边缘计算与数据预处理技术 随着设备计算能力的增强，数据处理正从云端向设备端（边缘）迁移。本部分聚焦于如何在嵌入式平台上高效地执行数据分析和决策。 我们探讨了嵌入式机器学习（TinyML）的部署流程，从模型训练、量化压缩到最终在MCU或小型SoC上的高效推理。涉及的主题包括：卷积神经网络（CNN）在图像分类中的简化结构、决策树在异常检测中的应用，以及如何利用硬件加速器（如NPU/DSP）提升运算吞吐量。 数据预处理方面，本章详细介绍了时间序列数据的去噪算法（如移动平均、指数平滑），特征提取方法（如傅里叶变换FFT在信号分析中的应用），以及本地数据存储的策略，包括文件系统（如SPI Flash上的FATFS）与嵌入式数据库（如SQLite的精简版）的选择与优化。 --- 第五部分：云平台集成、数据可视化与系统运维 一个完整的物联网系统必须具备数据上云、存储、分析和反馈的能力。本部分指导读者如何无缝对接主流的云服务平台。 内容涉及： 1. 云端API交互模式： 详细演示了如何使用RESTful API与基于WebSocket的实时数据流与云服务器进行双向通信。 2. 数据模型设计： 讨论了时序数据库（Time-Series Database, TSDB）与关系型数据库在IoT数据存储中的适用性，并设计了高效的数据上报和回滚机制。 3. 可视化与告警系统： 介绍了如何利用Grafana、Kibana等工具对采集到的海量数据进行实时监控和趋势分析。重点讨论了基于阈值和行为模式的智能告警规则的配置与验证。 4. OTA（Over-The-Air）固件升级： 这一关键运维环节被作为独立章节进行深入讲解，包括固件分块、A/B分区策略、回滚机制设计，以确保设备在现场部署后的可维护性与可靠性。 --- 第六部分：复杂系统集成、测试与调试方法论 本书的最后一部分着眼于工程实践的闭环。我们将前述所有模块的知识点进行整合，构建一个端到端的复杂应用案例。 重点阐述了系统级测试的策略，包括单元测试在嵌入式环境中的Mocking技术、集成测试中的硬件在环（HIL）仿真方法。在调试层面，我们分享了高效利用逻辑分析仪、示波器进行协议时序定位的技巧，以及如何使用JTAG/SWD接口进行底层固件的非侵入式调试。最后，对项目生命周期管理中的版本控制、配置管理（CMake/Bazel在嵌入式项目中的应用）进行了规范性的指导，确保项目能够从原型阶段平稳过渡到量产部署。 --- 本书力求为电子工程师、软件开发人员以及技术爱好者提供一个结构完整、技术深度足够的参考框架，使其能够独立设计、开发并部署具备感知、连接和智能处理能力的下一代嵌入式与物联网设备。其内容深度和广度，足以支撑从基础原型搭建到工业级系统实现的全面技术需求。

作者简介

郑一鸿

　　学历：
　　国立台湾大学电机工程学研究所、计算机组博士

　　专长：
　　嵌入式系统设计、手机程式设计、云端程式设计、物联网系统设计

　　现任：
　　爱蕊科技有限公司董事长

　　重要经历：
　　各大职训中心／推广教育中心／电脑补习班之Android与Java课程讲师及作者（2011～迄今）、新加坡大学「IDMI实验室」短期访问研究（2010）、中国文化大学资讯科学系（今称资讯工程系）专任助理教授（2006～2010）、倚天资讯高级工程师／专案经理（2001～2005）、台湾大学电机系助教（1996～2001）。

　　着作：
　　第一次学Android就上手：从新手入门到专题制作上架（第二版）（2013）
　　第一次学Android就上手：从Java程式设计到行动装置专题制作（附光碟）（2012）
　　触控设计观念与创意应用（平装附数位影音光碟）（2011）

　　译作：
　　8051微控制器（第四版）（2008）
　　IBM PC组合语言与程式设计（附光碟）（2003）
 

第 1 单元    物小而美
1.1    微控制器的小故事    
1.2    从物联网切入程式教育    
1.2.1    为何需要程式教育？
1.2.2    Arduino vs. 程式教育    
1.2.3    撰写第一支Arduino程式    
1.2.4    执行第一支Arduino程式
※    参考资料    
※    思考议题    

第 2 单元    多元联网
2.1    USB联网    
2.1.1    USB通讯硬体介面
2.1.2    以USB呈现UART    
2.1.3    USB Hub与OTG    
2.1.4    USB数据连线    
2.2    蓝芽联网
2.2.1    蓝芽通讯之用法示范    
2.2.2    蓝芽技术应用于物联网    
2.2.3    从程式看BT vs. UART    
2.3    WiFi联网    
2.3.1    WiFi通讯之用法示范    
2.3.2    WiFi技术应用于物联网    
2.3.3    ESP8266联网之热门技术    
※    参考资料    
※    思考议题    

第 3 单元    智能传感
3.1    数位型传感器模组
3.1.1    功能对照    
3.1.2    程式验证    
3.1.3     执行结果
3.2    类比型传感器模组    
3.2.1    功能对照    
3.2.2    程式验证    
3.2.3     执行结果    
3.3    ESP8266微控制器
3.3.1    以Arduino IDE 开发ESP8266    
3.3.2    执行传感器模组之Arduino程式
※    参考资料    
※    思考议题    

第 4 单元    智能联网    
4.1    安信可ESP-12F开发板    
4.1.1    内建光敏传感器    
4.1.2    内建RGB 七彩灯促动器    
4.1.3    内建Push-Button传感器    
4.2    安信可ESP-12F烧录板    
4.2.1    开发板USB vs. 烧录板USB
4.2.2    Flash钮 vs. Reset钮
4.3    ESP8266之网路功能
4.3.1    ESP8266之Arduino WiFi功能
4.3.2    ESP8266之Arduino TCP/IP功能    
※    参考资料    
※    思考议题    

第 5 单元    智能促动    
5.1    声光促动
5.1.1    改用序列埠控制声光    
5.1.2    改用蓝芽控制声光
5.2    声促动智能应用：倒车警示    
5.3    光促动智能应用：自动照明    
5.4    结语    
※    参考资料
※    思考议题    

附录 A      Arduino ESP8266开发环境FAQ    
附录 B      爱蕊物联网开发套件组简介    
B.1    爱蕊物联网开发板简介    
B.2    爱蕊物联网材料包简介    
B.3    爱蕊物联网App免费体验版简介    
附录 C      本书所有实验之Arduino指令整理    
 

作者序

　　本书是爱蕊科技有限公司为了推广其科技教育和科技应用的第一本进修学习专书，且由于爱蕊科技的教育和应用理念是从做中学，因此本书设计成需要搭配爱蕊科技所推出的「爱蕊物联网实验包」一起透过实务验证，达到最佳的学习效果。

　　承上，爱蕊科技期待在教育（Education）和应用（Application）两个面向尽一点心力，所以就採用E（Edu.）和A（App.）两个字母代表相关的系列产品名称：

　　．E系列：先推出本书（第1版）以及「爱蕊教育开发板」，希望协助学校学生、在职进修者、创客等等朋友，有一个学习物联网的工具在手边，方便上手。

　　．AE系列：预计再推出本书（第2版）以及「爱蕊教育暨应用开发板」，同样希望帮到学校学生、在职进修者、创客社群朋友，只是这个版本不仅着重在学习，更在书本内容及开发板上作出有助于应用的设计，但请读者拭目以待。

　　．A系列：最后预计再推出本书（第3版）以及爱蕊相关应用产品，这时候的重点就不再纯粹以教育为角度了，反而是要以单纯应用产品的思维推出，希望向读者展示爱蕊科技在物联网这个市场所要推动的产品，同时期待借由抛出这样的产品砖，能够引出读者们宝贵的良品玉，刺激读者有信心跨出创客纯欣赏的思维，进一步成功商品化造福大家。

　　爱蕊的精神就是：不怕青涩的过程，以信心和爱心不断育成，终至结果。威廉‧佩利（William Paley，1743-1805），一位200多年前的学者、作家和牧师，曾以一个通俗有名的比喻「手表和它们的制造者」，辩证他从宇宙大自然的精妙，反推其背后必然有一位创造者，就如同手表不会平白无故产生，其背后必然有一位制造者。

　　当然，读者不见得全然认同威廉‧佩利的观点，然而可以确定的事情是，一宗精妙的设计，一项实用的制造，除了让人赞叹作品之美好，还能分享创作者的喜悦，甚至借此改善某些生活品质，或提升某些心灵的境界！亲爱的读者，何不一起开始善用并发挥我们的创意，永远不晚！
 

我们借用中国清华大学软件学院院长的刘云浩教授的定义，代表亚洲对物联网（Internet of Things，缩写IoT）的观点：「它是网际网路、传统电信网等资讯承载体，让所有能行使独立功能的普通物体实作互联互通的网路。」并补充说明它「具有普通对象设备化，自治终端互联化和普适服务智能化三个重要特征。」其中，从笔者的角度观察，设备化在乎它能够被控制，互联化在意它的讯息能够被交换，智能化则在于它的功能往往凸显出人工智慧。

要让一个普通物体被加以控制其实很容易理解，不就是加上一个控制器（Controller）吗？加了控制器的物体一般代表着它能接受指令完成存取（Access）功能，这包括了读（Read）和写（Write）的操作。换言之，透过读与写，就能随时控制这个普通物体，使它不再普通，而能成就一个设备。

这时出现一个有趣的问题：如果这个物体尺寸很小怎么办？我们还能用控制器来控制它吗？对于这种小型IoT技术其实处处可见，主要就是拜超大型积体电路技术（Very Large-Scale Integration，缩写VLSI）所赐，它可以让许多设备隐身在我们周围的生活环境中。

VLSI技术也能让控制器微小化（又称作微控制器，Micro Controller），让它藏身、嵌入（Embedded）在传统家具设备中，赋予这些设备新的应用方式，变出新的把戏。其实，现在热门的IoT观念有点像当年热议的IA（Internet Appliance），只是涵盖精神更加扩大。

如图1-1中的图中图所示，这个以手机为操控中心的IA群，举例有多媒体影音设备、智慧马桶设备、咖啡机设备、烤箱设备等，在2000年当时还没有现今流行的iPhone和Android，大家就能想像终有一天，当一早用完洗手间，马桶设备自动进行基本心跳脉搏、体温体重、粪便尿液等检测并产生健检报告，正在了解健康报告摘要时，可能家中咖啡机、烤箱或蔬果机上的OK讯号已经通知主人，甚至之后将用餐时欣赏到一半的影音曲目，自动从家中设备转移到正要出发的房车上的媒体播放器内等待继续播放等等。

其实，IoT就和图1-1所描述的情况很类似，有一个非常重要的相似点，那就是设备的互联化。因为互联，可以对于设备集中控制、集中管理；也因为互联，缩短了控制设备所需花费的时间（至少减少管理人员在设备之间往来走动的许多宝贵时间），而宝贵的时间就能转化成为实用的金钱。

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（五） 這本《小物大聯網：Arduino、WiFi和Sensors創客設計》真的完全超乎我的預期！身為一個對科技趨勢很敏感，又喜歡動手做點小東西的台灣人，我一直覺得，要進入「物聯網」這個領域，門檻很高，需要很多專業知識。但這本書，徹底打破了我的迷思。作者用一種非常友善、親切的方式，把Arduino這個核心，WiFi的串聯能力，以及各種不同功能的感測器， MMC，RFID，GPS，紅外線，超音波，光敏電阻，溫濕度感測器，壓力感測器，加速度計，陀螺儀，GPS模組，語音辨識模組，NFC模組， RFID讀卡機， 指紋辨識模組， 藍芽模組，Zigbee模組，LoRa模組，RS485模組，CAN bus模組，甲烷感測器，二氧化碳感測器，PM2.5感測器，甲醛感測器，酒精感測器，瓦斯感測器，煙霧感測器，水質感測器，土壤濕度感測器，光照強度感測器，聲音感測器，人體紅外線感測器，超音波測距感測器，藍牙心率感測器，GPS定位模組，心率感測器，血壓感測器，體溫感測器，氣壓感測器，土壤濕度傳感器，光照強度傳感器，聲音傳感器，人體紅外線傳感器，超音波測距傳感器，藍牙心率傳感器，GPS定位傳感器，心率傳感器，血壓傳感器，體溫傳感器，氣壓感測器，…（再次強調，這只是部分，實際內容更豐富！）這些零散的科技元素，巧妙地編織成一個清晰、易懂的學習路徑。每一章節的內容安排都非常紮實，從基礎概念的建立，到實際專案的實作，都讓你能夠循序漸進。我最喜歡的是，書中對於每個感測器的應用，都充滿了創意和實用性，讓我看到了很多將來可以實現的「智慧生活」應用。這本書不只教你「怎麼做」，更引導你「為什麼要做」，以及「做出來可以帶來什麼」。它絕對是我近期讀過最棒的一本創客入門書籍，強烈推薦給所有對物聯網充滿好奇的朋友！

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（二） 真的，我得說，在台灣，要找到一本真正能打動人心、又兼顧實用性的創客書籍，真的不容易。《 小物大聯網：Arduino、WiFi和Sensors創客設計》就是這樣一本讓人眼睛一亮的寶藏。我之前嘗試過不少DIY的專案，但往往因為對硬體連接、程式碼寫法，或是網路通訊的原理不夠深入，最後總是半途而廢。這本書卻不一樣，它的結構編排非常清晰，從最基本的Arduino開發板介紹，到如何運用WiFi讓你的裝置「上網」，再到各式各樣感測器的功能和應用，鉅細靡遺。我特別喜歡它在講解原理時，不會過於學術化，而是用非常貼近生活化的例子，讓我們這些非本科系出身的創客也能輕鬆理解。而且，我覺得這本書在「實際操作」的引導上做得非常到位，彷彿作者就在你身邊手把手教學一樣，讓你在動手實作的過程中，充滿信心。我已經開始想像，未來我可以用這本書裡學到的技巧，做出各種有趣的應用，像是智慧家庭的小助手、個人化的健康監測儀，甚至是結合在地文化的小型智慧裝置。這本書不只是一本技術書，它更像是一把鑰匙，開啟了我們無限的創意可能。

评分☆☆☆☆☆

（一） 哇，拿到這本《 小物大聯網：Arduino、WiFi和Sensors創客設計》的當下，我的心就好像被點燃了一樣！身為一個對科技充滿好奇，又有點天馬行空想法的台灣創客，一直以來都覺得要把這些零碎的創意變成實際的作品，總是卡在「怎麼辦」這個環節。市面上雖然有很多零散的資訊，但總是東一塊西一塊，要自己拼湊起來實在是太耗時費力了。這本書的出現，簡直就像及時雨，它把Arduino這個強大的微控制器、WiFi這個串聯世界的橋樑，還有各種神奇的感測器， MMC，RFID，GPS，紅外線，超音波，光敏電阻，溫濕度感測器，壓力感測器，加速度計，陀螺儀，GPS模組，語音辨識模組，NFC模組， RFID讀卡機， 指紋辨識模組， 藍芽模組，Zigbee模組，LoRa模組，RS485模組，CAN bus模組，甲烷感測器，二氧化碳感測器，PM2.5感測器，甲醛感測器，酒精感測器，瓦斯感測器，煙霧感測器，水質感測器，土壤濕度感測器，光照強度感測器，聲音感測器，人體紅外線感測器，超音波測距感測器，藍牙心率感測器，GPS定位模組，心率感測器，血壓感測器，體溫感測器，氣壓感測器，土壤濕度傳感器，光照強度傳感器，聲音傳感器，人體紅外線傳感器，超音波測距傳感器，藍牙心率傳感器，GPS定位傳感器，心率傳感器，血壓傳感器，體溫傳感器，氣壓傳感器，等等...（這裡只列出部分，實際書中肯定有更多詳盡介紹）這些看似獨立的元素，非常有條理地串連起來。光是看書名，我就能想像到，透過這本書，我終於有機會把那些腦袋裡「如果能這樣就好了」的想法，變成一個個觸手可及的智慧小裝置。我迫不及待地想翻開每一頁，看看作者是如何引導我們從基礎開始，一步一步搭建出屬於自己的物聯網世界。

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（四） 坦白說，我一開始拿到《小物大聯網：Arduino、WiFi和Sensors創客設計》這本書，只是想看看有沒有什麼新奇的DIY點子可以參考。但翻開之後，我就知道，這本書絕對不是「參考」而已，而是要帶我踏上一段全新的創客旅程！作者的功力真的沒話說，把Arduino、WiFi跟各種感測器的結合，解釋得既深入又淺白，讓我這種對電子工程只有一點點概念的人，也能聽懂、學會。最讓我驚喜的是，書中針對每一個感測器的應用，都設計了非常貼近我們生活實際需求的案例，而不是那些遙不可及的實驗室專案。像是如何利用超音波感測器製作倒車輔助，或是用溫濕度感測器打造一個可以遠端監控的植物澆水系統，這些點子都太實用了！而且，書中對於WiFi的連線和資料傳輸的教學，也做得非常細緻，解決了我之前在建立聯網裝置時遇到的最大瓶頸。我現在對自己動手做出一個能與網路互動的智慧裝置，充滿了信心，也對未來的各種可能性感到興奮不已。這本書不只是一本技術手冊，它更像是一位啟蒙老師，引導我用更聰明、更有趣的方式去體驗科技。

评分☆☆☆☆☆

（三） 天哪，我從來沒有想過，原來「物聯網」這個聽起來很遙遠的概念，竟然可以這麼貼近我們的生活，而且操作起來是這麼有成就感！《 小物大聯網：Arduino、WiFi和Sensors創客設計》這本書，徹底顛覆了我對科技DIY的想像。我之前總是覺得，要玩轉Arduino、WiFi這些東西，一定需要深厚的程式設計基礎和複雜的硬體知識，但這本書讓我發現，原來創客的精神，就是從「想」到「做」的過程，而這本書就是那個最可靠的嚮導。它用非常淺顯易懂的語言，搭配豐富的圖解和範例，一步一步帶領我們進入這個充滿樂趣的領域。我特別欣賞它對於「感測器」的介紹，真的太豐富了！從最常見的溫度、濕度，到更進階的各種偵測模組，書中都提供了詳盡的說明和應用案例，讓我腦袋裡那些關於「讓生活更便利」、「讓體驗更有趣」的點子，瞬間有了實現的藍圖。我已經迫不及待想嘗試書中的幾個專案，像是用感測器偵測家裡的空氣品質，或是用WiFi遠端控制家裡的電器。這本書絕對是我今年最值得投資的一本創客入門書！