JavaScript與物聯網

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，于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）、傳感器，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信協議，利用互聯網相連、分享數據。

物聯網不僅是兩個設備之間的互相連接，它們通常也連接到負責收集數據，以及協調這些設備運作的（云）服務器。此外，控制器、傳感器等物聯網設備，通常也都要具備讓用戶操作和監控的界面，無論是網頁還是App形式。下面是物聯網的基本架構：

可連接互聯網設備的數量，在2011年時超越地球總人口數。這些設備包含消費性電子產品、工廠機器、家電、醫療器材、傳感器等。以往，數據通過人力輸入到計算機（例如，抄錄水、電、燃氣用量），現在多半則是由設備直接提供數據給另一個設備。

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?！睍詣影l送短信通知；手機可以記錄你的運動習慣并協調智能型溫控器，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，并通知住家的房子自動打開車庫門。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，并適時提醒或規劃避開車流量大的路線。

所以，機器和機器相互連接、協同合作（Machine to Machine, M2M），就能完成代理人或者貼身秘書的工作。隨著寬帶網絡基礎建設的普及、各式云服務推陳出新，加上傳感器、通信芯片和單片機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

許多嵌入式系統采用的是運算性能、存儲器容量相對較低的8位單片機，它們也通常采用專屬的庫和開發工具，并且多采用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，原本軟硬件較為封閉的嵌入式控制器，也開始擁抱開放的互聯網和Web標準。

這股風潮，也將原本稱霸Web前臺技術的JavaScript（注：在網頁上提供交互功能的編程語言）順勢帶入物聯網。例如，Pebble智能表提供的開發工具PebbleKit和Pebble.js，讓你用JavaScript來開發手表的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代碼使用的API（Application Interface，應用程序接口，也就是提供讓外部程序控制的渠道），因此，程序員可用JavaScript讀取或調控Nest溫控器的狀態?；旧?，凡具備Web瀏覽器的設備，就能運行JavaScript。

在瀏覽器內操作的應用（像YouTube, Google Docs和Office 365），叫作Web應用。Web應用分成前臺和后臺（服務器端）兩大部分，以電子郵件服務網站（如：QQ和Gmail）為例，顯示在瀏覽器里電子郵件操作的界面（網頁）是前臺，提供用戶填寫信件的界面，負責發送郵件的則是后臺。網頁界面的架構通過HTML定義，外觀樣式由CSS定義，動態改變字體樣式、大小、插入表情圖案等交互功能則是用JavaScript寫成的。

JavaScript語言具有下列幾個特色：

所有瀏覽器都支持，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，用文本編輯軟件和瀏覽器就能開發和調試JavaScript代碼。

有為數眾多的開發者，以及書籍、網絡等參考資源和示例。

用于服務器和單片機的JavaScript

當QQ用戶單擊“發送”按鈕之后，信件內容會從瀏覽器傳給QQ服務器，而在服務器上運行的代碼，將負責寄送信件和保存郵件等功能。不像瀏覽器，在服務器端運行的編程語言并沒有統一，常見的語言和運行環境有PHP、ASP.NET、Ruby等。

其實，服務器端程序也能用JavaScript語言開發?？稍跒g覽器之外獨立運行Ja?vaScript代碼的Node.js于2009年問世，并相繼被沃爾瑪、PayPal（在線支付款項系統）和Netflix（網飛，在線電視）等大型企業所采納，用來建置可應付購物旺季高流量的高性能網站后臺程序。

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

Node.js能夠在Windows、Mac OS X以及Linux系統中運行；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/），還有基于x86處理器架構的Intel Galileo控制板也都能運行Node.js。

某些采用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內存的單片機上。換句話說，在這些控制板上讀取和設置I/O腳，都用JavaScript。因此，從前臺網頁、后臺服務器，到單片機和傳感器終端，都能用相同的JavaScript語言編寫；學習JavaScript，也就能同時掌控前臺、后臺和感測端的軟硬件！

0.2 MPU、MCU與SoC介紹

處理器芯片依照功能來區分，大致分成如下三種類型。

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

MCU：全名是Microcontroller Unit（單片機），把微處理器（MPU）和快閃存儲器、主存儲器（內存）包在同一個芯片里，相當于一臺微型計算機，耗電量低，但是處理器的性能不高（時鐘頻率在200MHz以內），而且存儲器容量不大（以KB為單位）。

當今的MCU通常也會集成模擬-數字轉換器（模數轉換）、USB和其他外圍界面控制器。Arduino UNO的ATmega328芯片屬于MCU。

SoC：全稱為System on a Chip（系統芯片），集成微處理器和特定功能，例如，圖像處理單元（顯示卡）、WiFi網絡、藍牙、音效處理等。智能手機以及某些個人計算機的處理器，都屬于SoC。采用這類處理器的設備，通常需要較高速的運算性能（時鐘頻率達數百MHz至數GHz）以及較大的存儲器容量（單位是MB或GB），所以存儲器不在同一個芯片上，耗電量也較大。

樹莓派的處理器芯片屬于SoC。就功能而言，SoC大于MCU：

以穿戴設備應用來說，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能手表，就必須采用SoC。某些智能手表甚至同時搭載SoC和MCU，前者處理復雜的多媒體運算，后者用于連接傳感器以及電源管理。

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（文檔對象模型）、事件處理程序、使用Chrome瀏覽器調試JavaScript代碼、在網頁中嵌入JavaScript代碼等主題。

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。本章將通過集成Arduino以太網絡與jQueryUI（交互界面）程序，帶領讀者認識jQuery語法、網頁信息交換格式（CSV、XML和JSON）和“不刷新網頁，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運行環境，可以讓我們使用JavaScript開發應用，在瀏覽器之外運行。本章將介紹Windows、Mac OS X和Linux（樹莓派）系統的Node.js安裝方式，并通過非阻塞I/O讀取文件、自定義與引用程序模塊、使用npm工具管理模塊、使用Express框架開發網站應用、從Arduino傳遞溫濕度值給Node網站等數個實例認識Node.js。

第4章Node.js串口通信與樹莓派GPIO控制：串口是連接Arduino與個人計算機和Linux微電腦控制板最常用的界面。GPIO則是樹莓派控制板的標準外圍界面，本章除了介紹如何使用Node.js連接與控制串口和GPIO界面，也將介紹GPIO界面集成自制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程序操控連接在USB接口的Arduino。本章將比較“霹靂五號”與Arduino的C語法異同，并且通過讀取開關（數字）信號、模擬輸入和PWM輸出、LM35溫度傳感器、舵機控制，還有瀏覽器與矩陣LED作畫等實例，讓讀者了解“霹靂五號”和網頁實時通信程序（socket.io）。

第6章 電子郵件、串流視頻、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人體紅外傳感器，在偵測到入侵者時，自動拍照并發送E-mail。第二個示例介紹使用socket.io和M-JPEG壓縮程序，在網頁上顯示串流視頻。第三個示例介紹簡易的攝像頭＋DIY舵機云臺，并通過觸控屏、鍵盤和電玩把手控制云臺。最后一個例子是在計算機的瀏覽器上，通過JavaScript擷取攝像頭的視頻，并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數據庫以及ejs模板引擎創建動態網頁：MongoDB是一款適合處理大數據與物聯網數據的免費、開源數據庫，本章將介紹MongoDB的安裝方式、基本架構以及數據的添加、擷?。êY選）、修改和刪除等基本操作，并通過Node.js的Mongoose包（package）連接數據庫，存儲Arduino上傳的數據。

第8章 數據可視化——使用C3.js與D3.js繪制圖表：若只在網頁上用文、數字列舉數據，未免太乏味，本章將介紹如何采用知名的C3.js和D3.js庫，以活潑生動的量表（gague）和圖表（chart）形式呈現存儲在MongoDB數據庫里的數據，以及Arduino傳入的實時數據，并且通過簡易的數字濾波手法過濾噪聲。