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深入了解物联网
手绘笔记由 Nitya Narasimhan 提供。点击图片查看更大版本。
本课程是 Microsoft Reactor 的 Hello IoT 系列 的一部分。课程分为两段视频讲授——一个1小时的课程和一个1小时的答疑环节，深入探讨课程内容并回答问题。
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课前测验
简介
本课程将深入探讨上一课中介绍的一些概念。
在本课程中，我们将学习：
物联网应用的组成部分
物联网应用的两个组成部分是 互联网 和 设备。让我们更详细地了解这两个部分。
设备
物联网中的 设备 指的是能够与物理世界交互的设备。这些设备通常是小型、低成本的计算机，运行速度较低且功耗较低——例如，简单的微控制器，只有几千字节的内存（而不是 PC 的几千兆字节），运行速度只有几百兆赫兹（而不是 PC 的几千兆赫兹），但功耗极低，有时可以用电池运行数周、数月甚至数年。
这些设备通过传感器从周围环境中收集数据，或者通过控制输出或执行器来进行物理改变，从而与物理世界交互。一个典型的例子是智能恒温器——一种具有温度传感器、设置目标温度的方式（如旋钮或触摸屏）以及连接到加热或冷却系统的设备。当检测到的温度超出目标范围时，它可以打开加热或冷却系统。温度传感器检测到房间太冷，执行器则打开加热系统。
可以充当物联网设备的“设备”种类繁多，从专用硬件到通用设备，甚至包括你的智能手机！智能手机可以使用传感器检测周围环境，并使用执行器与世界交互——例如，使用 GPS 传感器检测位置，并通过扬声器提供导航指令。
✅ 想想你周围还有哪些系统可以通过传感器读取数据并据此做出决策。例如，烤箱上的恒温器就是一个例子。你还能找到更多吗？
互联网
物联网应用中的 互联网 部分包括物联网设备可以连接以发送和接收数据的应用程序，以及可以处理物联网设备数据并帮助做出决策的其他应用程序。
一个典型的设置是物联网设备连接到某种云服务，该云服务处理安全性、接收来自物联网设备的消息并将消息发送回设备。然后，这个云服务连接到其他应用程序，这些应用程序可以处理或存储传感器数据，或者结合其他系统的数据来做出决策。
设备并不总是通过 WiFi 或有线连接直接连接到互联网。有些设备使用网状网络，通过蓝牙等技术相互通信，并通过一个具有互联网连接的集线器设备进行连接。
以智能恒温器为例，恒温器通过家庭 WiFi 连接到云服务。它将温度数据发送到云服务，云服务将数据写入某种数据库，允许房主通过手机应用查看当前和过去的温度。云中的另一个服务知道房主想要的温度，并通过云服务将消息发送回物联网设备，告诉加热系统打开或关闭。
更智能的版本可以使用云中的 AI，结合其他物联网设备（如占用传感器）连接的其他传感器数据，以及天气和日历等数据，智能地设置温度。例如，它可以读取你的日历显示你正在度假时关闭加热，或者根据你使用的房间逐个关闭加热，并从数据中学习以变得越来越准确。
✅ 还有哪些数据可以帮助使联网恒温器变得更智能？
边缘上的物联网
尽管物联网中的 I 代表互联网，但这些设备并不一定要连接到互联网。在某些情况下，设备可以连接到“边缘”设备——运行在本地网络上的网关设备，这意味着可以在不通过互联网的情况下处理数据。这在数据量大或互联网连接较慢时会更快，允许在无法连接互联网的情况下运行，例如在船上或在响应人道主义危机的灾区，并且可以保持数据隐私。一些设备会包含使用云工具创建的处理代码，并在本地运行以收集和响应数据，而无需通过互联网连接来做出决策。
一个例子是智能家居设备，例如 Apple HomePod、Amazon Alexa 或 Google Home，它们使用在云中训练的 AI 模型来监听你的语音，但在设备上本地运行。这些设备在听到某个词或短语时会“唤醒”，然后将你的语音发送到互联网进行处理。设备会在检测到语音中的停顿时停止发送语音。在唤醒设备之前说的所有内容，以及设备停止监听后说的所有内容，都不会发送到设备提供商的互联网，因此是私密的。
✅ 想想还有哪些场景隐私很重要，因此数据处理最好在边缘而不是云中进行。提示：想想带有摄像头或其他成像设备的物联网设备。
物联网安全
任何互联网连接都需要考虑安全性。有一个老笑话说“物联网中的 S 代表安全”——物联网中没有“S”，暗示它不安全。
物联网设备连接到云服务，因此它的安全性取决于云服务的安全性——如果你的云服务允许任何设备连接，那么可能会发送恶意数据或发生病毒攻击。这可能会产生非常现实的后果，因为物联网设备会与其他设备交互并进行控制。例如，Stuxnet 蠕虫 操纵离心机中的阀门以损坏它们。黑客还利用安全性差访问婴儿监视器和其他家庭监控设备。
💁 有时物联网设备和边缘设备运行在完全与互联网隔离的网络上，以保持数据的隐私和安全。这被称为隔离网络。
深入了解微控制器
在上一课中，我们介绍了微控制器。现在让我们更深入地了解它们。
CPU
CPU 是微控制器的“核心”。它是运行代码的处理器，可以向任何连接的设备发送数据并接收数据。CPU 可以包含一个或多个核心——本质上是一个或多个可以协同工作运行代码的 CPU。
CPU 依赖时钟以每秒数百万或数十亿次的频率进行计时。每次计时或周期都会同步 CPU 可以执行的操作。每次计时，CPU 可以执行程序中的一条指令，例如从外部设备检索数据或执行数学计算。这种规律的周期允许所有操作在处理下一条指令之前完成。
时钟周期越快，每秒可以处理的指令越多，因此 CPU 的速度越快。CPU 的速度以赫兹 (Hz)为单位测量，1 Hz 表示每秒一个周期或时钟计时。
🎓 CPU 速度通常以 MHz 或 GHz 表示。1MHz 是 1 百万 Hz，1GHz 是 1 十亿 Hz。
💁 CPU 使用取指-译码-执行周期执行程序。对于每次时钟计时，CPU 会从内存中取指令，译码，然后执行，例如使用算术逻辑单元 (ALU) 加两个数字。一些执行需要多个计时才能完成，因此下一周期将在指令完成后的下一次计时运行。
微控制器的时钟速度远低于台式机或笔记本电脑，甚至大多数智能手机。例如，Wio Terminal 的 CPU 运行速度为 120MHz，即每秒 120,000,000 次周期。
✅ 一台普通的 PC 或 Mac 的 CPU 有多个核心，运行速度为多个 GHz，即时钟每秒计时数十亿次。研究一下你电脑的时钟速度，并与 Wio Terminal 的速度进行比较。
每次时钟周期都会消耗电力并产生热量。计时越快，消耗的电力越多，产生的热量也越多。PC 有散热片和风扇来散热，否则它们会在几秒钟内过热并关闭。微控制器通常没有这些，因为它们运行得更凉，因此速度更慢。PC 使用主电源或大电池运行几个小时，而微控制器可以使用小电池运行数天、数月甚至数年。微控制器还可以有以不同速度运行的核心，当 CPU 的需求较低时切换到较慢的低功耗核心以减少功耗。
💁 一些 PC 和 Mac 也采用了这种快速高功耗核心和较慢低功耗核心的组合，根据运行的任务在电池寿命和速度之间切换。例如，最新 Apple 笔记本电脑中的 M1 芯片可以在 4 个性能核心和 4 个效率核心之间切换，以根据运行的任务优化电池寿命或速度。
✅ 做一些研究：阅读Wikipedia CPU 文章了解更多关于 CPU 的信息。
任务
调查 Wio Terminal。
如果你正在使用 Wio Terminal 学习这些课程，试着找到 CPU。在 Wio Terminal 产品页面的 硬件概览 部分找到内部图片，并通过背面的透明塑料窗口找到 CPU。
内存
微控制器通常有两种类型的内存——程序内存和随机存取内存 (RAM)。
程序内存是非易失性的，这意味着写入其中的内容在设备断电时仍然保留。这是存储程序代码的内存。
RAM 是程序运行时使用的内存，包含程序分配的变量和从外设收集的数据。RAM 是易失性的，当断电时内容会丢失，程序会被有效地重置。 🎓 程序存储器保存您的代码，即使断电也会保留。 🎓 RAM用于运行程序，当断电时会被重置。
与CPU类似，微控制器上的内存比PC或Mac小得多。一个典型的PC可能有8GB（8,000,000,000字节）的RAM，每个字节足够存储一个字母或0-255之间的一个数字。而微控制器通常只有千字节（KB）的RAM，一个千字节是1,000字节。上面提到的Wio Terminal有192KB的RAM，即192,000字节——比普通PC少了超过40,000倍！
下图展示了192KB与8GB之间的相对大小差异——中心的小点代表192KB。
程序存储空间也比PC小。一个典型的PC可能有500GB的硬盘用于存储程序，而微控制器可能只有几千字节或几兆字节（MB）的存储空间（1MB是1,000KB或1,000,000字节）。Wio Terminal有4MB的程序存储空间。
✅ 做一些研究：你正在使用的电脑有多少RAM和存储空间？与微控制器相比如何？
输入/输出
微控制器需要输入和输出（I/O）连接来从传感器读取数据并向执行器发送控制信号。它们通常包含一些通用输入/输出（GPIO）引脚。这些引脚可以通过软件配置为输入（接收信号）或输出（发送信号）。
🧠⬅️ 输入引脚用于从传感器读取值。
🧠➡️ 输出引脚向执行器发送指令。
✅ 你将在后续课程中学习更多相关内容。
任务
研究Wio Terminal。
如果你在这些课程中使用Wio Terminal，请找到GPIO引脚。在Wio Terminal产品页面的引脚图部分，了解每个引脚的功能。Wio Terminal附带一个可以贴在背面的贴纸，上面标有引脚编号，如果还没贴上，请现在贴上。
物理尺寸
微控制器通常体积很小，最小的一个Freescale Kinetis KL03 MCU可以小到放进高尔夫球的凹槽里。而PC中的CPU可能有40mm x 40mm的尺寸，这还不包括为了防止过热而需要的散热器和风扇，这使得CPU的尺寸远大于一个完整的微控制器。带有微控制器、外壳、屏幕以及一系列连接和组件的Wio Terminal开发套件的体积甚至比裸露的Intel i9 CPU还要小，更不用说加上散热器和风扇后的尺寸了！
| 设备 | 尺寸 |
|---|---|
| Freescale Kinetis KL03 | 1.6mm x 2mm x 1mm |
| Wio Terminal | 72mm x 57mm x 12mm |
| Intel i9 CPU，散热器和风扇 | 136mm x 145mm x 103mm |
框架和操作系统
由于速度和内存较低，微控制器不会运行桌面意义上的操作系统（OS）。使你的电脑运行的操作系统（Windows、Linux或macOS）需要大量内存和处理能力来运行一些对微控制器完全不必要的任务。记住，微控制器通常被编程为执行一个或多个非常具体的任务，而不像PC或Mac这样的通用计算机需要支持用户界面、播放音乐或电影、提供文档或代码编写工具、玩游戏或浏览互联网。
要在没有操作系统的情况下编程微控制器，你需要一些工具来构建代码，使其能够运行在微控制器上，并使用API与任何外设通信。每个微控制器都不同，因此制造商通常支持标准框架，允许你遵循标准“配方”来构建代码，并使其能够运行在支持该框架的任何微控制器上。
你可以使用操作系统来编程微控制器——通常称为实时操作系统（RTOS），因为它们设计用于实时处理与外设之间的数据传输。这些操作系统非常轻量化，并提供以下功能：
- 多线程，允许代码同时运行多个代码块，可以在多个核心上运行，也可以在一个核心上轮流运行。
- 网络功能，支持安全的互联网通信。
- 图形用户界面（GUI）组件，用于在带屏幕的设备上构建用户界面（UI）。
✅ 阅读一些不同的RTOS：Azure RTOS、FreeRTOS、Zephyr
Arduino
Arduino可能是最受欢迎的微控制器框架，尤其是在学生、爱好者和创客中。Arduino是一个开源电子平台，结合了软件和硬件。你可以从Arduino或其他制造商购买兼容的Arduino板，然后使用Arduino框架进行编程。
Arduino板使用C或C++进行编程。使用C/C++可以使代码编译得非常小并运行得非常快，这是微控制器这种受限设备所需要的。Arduino应用的核心被称为“草图”，是包含两个函数的C/C++代码——setup和loop。当板启动时，Arduino框架代码会运行一次setup函数，然后会不断运行loop函数，直到断电为止。
你会在setup函数中编写初始化代码，例如连接WiFi和云服务或初始化输入和输出引脚。然后在loop函数中编写处理代码，例如从传感器读取数据并将值发送到云端。通常会在每个循环中加入一个延迟，例如，如果你只希望每10秒发送一次传感器数据，可以在循环末尾加入10秒的延迟，这样微控制器可以进入休眠状态以节省电力，然后在10秒后再次运行循环。
✅ 这种程序架构被称为事件循环或消息循环。许多应用程序在底层使用这种架构，并且是大多数运行在Windows、macOS或Linux等操作系统上的桌面应用程序的标准。loop监听来自用户界面组件（如按钮）或设备（如键盘）的消息，并对其作出响应。你可以在这篇关于事件循环的文章中阅读更多内容。
Arduino提供了与微控制器和I/O引脚交互的标准库，底层有不同的实现以支持不同的微控制器。例如，delay函数会暂停程序一段时间，digitalRead函数会从指定引脚读取HIGH或LOW值，无论代码运行在哪个板上。这些标准库意味着为一个板编写的Arduino代码可以重新编译到任何其他Arduino板上并运行，只要引脚相同且板支持相同的功能。
Arduino还有一个庞大的第三方库生态系统，允许你为Arduino项目添加额外功能，例如使用传感器和执行器或连接到云端IoT服务。
任务
研究Wio Terminal。
如果你在这些课程中使用Wio Terminal，请重新阅读你在上一课中编写的代码。找到setup和loop函数。监控串口输出，观察loop函数被反复调用。尝试在setup函数中添加代码以写入串口，并观察这些代码在每次重启时只被调用一次。尝试使用侧面的电源开关重启设备，观察这些代码在每次设备重启时都会被调用。
深入了解单板计算机
在上一课中，我们介绍了单板计算机。现在让我们深入了解它们。
树莓派
树莓派基金会是一个来自英国的慈善机构，成立于2009年，旨在促进计算机科学的学习，特别是在学校层面。作为这一使命的一部分，他们开发了一种单板计算机，称为树莓派。目前树莓派有3种型号——全尺寸版本、更小的Pi Zero，以及可以嵌入最终IoT设备的计算模块。
最新的全尺寸树莓派是树莓派4B。它拥有一个四核（4核）CPU，运行速度为1.5GHz，2GB、4GB或8GB的RAM，千兆以太网，WiFi，2个支持4K屏幕的HDMI端口，一个音频和复合视频输出端口，USB端口（2个USB 2.0，2个USB 3.0），40个GPIO引脚，一个用于树莓派摄像头模块的摄像头连接器，以及一个SD卡插槽。所有这些都集成在一个88mm x 58mm x 19.5mm的板上，并由一个3A的USB-C电源供电。起售价为35美元，比PC或Mac便宜得多。
💁 还有一个Pi400一体机，带有内置键盘的Pi4。
Pi Zero更小，功耗更低。它拥有一个单核1GHz CPU，512MB的RAM，WiFi（在Zero W型号中），一个HDMI端口，一个micro-USB端口，40个GPIO引脚，一个用于树莓派摄像头模块的摄像头连接器，以及一个SD卡插槽。它的尺寸为65mm x 30mm x 5mm，功耗非常低。Zero售价为5美元，带WiFi的W版本售价为10美元。
🎓 这两款设备的CPU都是ARM处理器，而不是大多数PC和Mac中使用的Intel/AMD x86或x64处理器。这些处理器类似于一些微控制器中的CPU，以及几乎所有手机、Microsoft Surface X和新的Apple Silicon Mac中使用的处理器。
所有树莓派型号都运行一个基于Debian Linux的操作系统，称为树莓派OS。它有一个精简版，没有桌面，非常适合不需要屏幕的“无头”项目，也有一个完整版，带有完整的桌面环境，包括网页浏览器、办公应用、编程工具和游戏。由于操作系统是Debian Linux的一个版本，你可以安装任何运行在Debian上的应用或工具，只要它们是为树莓派的ARM处理器构建的。
任务
研究树莓派。
如果你在这些课程中使用树莓派，请阅读板上的不同硬件组件。
- 你可以在树莓派硬件文档页面上找到处理器的详细信息。阅读你正在使用的树莓派的处理器信息。
- 找到GPIO引脚。在树莓派GPIO文档中阅读更多相关内容。使用GPIO引脚使用指南识别树莓派上的不同引脚。
编程单板计算机
单板计算机是完整的计算机，运行完整的操作系统。这意味着你可以使用广泛的编程语言、框架和工具来编写代码，而不像微控制器那样依赖于Arduino等框架对板的支持。大多数编程语言都有库可以访问GPIO引脚，以便从传感器和执行器发送和接收数据。
✅ 你熟悉哪些编程语言？它们是否支持Linux？
在树莓派上构建IoT应用最常用的编程语言是Python。树莓派有一个庞大的硬件生态系统，几乎所有这些硬件都包含相关的Python库代码，使其能够使用。这些生态系统中的一些基于“帽子”——之所以称为“帽子”，是因为它们像帽子一样安装在树莓派顶部，并通过一个大插座连接到40个GPIO引脚。这些帽子提供额外的功能，例如屏幕、传感器、遥控车或适配器，用于连接带有标准化电缆的传感器。
单板计算机在专业物联网部署中的应用
单板计算机不仅仅作为开发套件，还被用于专业的物联网部署。它们可以提供强大的功能来控制硬件并运行复杂任务，例如运行机器学习模型。例如，Raspberry Pi 4计算模块提供了Raspberry Pi 4的全部性能，但采用了更紧凑、更便宜的形式，没有大多数端口，专为安装到定制硬件中而设计。
🚀 挑战
上一课的挑战是列出尽可能多的你家里、学校或工作场所中的物联网设备。对于这个列表中的每个设备，你认为它们是基于微控制器、单板计算机，还是两者的混合？
课后测验
复习与自学
- 阅读 Arduino入门指南，了解更多关于Arduino平台的信息。
- 阅读 Raspberry Pi 4简介，学习更多关于Raspberry Pi的知识。
- 在《什么是CPU、MPU、MCU和GPU？》这篇文章中，了解更多相关概念和缩略词。
✅ 使用这些指南，以及通过硬件指南中的链接显示的成本，决定你想使用什么硬件平台，或者是否更愿意使用虚拟设备。
作业
免责声明：
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