动手玩蓝牙：用Arduino、Raspberry Pi与智慧型手机打造低功耗蓝牙专题 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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原文作者： Alasdair Allan, Don Coleman, Sandeep Mistry

图书标签:

• 蓝牙
• Arduino
• Raspberry Pi
• 低功耗蓝牙
• BLE
• 物联网
• DIY
• 电子制作
• 无线通信
• 智能硬件

智慧型手机改变了世界的样貌，并不是因为它让我们更方便打电话，而是因为它让我们以全新的方式连结网路和真实世界。用低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy）打造和控制你的周遭环境，亲自驾驭这股科技的力量吧！低功耗蓝牙和传统蓝牙名字相似，但其实截然不同。你将会深入了解低功耗蓝牙，并学习如何打造自己的连线装置。由于其耗电量极低，且在远距离时讯号仍然稳定，低功耗蓝牙可说是最佳的动手做实验工具。

　　透过本书，你将会编写程式，并且组装电路来连接最新潮的感测器，甚至还能写出你自己的蓝牙服务！我们会使用价格亲民、搭载专业厂商Nordic Semiconductor晶片组的模组，如Adafruit的Bluefruit LE等，一步步带领你在做专题的过程中增强技能。若是曾接触过Arduino或Raspberry Pi编程经验的自造者，本书将为你的专题拓展更多可能性。

　　在本书中，你将： 
　　打造一个可以远端遥控的智慧型电灯开关。
　　打造一个只能用你的手机解开的锁。
　　打造一个气象观测站，可以测量温度、湿度和气压。
　　动手做一盏可以遥控变色的NeoPixel LED台灯。
　　用德州仪器的SensorTag遥控你的电脑简报。
　　用一台蓝牙遥控器调整电脑或手机的音量。
　　用电脑和Node.js让派洛特的Rolling Spider无人机迎风翱翔。

　　这本书为你示范蓝牙如何应用在各种程度的专题上，包括微控制板、手机、平板和电脑。只要使用Arduino、Node.js和PhoneGap等软体，你的装置就可以彼此沟通，还可以加入各种感测器和外部硬体！

本书特色

　　◎深入了解低功耗蓝牙，打造9组实用连线装置！
　　◎详细的制作步骤与程式说明，辅以全彩图表与照片，清晰易懂！
　　◎为你的Arduino或Raspberry Pi专题拓展「无线」可能性！

深入探索无线通信：从基础原理到前沿应用 内容提要： 本书并非聚焦于蓝牙技术本身，而是将视角投向了更广阔的无线通信领域，特别是物联网（IoT）时代背景下，那些与蓝牙技术有着相似应用场景、底层原理或所需技能栈的电子、嵌入式系统和数据传输技术。读者将通过本书，系统学习如何利用现有的硬件平台，如Arduino和树莓派等微控制器，去理解和实现各种非蓝牙类的无线通信、传感器数据采集、本地网络构建以及移动应用集成。本书旨在为希望在嵌入式系统和物联网领域深耕的技术爱好者和工程师，提供一套扎实的、可操作的知识体系。 --- 第一章：嵌入式系统与微控制器基础重构 本章将为读者打下坚实的硬件平台基础，重点关注Arduino和树莓派（Raspberry Pi）在通用数据处理和I/O控制方面的核心能力，而非侧重于它们作为蓝牙通信终端的特定功能。 1.1 Arduino平台的深度应用：超越简单控制 时序控制与中断机制的精细管理： 深入探讨如何利用Arduino的定时器和外部中断，实现高精度、低延迟的数据采集和设备同步控制。我们将分析如何优化`loop()`函数的执行效率，避免不必要的阻塞操作，为后续复杂通信协议的实现腾出资源。 内存优化与固件结构设计： 针对资源受限的微控制器（如ATmega系列），详细介绍变量存储类别、位操作技巧以及函数内联的实际效果，确保有限的SRAM和Flash空间得到最有效的利用。 模拟与数字接口的噪声抑制： 讲解如何通过软件滤波（如滑动平均、卡尔曼滤波的简化版）和硬件隔离技术，提高从传感器读取数据的准确性，这对于任何无线传输前的预处理至关重要。 1.2 Raspberry Pi：Linux内核下的嵌入式网络编程 GPIO与硬件接口的高级访问： 不使用现成的Python库进行简单的GPIO控制，而是深入到Linux内核的`sysfs`或更底层的`/dev/gpiomem`接口进行直接操作，理解底层驱动与硬件交互的原理。 多进程与线程在数据流中的应用： 探讨如何在树莓派上利用Python的多进程（`multiprocessing`）或线程模型，并行处理传感器数据采集、本地存储和网络数据发送等任务，实现系统的高并发能力。 树莓派操作系统级别的性能调优： 介绍如何调整Linux内核参数、管理服务进程（Systemd），确保嵌入式应用在长时间稳定运行中保持资源消耗的最小化。 第二章：非标准无线通信协议的实践与解析 本章将彻底转向除蓝牙之外的其他常用或新兴的短距离和广域无线技术，重点在于协议栈的理解和硬件模块的集成。 2.1 射频基础与ISM频段通信 2.4GHz频段的竞争与干扰： 分析Wi-Fi和ISM频段内其他设备对2.4GHz信号的影响，并介绍如何通过信道选择、功率控制和基础的跳频概念来提升通信的鲁棒性。 低功耗无线电模块（如NRF24L01）的深度应用： 详细讲解NRF24L01的寄存器配置，包括ACK机制、自动重传（Auto-retransmit）的设置，以及如何构建一个可靠的点对点或多点通信网络，并讨论其在功耗管理上的优势与局限。 2.2 广域网技术（LPWAN）的初步探索 LoRa技术的物理层与MAC层： 介绍LoRa的核心技术——Chirp Spread Spectrum（CSS）的工作原理，对比其与传统调制方式的抗干扰性差异。讲解如何配置LoRa模块的扩频因子（SF）和带宽（BW）以平衡传输距离与数据速率。 构建简易的LoRa节点与网关： 实践搭建一个基于Arduino/ESP32和LoRa模块的低功耗数据采集节点，并利用软件模拟或现成的开源网关接收数据，重点关注数据包的封装和解封。 第三章：传感器网络与数据汇集架构 本章将重点放在如何可靠地从环境中采集数据，并将这些异构数据汇集到一个中央处理器（如树莓派）或云端进行处理。 3.1 有线和低速无线传感器接口 I2C/SPI协议的深入理解与主从设备设计： 详细剖析I2C时序中的从设备寻址冲突、多主设备仲裁的原理，以及SPI中时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）的组合对数据准确性的影响。 单总线（1-Wire）协议与分布式传感器部署： 讲解DS18B20等温度传感器如何利用单根导线进行通信，并设计高效的寻址和数据读取算法，适用于大规模环境监测。 3.2 本地网络协议栈的构建 MQTT协议在本地网络中的应用： 区别于Web通信中的HTTP，重点讲解MQTT的QoS等级（0, 1, 2）对物联网设备可靠性的意义，以及如何利用树莓派作为本地Broker来管理数据流。 数据序列化与传输效率： 探讨使用JSON、Protocol Buffers（Protobuf）或自定义的二进制格式进行数据封装，对比它们在数据大小和解析速度上的性能差异，以优化有限的无线带宽。 第四章：移动端应用集成与数据可视化 本章的重点是将嵌入式系统采集到的非蓝牙数据，通过其他网络机制（如Wi-Fi或以太网）传输到移动设备上进行实时监控和交互。 4.1 基于Wi-Fi/TCP/UDP的数据推送 TCP/UDP套接字编程的实战： 详细讲解Arduino（或ESP8266/ESP32）作为客户端向树莓派服务器发起连接（TCP）或发送广播包（UDP）的具体代码实现，并处理连接断开的重试逻辑。 构建简易的Web服务器接口： 利用树莓派上的轻量级Web框架（如Flask），创建API端点，允许移动应用通过标准的HTTP请求获取最新的传感器状态，而不是依赖于特定的无线配对流程。 4.2 跨平台移动端UI的初步构建 网络通信库的选择与使用： 介绍在移动应用开发中（例如使用React Native或原生Android/iOS）如何调用网络API来接收嵌入式设备通过Wi-Fi或MQTT推送的数据。 实时数据动态展示： 实践如何在移动界面上绘制曲线图、显示状态指示灯，以直观地反馈远程传感器网络的工作状态，完全脱离蓝牙的配对和连接过程。 --- 本书特色： 本书内容强调“动手实践”和“底层原理”的结合。它摒弃了对单一技术（如蓝牙）的深入依赖，转而提供一套通用的嵌入式网络解决方案构建思维。读者将学习到如何评估不同无线技术（Wi-Fi, NRF, LoRa）的适用场景，如何优化嵌入式代码以应对资源限制，以及如何设计一个稳定、可扩展的数据采集与监控系统。全书贯穿实战项目，所有代码示例均围绕Arduino和Raspberry Pi展开，确保理论知识能即刻转化为可运行的系统原型。

作者简介

艾拉斯戴尔‧艾伦Alasdair Allan

　　一名科学家、作家、骇客以及动手做玩家，曾出版众多着作，有时亦会在镜头前露面。几年前，他于一场Google开发者年会上推出了包含400个以上的感测节点、可覆盖整个Moscone West会议中心的网格网路。更早之前，他也曾发现iPhone会随时记录使用者的所在地，揭发了iPhone的隐私权丑闻，引发多起集体诉讼案及参议院听证会。他也在《MAKE》杂志撰写关于电子装置的文章，尤其是无线装置、分散式感测网路、行动计算以及物联网等。身为一名前天文物理学家，他也曾参与发现当时已知最远的星体。

唐‧柯曼 Don Coleman

　　一生以程式设计为业，且涉猎广泛，从机械、软体到硬体，积极担任各领域之间的桥樑。他亦是资深的PhoneGap软体开发工程师，自草创时期就坚守初衷，奔走全国宣扬使用PhoneGap的好处。身为位于费城附近的软体顾问公司Chariot Solution的顾问主管，他的团队与客户合作，帮助他们革新既有系统，奠定未来技术的基础。

山迪普‧密斯特里 Sandeep Mistry

　　专业的软体工程师，热爱用物联网和低功耗蓝牙尝试制作新装置。他曾开发了无数开源的低功耗蓝牙程式库，包括Node.js专用的noble和bleno，及Arduino专用的BLEPeripheral。

译者简介

潘荣美

　　国立政治大学英国语文学系毕业，曾任网路杂志记者、展场口译、演员等，并涉足剧场、音乐、广播与文学界。现为英语教师及译者，译有《动手玩科学》、《Making Makers》和《超简单机器人动手做》。

序
第1章 前言
第2章 准备工作
第3章 智慧型电灯开关
第4章 低功耗蓝牙锁
第5章 Bleno锁
第6章 气象观测站
第7章 NeoPixel灯
第8章 SensorTag遥控装置
第9章 使用GATT规范的人机介面
第10章 定位讯号
第11章 遥控无人机
第12章 更进一步
附录A HID与GATT配对

走进低功耗蓝牙的世界
 
低功耗蓝牙将全世界分为周边装置和中央装置。周边装置（Peripheral devices）如感测器，通常体积不大、所需能量不高、资源限制也较大。中央装置（Central devices）如手机和笔记型电脑，通常也可以被当作周边装置使用。
 
周边装置能以两种模式运作：广播（broadcasting）模式，以及直接连接中央装置的模式。广播模式是低功耗蓝牙与传统蓝牙之间最大的分别，可以将资料传输给范围内的所有装置。
 
这样的模式让周边装置不必和中央装置「配对」就可以传送资料。在低功耗蓝牙中，我们倾向用「连线」一词来描述这个状态，而非蓝牙2.1中的配对。在广播模式下，周边装置会持续发送广告封包（advertising packet），让附近任何搜寻此封包的装置都可以接收。这些搜寻封包的装置也被称作「观察者」（observers）。
 
标准的广告封包中包含广播装置本身的资讯以及其资料传送能力，此外，它也可以包含一些想要广播的客制讯息，如感测器的资料等。
 
如果资料不涉及隐私，如气象量测资料，用周边装置来广播是个好选择。然而广播的方式并没有安全防护，因此针对较私人的资料，应该由中央装置与周边装置连线，而非相反的顺序。
 
低功耗蓝牙的连线具有排他性，也就是说，周边装置一次只能连上一个中央装置。当连上中央装置时，周边装置就会停止广告功能，让其他装置感应不到或连接不到这个装置，直到连线被切断为止。虽然周边装置只能连一个中央装置，但中央装置可以同时连上许多周边装置。
 
如果要在周边与中央装置间交换资料，首先，你必须在装置之间建立连线。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对嵌入式系统开发略有涉猎的爱好者，我一直对如何让设备之间进行高效、低功耗的通信感到着迷。《动手玩蓝牙》这本书的标题“用Arduino、Raspberry Pi 与智慧型手机打造低功耗蓝牙专题”，简直就是为我量身打造的！我曾尝试过使用其他无线通信方式，但总觉得在功耗和连接便利性方面有所欠缺，BLE 的出现似乎完美解决了这些问题。我非常好奇书中是如何将 Arduino 的灵活性、Raspberry Pi 的计算能力，以及智慧型手机的交互性巧妙地结合起来，共同构建一个完整的 BLE 生态系统的。我特别期待书中能够深入讲解 BLE 的各种应用场景，例如如何实现设备之间的点对点通信、如何构建一个 BLE 网关，以及如何利用手机 App 来对这些设备进行管理和控制。此外，我对于书中是否会涉及一些更高级的 BLE 开发技巧，比如如何处理多设备连接、如何实现安全通信等方面的内容也充满期待。如果书中能提供一些具体的项目案例，例如一个基于 BLE 的智能灯光控制系统，或者一个简单的无线传感器网络，那将对我未来的学习和实践非常有帮助。

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哇，看到这本《动手玩蓝牙：用Arduino、Raspberry Pi 与智慧型手机打造低功耗蓝牙专题》，我真的是心痒痒！最近我一直在研究物联网（IoT）相关的项目，特别是想做一个能够在家中实时监测环境数据的系统，同时又希望能够通过手机 App 来控制和查看，但又不想耗费太多电力，因为我打算让它长期运行。低功耗蓝牙（BLE）技术简直是我的救星！这本书的标题一看就击中我的需求点，特别是提到了 Arduino 和 Raspberry Pi，这两样东西我家里都有，而且也玩了一段时间了，但一直不知道怎么把它们和 BLE 结合起来。我一直觉得 BLE 的潜力很大，可以做很多有趣又实用的东西，比如智能家居的小装置、穿戴式设备、甚至是远程控制的机器人。这本书能教我如何从零开始，一步一步地搭建自己的 BLE 项目，并且还能通过智慧型手机来控制，这对我来说简直太棒了！我最期待的就是书中能够有详细的代码示例和电路图，这样我就可以直接跟着动手做，不用自己摸索半天。而且，如果能有一些实际的应用案例，比如如何制作一个智能门锁、一个简单的健康监测器，或者一个可以远程控制的灯光系统，那就更好了！我真的迫不及待想通过这本书，把我的想法变成现实，让我的生活变得更智能、更方便！

评分☆☆☆☆☆

我一直对各种无线通信技术充满好奇，尤其是那些能够实现设备之间互联互通的技术。《动手玩蓝牙》这本书的标题，让我立刻引起了极大的兴趣。低功耗蓝牙（BLE）的出现，无疑是物联网时代的一项重要突破，它使得许多以前难以实现的功能变得触手可及。我一直想尝试用 Arduino 和 Raspberry Pi 来构建一些有趣的交互式项目，但始终不知道如何将它们与智慧型手机进行无缝连接。这本书的出现，正好解决了我的这个困惑。我非常好奇书中是否会详细讲解 BLE 的核心协议和通信机制，例如广播（Advertising）、扫描（Scanning）、连接（Connection）等过程。同时，我也希望书中能够提供一些实际的项目案例，例如如何利用 BLE 来构建一个简单的无线传感器网络，或者如何实现一个基于 BLE 的远程控制系统。如果书中能提供一些关于如何优化 BLE 功耗、提高通信稳定性的技巧，那对我的项目开发将会有极大的帮助。我期待通过这本书，能够深入了解 BLE 技术，并将其应用到我的个人项目中，创造出更多有趣的应用。

评分☆☆☆☆☆

最近我一直在关注各种新兴技术，尤其是那些能够简化我们日常生活、提升生活品质的技术。《动手玩蓝牙》这本书的出现，让我眼前一亮！我一直觉得蓝牙技术在物联网领域有着巨大的潜力，特别是低功耗蓝牙，它能够让许多小型设备长时间运行，而不必担心电量问题。这本书提到了 Arduino、Raspberry Pi 和智慧型手机这三个非常受欢迎的平台，这让我觉得这本书的内容会非常实用且易于上手。我设想，通过这本书，我或许可以开发出一些个性化的智能家居小装置，比如一个可以根据我的心情自动调节灯光亮度和颜色的智能灯，或者一个能够远程控制的窗帘。我非常期待书中能够提供一些详细的操作步骤和代码示例，这样我就可以跟着一步一步地学习，即使是初学者也能轻松入门。如果书中还能提供一些关于如何设计用户友好的手机 App 的建议，那就更好了！我希望能够通过这本书，真正掌握 BLE 开发的技术，并将其应用到实际生活中，让我的生活变得更加便捷和有趣。

评分☆☆☆☆☆

最近我一直对各种创客（Maker）项目跃跃欲试，尤其是对那些能够连接现实世界和数字世界的技术特别感兴趣。蓝牙技术，特别是低功耗蓝牙（BLE），在我看来就像是一个能够实现这种连接的“瑞士军刀”，应用场景非常广泛。我一直想尝试用 Arduino 和 Raspberry Pi 来做一些更高级的项目，但总感觉少了点什么，而《动手玩蓝牙》这本书的出现，恰好填补了这个空白。它直接点明了用 Arduino、Raspberry Pi 和智慧型手机来打造 BLE 项目，这三个元素简直就是我想要的组合！我设想着用这个技术来做一个可以与家人互动的项目，比如一个可以远程控制的宠物喂食器，或者一个可以监测家中老人健康状况的设备，并且能够通过手机 App 实时通知我。这本书的出现，让我觉得这些原本看起来很遥远的想法，变得触手可及。我特别关注书中是否会讲解 BLE 的核心概念，比如 GATT 协议、服务（Services）、特征（Characteristics）等，因为理解这些底层原理对于深入开发至关重要。如果书中能够提供一些关于如何优化 BLE 连接、提高数据传输效率的技巧，那就更完美了。我非常期待通过这本书，能够掌握 BLE 开发的精髓，做出真正有价值、有意义的项目。