無所不在的JavaScript與物聯網裝置

物聯網風潮將原本稱霸Web前臺技術的JavaScript順勢帶入物聯網。學習JavaScript，也就能同時掌控前臺、後臺和感測端的軟硬體。

　　物聯網（Internet of Things，IoT）一詞，是由美國麻省理工學院Auto-ID中心主任Kevin Ashton，於1999年進行RFID研究時所提出的概念。物聯網是指為每個東西，包括一般物品（例如：超商以及它所販售的所有商品）、感測器，甚至人類和動物，都標上唯一識別碼（Unique Identifier，如：條形碼、IP地址、身份證號碼等），彼此之間通過約定好的通訊協議，利用網際網路相連、分享資料。

　　物聯網不僅是兩個裝置之間的互相連線，它們通常也連線到負責收集資料，以及協調這些裝置運作的（雲）伺服器。此外，控制器、感測器等物聯網裝置，通常也都要具備讓使用者操作和監控的介面，無論是網頁還是App形式。下面是物聯網的基本架構：

　　可連線網際網路裝置的數量，在2011年時超越地球總人口數。這些裝置包含消費性電子產品、工廠機器、家電、醫療器材、感測器等。以往，資料通過人力輸入到計算機（例如，抄錄水、電、燃氣用量），現在多半則是由裝置直接提供資料給另一個裝置。

　　舉例而言，你的手機認得“你”和“家人”，當你的小孩抵達校園時，“學校”會自動傳送簡訊通知；手機可以記錄你的運動習慣並協調智慧型溫控器，在你到家之前調整好室溫：若是下班快抵達家門時，手機可以自動過濾公司電話，並通知住家的房子自動開啟車庫門。宅配的貨車可實時更新網購商品位置和預計送達時間，也能讀取送貨路線的交通狀況，並適時提醒或規劃避開車流量大的路線。

　　所以，機器和機器相互連線、協同合作（Machine to Machine, M2M），就能完成代理人或者貼身祕書的工作。隨著寬頻網路基礎建設的普及、各式雲服務推陳出新，加上感測器、通訊晶片和微控制器技術的提升與價格下降，使得“物聯網”從概念融入真實的日常生活中。

0.1 JavaScript與物聯網

　　許多嵌入式系統採用的是運算效能、儲存器容量相對較低的8位微控制器，它們也通常採用專屬的庫和開發工具，並且多采用C/C++語言開發。就像電視機、空調等家電，逐漸脫離“單獨”運作的時代，為了搶食物聯網市場大餅，原本軟硬體較為封閉的嵌入式控制器，也開始擁抱開放的網際網路和Web標準。

　　這股風潮，也將原本稱霸Web前臺技術的JavaScript（注：在網頁上提供互動功能的程式語言）順勢帶入物聯網。例如，Pebble智慧表提供的開發工具PebbleKit和Pebble.js，讓你用JavaScript來開發手錶的App。又如，2014年被Google收購的Nest Labs公司推出的Nest溫度控制器，也有供JavaScript程式碼使用的API（Application Interface，應用程式介面，也就是提供讓外部程式控制的渠道），因此，程式設計師可用JavaScript讀取或調控Nest溫控器的狀態。基本上，凡具備Web瀏覽器的裝置，就能執行JavaScript。

　　在瀏覽器內操作的應用（像YouTube, Google Docs和Office 365），叫作Web應用。Web應用分成前臺和後臺（伺服器端）兩大部分，以電子郵件服務網站（如：QQ和Gmail）為例，顯示在瀏覽器裡電子郵件操作的介面（網頁）是前臺，提供使用者填寫信件的介面，負責傳送郵件的則是後臺。網頁介面的架構通過HTML定義，外觀樣式由CSS定義，動態改變字型樣式、大小、插入表情圖案等互動功能則是用JavaScript寫成的。

　　JavaScript語言具有下列幾個特色：

• 所有瀏覽器都支援，也是網頁的標準語言。
• 語法簡單，學習門檻低，容易入門。
• 不需要特殊的開發工具，在計算機、平板電腦或手機上，用文字編輯軟體和瀏覽器就能開發和除錯JavaScript程式碼。
• 有為數眾多的開發者，以及書籍、網路等參考資源和示例。

用於伺服器和微控制器的JavaScript

　　當QQ使用者單擊“傳送”按鈕之後，信件內容會從瀏覽器傳給QQ伺服器，而在伺服器上執行的程式碼，將負責寄送信件和儲存郵件等功能。不像瀏覽器，在伺服器端執行的程式語言並沒有統一，常見的語言和執行環境有PHP、ASP.NET、Ruby等。

　　其實，伺服器端程式也能用JavaScript語言開發。可在瀏覽器之外獨立執行Ja¬vaScript程式碼的Node.js於2009年問世，並相繼被沃爾瑪、PayPal（線上支付款項系統）和Netflix（網飛，線上電視）等大型企業所採納，用來建置可應付購物旺季高流量的高效能網站後臺程式。

　　Node.js並不是第一個可在瀏覽器外執行的JavaScript環境，但它是最成功的一個。

　　Node.js能夠在Windows、Mac OS X以及Linux系統中執行；不只是個人計算機，風靡創客的Raspberry Pi（以下稱“樹莓派”）、BeagleBone Black（http://beagleboard.org/BLACK），以及9美元的開源微電腦C.H.I.P.（https://getchip.com/），還有基於x86處理器架構的Intel Galileo控制板也都能執行Node.js。

　　某些採用32位處理器的控制板，更直接把JavaScript語言當作“母語”，例如Espruino（http://espruino.com/）和Tessel 2（http://tessel.io/），而三星電子公司在2015年5月發表了一個“瘦身”版的JavaScript語言，叫作JerryScript（https://samsung.github.io/jerryscript/），可運用在僅有64KB記憶體的微控制器上。換句話說，在這些控制板上讀取和設定I/O腳，都用JavaScript。因此，從前臺網頁、後臺伺服器，到微控制器和感測器終端，都能用相同的JavaScript語言編寫；學習JavaScript，也就能同時掌控前臺、後臺和感測端的軟硬體！

0.2 MPU、MCU與SoC介紹

　　處理器晶片依照功能來區分，大致分成如下三種型別。

　　MPU：全名是Microprocessor Unit（微處理器單元），其實就是CPU（中央處理器），可執行指令，進行運算和邏輯處理。

　　MCU：全名是Microcontroller Unit（微控制器），把微處理器（MPU）和快快閃記憶體儲器、主儲存器（記憶體）包在同一個晶片裡，相當於一臺微型計算機，耗電量低，但是處理器的效能不高（時脈頻率在200MHz以內），而且儲存器容量不大（以KB為單位）。

　　當今的MCU通常也會整合模擬-數字轉換器（模數轉換）、USB和其他外圍介面控制器。Arduino UNO的ATmega328晶片屬於MCU。

　　SoC：全稱為System on a Chip（系統晶片），整合微處理器和特定功能，例如，影像處理單元（顯示卡）、WiFi網路、藍芽、音效處理等。智慧手機以及某些個人計算機的處理器，都屬於SoC。採用這類處理器的裝置，通常需要較高速的運算效能（時脈頻率達數百MHz至數GHz）以及較大的儲存器容量（單位是MB或GB），所以儲存器不在同一個晶片上，耗電量也較大。

　　樹莓派的處理器晶片屬於SoC。就功能而言，SoC大於MCU：

　　以穿戴裝置應用來說，MCU足以勝任普通數字手環所需，而且能長時間運作；具備多媒體功能的智慧手錶，就必須採用SoC。某些智慧手錶甚至同時搭載SoC和MCU，前者處理複雜的多媒體運算，後者用於連線感測器以及電源管理。

0.3 章節導讀

　　第1章JavaScript入門：介紹JavaScript的由來、基礎語法、瀏覽器的DOM（文件物件模型）、事件處理程式、使用Chrome瀏覽器除錯JavaScript程式碼、在網頁中嵌入JavaScript程式碼等主題。

　　第2章 認識jQuery庫：jQuery是當今使用最廣泛的JavaScript庫，主要作用是讓動態網頁開發變得更簡單。本章將通過整合Arduino乙太網路與jQueryUI（互動介面）程式，帶領讀者認識jQuery語法、網頁資訊交換格式（CSV、XML和JSON）和“不重新整理網頁，動態更新內容”的AJAX技術。

　　第3章Node.js入門：Node.js是一個獨立的JavaScript執行環境，可以讓我們使用JavaScript開發應用，在瀏覽器之外執行。本章將介紹Windows、Mac OS X和Linux（樹莓派）系統的Node.js安裝方式，並通過非阻塞I/O讀取檔案、自定義與引用程式模組、使用npm工具管理模組、使用Express框架開發網站應用、從Arduino傳遞溫溼度值給Node網站等數個例項認識Node.js。

　　第4章Node.js串列埠通訊與樹莓派GPIO控制：串列埠是連線Arduino與個人計算機和Linux微電腦控制板最常用的介面。GPIO則是樹莓派控制板的標準外圍介面，本章除了介紹如何使用Node.js連線與控制串列埠和GPIO介面，也將介紹GPIO介面整合自制Arduino控制板的方法，還有MOSFET電子元器件，以及通過MOSFET組成5V和3.3V的電壓轉換板。

　　第5章 使用霹靂五號操控Arduino：Johnny-Five（霹靂五號）是一個Node.js庫，讓計算機（或Linux微電腦控制板）以JavaScript程式操控連線在USB介面的Arduino。本章將比較“霹靂五號”與Arduino的C語法異同，並且通過讀取開關（數字）訊號、模擬輸入和PWM輸出、LM35溫度感測器、舵機控制，還有瀏覽器與矩陣LED作畫等例項，讓讀者瞭解“霹靂五號”和網頁實時通訊程式（socket.io）。

　　第6章 電子郵件、串流視訊、計算機視覺與操控舵機：本章的示例以樹莓派攝像頭為主，第一個示例搭配PIR人體紅外感測器，在偵測到入侵者時，自動拍照併傳送E-mail。第二個示例介紹使用socket.io和M-JPEG壓縮程式，在網頁上顯示串流視訊。第三個示例介紹簡易的攝像頭＋DIY舵機雲臺，並通過觸控屏、鍵盤和電玩把手控制雲臺。最後一個例子是在計算機的瀏覽器上，通過JavaScript擷取攝像頭的視訊，並偵測其中是否有人類臉孔，若有的話，控制舵機跟著臉孔轉動。

　　第7章 使用MongoDB資料庫以及ejs模板引擎建立動態網頁：MongoDB是一款適合處理大資料與物聯網資料的免費、開源資料庫，本章將介紹MongoDB的安裝方式、基本架構以及資料的新增、擷取（篩選）、修改和刪除等基本操作，並通過Node.js的Mongoose包（package）連線資料庫，儲存Arduino上傳的資料。

　　第8章 資料視覺化——使用C3.js與D3.js繪製圖表：若只在網頁上用文、數字列舉資料，未免太乏味，本章將介紹如何採用知名的C3.js和D3.js庫，以活潑生動的量表（gague）和圖表（chart）形式呈現儲存在MongoDB資料庫裡的資料，以及Arduino傳入的實時資料，並且通過簡易的數字濾波手法過濾噪聲。

　　本文選自《完美圖解物聯網IoT實操》，點此連結可在博文視點官網檢視此書。
　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　
　　想及時獲得更多精彩文章，可在微信中搜尋“博文視點”或者掃描下方二維碼並關注。