物联网python开发实践

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第1章 物联网邂逅python

物联网组成架构

云管端
端：终端设备，负责真实世界的感知和控制，是物联网的最底层；
管：管道，是物联网的网络核心，一切数据和指令均靠管道来传输，是物联网的中间层；
云：云平台，负责真实世界数据的存储、展示、分析，是物联网的最上层，是中枢和大脑，也是连接人和物的纽带。

处理器：可以是一个8位的单片机，也可以是具有多核运算能力非常强劲的CPU；
存储器：在ROM无法满足存储空间需求的i情况下才会外接存储器；
传感器：是将真实世界信息转化位计算机信号的转换器；
执行器：控制电路、机械的器件，如继电器、电机等，计算机通过执行器控制真实世界的物体；
多媒体：声卡、摄像头；
通信芯片：物联网终端上传数据、接收控制指令都需要与后台通信，通信芯片是提供该能力的基础；
操作系统：物联网需要针对物联网自身特性而设计专用的操作系统来提升开发和运行效率；
人机交互：屏幕、按键、触摸屏、语音输入等；

发展现状

终端设备：M5310/HI2110；
操作系统：Cortex-M；
网络建设：
应用协议：MQTT；
物联网云平台：天工（百度云）、QQ物联等；

典型应用

共享单车（蓝牙）

智能家居（zigbee）

智慧农业（lora）

使用python的理由

面向对象、简单、易用的数据结构、健壮、跨平台、可扩展、动态、强类型；

python与网关/云平台

第2章 开启python之旅

版本选择、搭建开发环境

STM32
VMWARE/UBUNTU/网络配置/Samba共享/

python语言介绍

略

第3章 python数据结构

序列、映射、集合

第4章 python高级特性

生成器、迭代器、装饰器、面向对象编程；

第5章 物联网核心组件

一个完整的物联网应用通常是由传感器、处理芯片、通信模块、网络协议、应用软件、服务等组成的综合体。
物联网应用需要：
1）更丰富的传感器；
2）物联网芯片低功耗、小尺寸；
3）新的网络方案：低功耗、广域、大容量；
4）新的通信协议：带宽低、流量低；
5）具有物联网特性的云平台支撑；

网络通信方案

WiFi网络：速度快，接入方便，带宽宽，尺寸大，功耗高；
移动网络：部署灵活，流量费；
zigbee

Lora：是LPWAN(低功耗广域网)通信技术的一种，是美国Semtech公司采用和退服昂的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案；
全球免费频段运行，包括433MHz/868MHz/915MHz；
特点：传输距离远，工作功耗低，组网节点多；


lorawan网络架构是一个典型的星型拓扑结构，lora网关是一个透明传输的中继，连接终端设备和后端中央服务器。终端设备采用单跳与一个或多个网关通信，所有的节点与网关间均双向通信。

NB-IOT：覆盖范围广、海量连接支撑、功耗低、支持大数据；

网络通信协议

http/websocket/xmpp/coap/mqtt/

硬件

物联网云平台

onenet/aws iot/waston iot

第6章 micropython开发物联网终端

物联网系统的主要工作是采集真实世界的数据、实现设备和后台的通信、进行简单的运算和逻辑处理、与具体产品产生关联、驱动机械结构实现电子和机械互通。

既然单片机是终端设备物联网系统的核心，那么归根结底，终端设备物联网系统的开发就是针对单片机的开发。传统的单片机开发语言是C语言和汇编语言。MicroPython 可让Python开发单片机称为现实。

MicroPython特点

第7章 构建物联网网关

通常意义上的大多数网关相当于一个本地服务器，负责终端设备的管理、局域网的组建和维护、互联网和外网消息的转发。

网关概述

网关在物联网项目中担任下列角色：
局域网的组建；
局域网和外网消息的转发；
本地运算中心；
本地数据存储中心；

网关构成

网关是硬件和软件的结合体，组成：
1）核心硬件：CPU+DDR+Flash；
2）软件部分：操作系统、基础运行库、第三方库、模块、框架；
3）外围硬件：通信模组、传感器、行业模块、特殊芯片；

常用网关

1）通过半导体厂商提供的ARM处理器加上外围自主设计的硬件电路板后移植操作系统；
2）使用线程的开源嵌入式开发板，
3）现成的行业网关；

自主构建网关

交叉编译

交叉编译工具链概述

编译引导程序

系统启动流程

第8章 网关数据编码与处理

网关作为连接终端设备和后台的枢纽，在运行过程中会接收来自终端和后台的各种数据，包括传感器数据、心跳信息、控制指令等。这些数据的格式可能多种多样，因此网关需要对各种数据的格式进行编码与处理。

读写CSV文件

JSON解析

XML简介

二进制数据读写

Base64编解码

正则表达式

第9章 网关多进程与多线程

进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位；
正是有了多个进程和线程的结合才实现了多任务的功能；
网关程序是多任务的，熟悉python线程、进程的使用对于网关程序的编写非常重要；

多进程

multiprocessing 模块、进程同步、进程间通信（pipe/queue）

多线程

多个进程可以实现多任务，一个进程内的多个线程同样可以实现多任务。进程是由若干个线程组成的，并且一个进程至少要有一个线程。同一进程内的多个线程资源共享，线程之间的切换开销比多进程的切换开销更低；

异步IO

为了实现并发多任务，多进程和多线程只是解决该问题的一种办法。python提供了更优的解决方案，那就是协程和异步IO；

第10章 网关数据持久化

文件操作

将内存中的数据固化到硬盘的过程被称为数据持久化；
文件的读写压缩复制删除

SQLite数据库

第11章 python扩展

所有能被整合或者导入其他python脚本的代码都可以被称为扩展。可以用纯python写扩展，也可以用C/C++之类的编译型语言写扩展；

python扩展的原因

连接硬件的纽带

第12章 网关网络编程

网关网络通信方案

数据和指令传输的通信方案采用MQTT协议；

Socket编程

requests

上传文件，下载文件；

hbmqtt

Lora网络通信

Lora模块初始化

网关通过串口操作Lora模块，Lora模块的初始化实际上就是串口的初始化；

数据监听与接收

提供了inWaiting（）方法监听串口数据；

数据缓存

系统中的每个终端都需要与网关进行Lora通信，终端的数量很大，因此网关接收来自终端的Lora数据量也很大，显然是不能采用单线程同步IO模型的。当Lora数据量很大时，其数据解析也是比较耗时的，因此使用消息队列缓存接收到的Lora数据，当接收线程进行IO监听时，负责解析的线程去消息队列取消息并进行解析。

第13章 物联网后台web开发

网关将来自终端的数据传输到后台服务器。服务器负责这些数据的存储与分析，同时提供Web页面采用各种形式的图表将这些数据显示出来。
Web端提供人机交互接口，使用户可以实现对终端设备的远程控制。
python提供了多种Web框架实现快速的Web开发，有Django、Flask；

Django

创建网站

Django安装；
创建项目；
运行与访问；

Django模板

模板继承

模板继承tips

Django模型

安装mySQL数据库

创建模型

必要的配置

用户注册

账号登陆

第14章 物联网python项目实战

略