Photon物聯網編程從零開始

Christopher Rush
Programming the Photon：Getting Started with the Internet of Things
EISBN：978-0-07-184706-3
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圖書在版編目(CIP)數據
物聯網編程從零開始 美 克里斯多佛 拉什 著；郭俊鳳 譯 —北京：
清華大學出版社， 書名原文： Ⅰ ① … Ⅱ ①克… ②郭… Ⅲ ①互聯網絡－應用－程序設計 ②智能技術－應用－程序
設計 Ⅳ ① ② 中國版本圖書館 數據核字 第 號
責任編輯：王 軍 韓宏志
裝幀設計：牛靜敏
責任校對：曹 陽
責任印制：李紅英
出版發行：清華大學出版社
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開 本： × 印 張： 字 數： 千字
版 次： 年 月第 版 印 次： 年 月第 次印刷
定 價： 元
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產品編號： 譯 者 序
Particle(www.particle.io)公司提供全球最完善的開源物聯網軟硬
件開發平臺，自 2013 年該公司推出第一款基于 TI CC3000 的 STM
CORTEX M3 開源開發板以來，Particle 以其超強的軟件支持幫助開發
者將產品接入網絡，提供 Arduino 的 IDE、配套控制 App、網頁端編
譯軟件、應用開發 SDK、JS 開發庫等支持。其云服務能讓應用于量產
的 Particle 硬件隨時隨地接入云端、集中維護，并能實現在線更新固
件、網絡訪問、數據安全等功能。
Particle 推出的 Photon 是一款功能強大、開發資源極其豐富、上
手開發非常容易的Wi-Fi物聯網開發模塊。它基于ST公司的Cortex M3
內核微處理器以及 BroadCom 公司的 Wi-Fi 芯片，可通過 USB 進行供
電及代碼調試、下載。Photon 尺寸很小，卻具有強大的處理性能，擁
有完整的生態系統和良好的兼容性，在復雜應用中的表現更出色。
Particle 公司同時提供基于瀏覽器的集成化開發環境(Web IDE)，
擁有非常豐富的庫和支持各種應用的參考例程，方便全球的開發人員
進行代碼分享，非常適合嵌入式工程師、網頁開發工程師、Arduino
愛好者以及 IoT 產品企業便捷地編寫自己的固件，創建自己的專屬網
站和手機 App。
對初學者而言，學習 Photon 完全不需要了解其內部硬件結構和寄
存器設置，僅知道它的端口作用即可；可以不懂硬件知識，只要會簡
單的 C 語言，就可用 Photon 編寫程序, 只要設備加了電，固件就會
運行。
本書共分 9 章。第 1 章簡要介紹微控制器、Arduino 和物聯網(IoT)
等。第 2 章討論將 Photon 開發板連接到 Particle 云并開始編程的多種
方式，并簡要介紹 Particle Web IDE。第 3 章講述用于給 Photon 編程
的 C 語言的基本編程術語。第 4 章討論如何控制發光二極管(LED)、
繼電器和蜂鳴器等輸出設備。第 5 章給一些輸入設備編程，例如開關、
溫度感應器等。第 6 章探討如何使用 Particle 函數通過 Internet 進行控
制，如何獲得溫度設備的讀數并顯示在 Web 上。第 7 章介紹 Particle 防
護板和可用的擴充板，說明它們如何使項目更容易完成，而不必設計
和測試電路，包括繼電器防護板、穩壓防護板、JTAG、Arduino 防護
板、Internet 按鈕等。第 8 章介紹如何使用 IFTTT Web 服務控制 Photon
開發板上的電路，以及如何使用 Photon 開發板控制某些 Web 服務，
例如 Twitter。第 9 章能讓讀者很好地根據 RGB LED 的閃爍和顏色理
解 Photon 發生了什么，進而掌握排除設備故障技術。
本書適合電子愛好者、機器人愛好者和 Photon 初學者閱讀，也可
用作院校電子科技實踐活動的參考書。
這里要感謝清華大學出版社的李陽和韓宏志編輯，這幾位編輯為
本書的翻譯投入了巨大熱情，付出了很多心血。沒有你們的幫助和鼓
勵，本書不可能順利付梓。本書主要章節由郭俊鳳翻譯，參與翻譯的
還有陳妍、何美英、陳宏波、熊曉磊、管兆昶、潘洪榮、曹漢鳴、高
娟妮、王燕，在此一并表示感謝。
對于這本經典之作，譯者本著“誠惶誠恐”的態度，在翻譯過程
中力求“信、達、雅”，但鑒于譯者水平有限，錯誤和失誤在所難免，
如有任何意見和建議，請不吝指正。
譯 者
作 者 簡 介
Christopher Rush 擁有計算機科學學位，最近 10 年一直在一家
電子公司的單板計算部門擔任產品經理。Christopher 還維護著一個
MakerSpace 博客(www.rushmakes.com)，為流行的開發板和附件提供
評論、教程和用戶指南，包括 Raspberry Pi、Arduino、BeagleBone
等。Christopher 是 30 BeagleBone Black Projects for the Evil Genius 一書
的作者。
致 謝
我要感謝 Mike McCabe 和 McGraw-Hill Education 團隊的大力支
持，與你們再次合作非常愉快。
我還要將本書獻給我的伙伴 Jennifer Wozniak，像往常一樣，她不
斷地鼓勵、激勵我，沒有她在我身邊，我會迷失方向的。
前 言
本書全面介紹如何為 Particle Photon 開發板編程。Particle Photon
是一個真正的物聯網設備，它允許編寫代碼，使用云創建電子項目。
它完全可用作項目的大腦，還可使用 Internet 遠程控制和收集數據，
來擴展功能。
幸好，Photon 平臺采用了 Arduino 樣式的編程語言，同時具備自
己的編程功能。這樣就可以使用 Arduino 領域的海量資源，包括現有
的項目和示例。
為什么使用Photon？Photon開發板由Particle團隊開發，在2014年11
月面市，價格僅19美元。它是獨一無二的，使用Particle云提供了獨特
的硬件和軟件體驗，可通過Web IDE編程。Photon開發板取代了Particle
Core，后者通過Kickstarter活動籌措了50多萬美元，配備了Broadcom
BCM43362 Wi-Fi芯片，而不是TI CC3000。
本書旨在使讀者能開始使用 Particle Photon創建自己的硬件項目，
讀者不需要具有連接電路或編程方面的經驗，但最好了解一般性計算
機技術。本書會給讀者提供各種體驗，并簡單介紹 Photon 開發板的許
多功能。本書只介紹開發板編程的基礎知識，讀者可在未來的項目中
擴展這些知識。
希望能看到讀者對本書的看法，請通過 www.rushmakes.com 或
Twitter(https://twitter.com/chrisrush85)與作者聯系。
目 錄
第 1 章 Photon 簡介 ............................................................................ 1
1.1 微控制器 ......................................................................... 1
1.2 什么是 Photon ................................................................. 2
1.3 Particle Photon 和 Spark Core .......................................... 2
1.4 物聯網 ............................................................................. 3
1.5 Particle 云 ........................................................................ 4
1.6 Photon 板 ......................................................................... 4
1.7 小結 ................................................................................. 5
第 2 章 連接 ......................................................................................... 7
2.1 開發板的特征 ................................................................. 7
2.2 連接 ............................................................................... 11
2.2.1 連接到移動智能設備上 .................................... 11
2.2.3 通過 USB 連接 .................................................. 14
2.3 使用 Tinker .................................................................... 16
2.3.1 Tinker API .......................................................... 18
2.3.2 同時運行 Tinker 和腳本 .................................... 20
2.4 使用 Particle Web IDE ................................................... 22
2.4.1 Particle 應用和庫 ............................................... 24
2.4.2 上傳第一個應用 ................................................ 24
2.4.3 賬戶信息 ............................................................ 26
2.4.4 使用庫 ............................................................... 26
2.5 Photon 板的固件 ........................................................... 31
2.6 小結 ............................................................................... 31
第 3 章 Particle 語法 .......................................................................... 33
3.1 什么是編程 ................................................................... 33
3.2 變量 ............................................................................... 35
3.2.1 浮點型 ............................................................... 37
3.2.2 布爾型 ............................................................... 38
3.2.3 字符型 ............................................................... 40
3.3 命令 ................................................................................. 40
3.3.1 if 語句 ................................................................ 40
3.3.2 for 循環 .............................................................. 42
3.3.3 while 循環 .......................................................... 42
3.4 數組 ............................................................................... 43
3.5 字符串 ........................................................................... 44
3.6 最佳編程實踐 ............................................................... 45
3.6.1 縮進 ................................................................... 46
3.6.2 注釋代碼 ............................................................ 46
3.6.3 空白 ................................................................... 47
3.7 小結 ............................................................................... 48
第 4 章 輸出 ....................................................................................... 49
4.1 數字輸出 ....................................................................... 49
4.1.1 打開和關閉 LED ............................................... 53
4.1.2 LCD 顯示器 ....................................................... 56
4.2 模擬輸出 ....................................................................... 62
4.2.1 脈寬調制 ............................................................ 63
4.2.2 DAC ................................................................... 65
4.2.3 控制伺服電機 .................................................... 67
4.3 小結 ................................................................................. 71
第 5 章 輸入 ....................................................................................... 73
5.1 數字輸入 ....................................................................... 73
digitalRead() .................................................................. 77
5.2 模擬輸入 ....................................................................... 80
5.3 小結 ............................................................................... 90
第 6 章 物聯網 ................................................................................... 91
6.1 函數 ............................................................................... 91
6.1.1 通過 Internet 控制 LED ..................................... 92
6.1.2 通過 Internet 讀取值 ........................................ 100
6.2 小結 ............................................................................. 115
第 7 章 Particle 防護板的編程 ........................................................ 117
7.1 Shield 防護板 .............................................................. 117
7.2 繼電器防護板 ............................................................. 120
7.3 程序員防護板 ............................................................. 126
7.4 穩壓防護板 ................................................................. 127
7.5 Internet 按鈕 ................................................................ 128
7.6 Grove Starter Kit for Photon ......................................... 129
7.7 Adafruit Particle NeoPixel 成套工具 ........................... 130
7.8 小結 ............................................................................. 132
第 8 章 IFTTT ................................................................................... 133
8.1 IFTTT 概述 ................................................................. 133
8.2 “日出”郵件警報 ...................................................... 134
8.3 使用 Grove 模塊創建 Twitter 警報 ............................. 141
8.4 小結 ............................................................................. 147
第 9 章 排除設備故障 ...................................................................... 149
9.1 設備模式 ..................................................................... 149
9.2 故障排除模式 ............................................................. 151
Photon 物聯網編程從零開始
9.3 小結 ............................................................................. 152
附錄 A 工具和提示 .......................................................................... 153
附錄 B Particle 代碼參考 ................................................................ 165
第 1 章
Photon 簡介
本章將學習微控制器，如 Arduino和物聯網(Internet of Things，IoT)
等的相關知識。Photon 板是一種新的開發板，基于它的前身 Core，并
具有新的硬件和軟件特性，性能更卓越。我們將討論所有這些特性，
并比較兩種開發板。
1.1 微控制器
微控制器(microcontroller)基本上是一個計算機，可使用某種形式的
編程語言控制多個輸入和輸出。微控制器有各種不同的形狀和尺寸，最
流行的平臺是 Arduino。Arduino 板為創建小型電子項目提供了低成本、
易使用的技術，現代常見的微控制器可使用通用串行總線(Universal
Serial Bus，USB)連接到計算機上，給開發板供電，并給微控制器編程；
一旦上傳了程序，并使用某種移動電池設備供電，微控制器還可以去
掉 USB，獨立工作。
其他常見的微控制器有 Raspberry Pi 和 BeagleBone 板。這兩種開
發板比標準的 Arduino 板更高級，都連接到可視化顯示器上進行可視
化輸出，并帶有基本的操作系統，如 Debian。這些開發板的特點是有
許多硬件功能，提供了更多存儲空間、輸入/輸出引腳、更快的處理速
度，還具有音頻/視頻輸出，可將電子項目提升到更高水平。所有這些
選項都很不錯，但需要把項目連接到 Web 時，幾乎肯定需要額外的硬
件，例如防護板(shield)或 USB 加密狗( dongle)，這會顯著增加項目成
本——有時超過了微控制器板的成本。一些開發板還包括內置的 Wi-Fi
或藍牙技術，例如 Arduino Yun，但這個開發板仍比較貴，超過 70 美
元；一旦加上電子硬件和各種其他成本，項目很容易超過 100 美元。
1.2 什么是 Photon
Particle Photon 是一個微控制器開發板，類似于 Arduino Nano，但
它是小型化的，而且添加了一些功能，如內置了 Wi-Fi 模塊，所以可
使用粒子云(Particle cloud)通過 Internet 進行控制和編程。一旦連接到
本地 Wi-Fi 網絡上，也可以使用 iOS 或 Android 操作系統中的 Particle
應用，通過智能手機控制 Photon 板并編程。Photon 開發板的各邊有多
個引腳(pin)，用作微控制器的輸入輸出。這些通用引腳可連接到傳感
器(sensor)或按鈕上，來監聽外界；或連接到發光器(light)或蜂鳴器
(buzzer)上，進行表演。還有一些引腳可給 Photon 板、電機(motor)或
設備的輸出供電。另外，Photon 板還帶有一些內置的硬件功能，例如
按鈕和發光二極管(LED)，大大簡化了 Photon 板的配置：
● SETUP 按鈕在左側，RESET 按鈕在右側，可使用它們設置設
備的模式。
● RGB LED 位于 Photon 開發板模塊上方的中心處。RGB LED
的顏色指定了 Photon 開發板當前的模式。
● 在 Photon 板上，D7 LED 位于數字引腳 7 的旁邊。當引腳 7
設置為 HIGH 時，這個數字引腳會打開 LED。
1.3 Particle Photon 和 Spark Core
Photon 板是 Core 的繼任者，兩者都由 Particle 開發。把這兩個開
發板放在一起比較，會發現它們的外觀十分相似，很難區分。主要區 別是硬件方面，Photon 板使用的 Wi-Fi 芯片與 Core 不同，處理器速度
更快，RAM (隨機訪問內存)更多。
兩種開發板上的引腳幾乎相同，因此本書講述的大部分內容也適
用于 Core。Photon 板的幾個改進很有價值，例如數字-模擬轉換器
(Digital-to-Analog Converter，DAC)和喚醒引腳(Wakeup Pin，WKP)，
取代了 Core 上的 A6 和 A7。
1.4 物聯網
物聯網是媒體術語，它把啞電子設備連接到 Internet 上，之后可
通過 Web 瀏覽器控制這些設備，向 Web 服務器發送 HTTP 請求，并
返回要顯示的信息。可給應用連接許多設備和傳感器：
● 家用電器
● 氣象站
● 機器人
● 空氣污染監控
● 環境感應
● 智能后勤
● 位置跟蹤
● 健康監控
目前市場上的物聯網設備越來越多，例如智能溫控器(smart
thermostat)或飛利浦 Hue 燈(Philips Hue lamp)，它們允許用戶控制家庭
中的供暖方面或情調照明(mood lighting)。物聯網的大發展，使廠商和
玩家更有興趣創建自己的智能項目，而 Photon 板提供了這種可能性，
且成本只有 19 美元——市場上最便宜的開發板。
有那么多廠商和玩家都在創建新的 IoT 項目，就有必要為硬件和
軟件建立一個簡單框架，給處于任何技能水平的人員提供一個簡單、
易用的系統。所以 Particle 團隊根據流行的 Arduino 軟件建立了這樣一
個系統，把較復雜的技術轉換為每個用戶都易于使用的開源產品。
1.5 Particle 云
該框架的硬件部分是 Photon 板，它基于流行的 Core 模塊，通過
融資網站 Kickstarter 獲得資金。Photon 板設計為與 Core 向后兼容，所
以，本書大部分內容都適用于 Core。
Particle 為硬件創建了一個軟件框架，允許用戶利用其他技術和設
備通過 Internet 與硬件交互操作，這兩個元素很容易協同工作。使用
Photon 板的 IoT 設備使用繼電器(relay)或類似電路打開消費設備；這
里，當用戶訪問網頁或移動應用，通過其上的一個按鈕打開或關閉設
備。用戶點擊網頁上的按鈕時，會把一條消息或一串數據發送給
Particle 云服務，Particle 云服務再把該消息轉發給 Photon 板，打開設
備。如果 Photon 板連接了傳感器，云系統就可按相反順序工作，即點
擊按鈕時，不是 Web 服務給云發送信息，而是由 Photon 開發板把傳
感器的信息發送給云，再發送給 Web 服務器，顯示在 Web 上。整個
Particle 框架使這個工作無縫地完成，對終端用戶而言也不會過于復雜
——用戶只需要用 Particle 云賬戶注冊 Particle Photon 板即可。
1.6 Photon 板
Photon 板小巧玲瓏，如圖 1-1 所示。
Photon 板上的兩個按鈕 SETUP 和 RESET 可配置 Wi-Fi 憑證，在
需要時重啟設備。萬一設備出現問題，聯合使用它們可執行完整的出
廠重置操作。
開發板的頂部有微型 USB 端口，用于給開發板供電，在需要時還
可連接到計算機上，進行 USB 編程。
Photon 板有內置的芯片型天線(chip antenna)，適合于大多數室內
應用，Photon 板還有一個外部槽，用于連接 Wi-Fi 天線，進行范圍擴
展和定向天線。Photon 板的默認配置為：在芯片天線和外部天線都可
用的情況下，始終選擇最可靠的方法。也可在固件上手動選擇天線。

圖 1-1 Photon 板
1.7 小結
現在我們已經啟航了。Photon 板是一款在廠商社區中創建 IoT 項
目、開發商業消費產品的優秀設備。下一章將介紹如何設置 Photon 板，
開始編寫第一個項目。

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