物联网开发重新定义了“全栈开发”的范围。Python作为一门快速发展的语言，已经成为系统集成领域的挑选语言之一，其可覆盖从电路逻辑设计到大数据分析的物联网端到端开发。各领域开发者可以利用Python交叉涉足物联网设备、边缘计算、云计算、数据分析的工程设计。本书尝试让读者建立物联网设计的整体概念，从基础概念开始，到相关技术选型、开源工程、参考设计与经验分享。无论是物联网领域的创业者，还是系统架构师，都可从本书中获得灵感。本书对于嵌入式开发领域的开发者尤具学习价值，利用Python可加快开发迭代速度、降低开发成本，并可以基于嵌入式Python建立完整的物联网软硬件生态。
√ Python全栈是降低物联网开发复杂度的必由之路
√ 物联网应用系统的快速开发和系统扩展可以兼顾
√ 物联网系统设计比互联网系统设计更受限更复杂
√ 全覆盖应用、产品、生态的全局视角与选型思路
刘凯，服务于微电子行业二十余载的博学工程师。曾在飞利浦半导体(即NXP恩智浦半导体前身)任博学工程师，从事软、硬件开发与产品设计等工作，有用汇编/C/C 开发嵌入式系统固件、用Perl/Python脚本做开发支持工具、用PHP/Java/Python做设备云和Web应用的丰富经验。现作为独立系统集成开发商，专业从事物联网相关项目设计和咨询服务，主攻嵌入式、RFID、微控制器、物联网、WSN、Linux、Python、开源等领域。
第1章 物联网简介 1
1.1 物联网定义 1
1.2 物联网发展趋势 1
1.3 物联网应用与技术 2
1.3.1 物联网核心价值 2
1.3.2 物联网发展阶段 3
1.3.3 物联网分层 5
1.3.4 物联网数据传输与网络拓扑 5
1.3.5 物联网实施所需技术栈 8
1.3.6 标准、现状与未来 10
1.4 本章小结 16
第2章 Python语言基础 17
2.1 Python的由来与特征 19
2.1.1 概述 19
2.1.2 设计定位与哲学 19
2.1.3 优点与缺点 20
2.2 Python与物联网开发 22
2.3 获取Python资源 24
2.3.1 Python主程序 24
2.3.2 Python文档 24
2.3.3 Python PyPI 24
2.4 Python解释器运行环境 26
2.4.1 REPL交互模式 26
2.4.2 直接运行与模块运行 26
2.4.3 脚本文件直接运行 27
2.4.4 源程序文字编码与结束符 28
2.5 Python类型与语法 29
2.5.1 动态类型 29
2.5.2 传值与传引用 30
2.5.3 数据类型 31
2.5.4 内置类型 32
2.5.5 内置类型的普适操作 34
2.5.6 数值类型 35
2.5.7 布尔类型 37
2.5.8 迭代器类型 37
2.5.9 生成器类型 38
2.5.10 yield表达式 39
2.5.11 序列类型 39
2.5.12 set集合类型 54
2.5.13 映射类型 55
2.5.14 其他类型 56
2.5.15 控制流 59
2.5.16 内置函数 61
2.5.17 用户自定义函数 62
2.5.18 模块 65
2.5.19 输入/输出 68
2.5.20 面向对象编程 74
2.5.21 进程和线程 82
2.5.22 错误和异常 90
2.6 Python标准库概览 93
2.7 本章小结 94
第3章 Python语言进阶 95
3.1 HOWTO：常见任务和解决方案 95
3.1.1 数据类型转换 96
3.1.2 数据的调试打印 100
3.1.3 数据类型资源优化 102
3.1.4 数据结构与算法 102
3.1.5 数据缓存 103
3.1.6 数据多路复用和解复用 104
3.1.7 数据序列化和反序列化 107
3.1.8 数据压缩和解压缩 119
3.1.9 数据加密 120
3.1.10 数据传输 121
3.1.11 数据后处理 121
3.1.12 数据持久化 121
3.1.13 数据交换 122
3.2 HOWTO：函数式编程 123
3.2.1 高阶函数 123
3.2.2 map函数 124
3.2.3 reduce函数 124
3.2.4 filter函数 124
3.2.5 sorted函数 125
3.2.6 返回函数 125
3.2.7 闭包 126
3.2.8 匿名函数 126
3.2.9 装饰器 127
3.3 HOWTO：并发运行模型 131
3.3.1 协程 131
3.3.2 I/O模型 134
3.4 HOWTO：日期与时间 136
3.4.1 类型转换 136
3.4.2 时区的处理 138
3.5 Python版本迁移 139
3.5.1 Python 2与Python 3的区别 140
3.5.2 Python 2到Python 3的流程 140
3.5.3 多个Python版本共存 140
3.5.4 virtualenv 141
3.5.5 Windows多个版本共存 141
3.5.6 Linux多个版本共存 142
3.6 其他常见技巧 143
3.6.1 常数类型的模拟 143
3.6.2 枚举类型的模拟 143
3.6.3 开发自定义模块 144
3.7 Python与其他语言 145
3.8 Python语言扩展 151
3.8.1 C语言扩展Python 151
3.8.2 ctypes访问Windows DLL 153
3.8.3 Jython访问Java类 154
3.8.4 IronPython访问.NET 155
3.9 Python加速 157
3.9.1 PyPy 158
3.9.2 Cython 159
3.9.3 PyCUDA 159
3.9.4 PyOpenCL 159
3.9.5 Theano 159
3.9.6 Nuitka 159
3.10 本章小结 160
第4章 嵌入式系统开发 161
4.1 嵌入式系统硬件分类 162
4.1.1 MCU 162
4.1.2 MPU 163
4.1.3 DSP 163
4.1.4 SMP 164
4.1.5 异构大小核 164
4.1.6 FPGA原型 165
4.1.7 SoPC 165
4.1.8 GPU 167
4.1.9 哈佛结构和冯?诺依曼结构 168
4.2 电路原型设计 168
4.2.1 集成电路设计流程 170
4.2.2 模拟电路原型设计 170
4.2.3 数字电路原型设计 175
4.3 常见嵌入式微控制器(MCU) 179
4.3.1 MCU市场状况 179
4.3.2 Arduino/Wiring 180
4.3.3 ARM mbed 181
4.3.4 设计专属架构和专属MCU 182
4.3.5 ARM MCU差异化竞争 182
4.4 常见嵌入式处理器和主板 184
4.4.1 ARM架构 185
4.4.2 其余的ARM Linux主板 188
4.4.3 MIPS开发板 190
4.4.4 x86 mini-ITX 191
4.5 常见传感器和执行器 192
4.5.1 虚拟传感器 193
4.5.2 智能传感器 193
4.5.3 专用传感器 194
4.5.4 执行器 195
4.6 物联网通信集成电路 196
4.7 嵌入式系统开发语言演进 197
4.7.1 从汇编到嵌入式C 197
4.7.2 从C到C 199
4.7.3 压缩C 的系统消耗 199
4.7.4 C 适合物联网开发 200
4.8 C/C 的编程模式和技巧 204
4.8.1 C/C 设计模式 205
4.8.2 回调函数 206
4.8.3 有限状态机模型 209
4.8.4 善用结构体 211
4.8.5 C/C 协程 214
4.9 开发生态选择 215
4.9.1 工业标准与厂家私有指令集架构 215
4.9.2 硬件与软件平台选择 215
4.9.3 编译器选择 216
4.10 常见操作系统 217
4.10.1 无操作系统 217
4.10.2 RTOS的优势 218
4.10.3 uC/OS 219
4.10.4 Keil RTX 219
4.10.5 mbed RTOS与mbed OS 220
4.10.6 FreeRTOS 221
4.10.7 Linux是开发复杂联网设备的现实选择 222
4.11 物联网中间件 227
4.11.1 WSN堆栈 227
4.11.2 TCP/IP 227
4.11.3 USB 227
4.11.4 FAT/FS 228
4.11.5 GUI 228
4.11.6 Terminal 228
4.11.7 MQTT 228
4.11.8 CoAP 229
4.12 物联网安全性 230
4.12.1 安全相关芯片 230
4.12.2 安全中间件 231
4.12.3 Python安全算法 232
4.13 设备固件更新 232
4.13.1 固件更新技术发展史 232
4.13.2 本地固件更新 234
4.13.3 远程固件更新 234
4.13.4 固件升级定制 234
4.14 各类串口实现联网 235
4.14.1 串口协议的选择 235
4.14.2 模拟串口设备 236
4.14.3 其他类型虚拟设备 238
4.14.4 ISP编程器 238
4.14.5 串口设备监控器 239
4.15 本章小结 239
第5章 设备连接和编程接口 240
5.1 设备连接概述 240
5.1.1 嵌入式系统连接层次 240
5.1.2 选择正确的连接方案 241
5.1.3 具体落实连接设计 241
5.1.4 本章内容安排 242
5.2 连接能力汇总 242
5.2.1 连接由芯片开始 243
5.2.2 芯片内部系统总线 245
5.2.3 芯片间连接技术 246
5.2.4 设备间连接 249
5.2.5 设备组网 250
5.2.6 设备组网与联网的无线技术 253
5.2.7 连接性回顾 266
5.3 Linux文件系统 266
5.3.1 设备即文件 266
5.3.2 设备文件系统 267
5.3.3 Linux设备文件的演变 268
5.3.4 文件I/O操作 271
5.3.5 Linux硬件编程 272
5.4 并行接口 273
5.4.1 老旧的PC并行接口 274
5.4.2 高速总线 274
5.4.3 GPIO 274
5.4.4 Linux访问GPIO 275
5.4.5 GPIO的Python包 276
5.5 串行接口 277
5.5.1 异步通信串行口 277
5.5.2 I2C总线 284
5.5.3 SPI总线 290
5.5.4 与其他硬件平台相关的Python包 294
5.6 USB总线 296
5.6.1 USB Endpoints 297
5.6.2 USB Device/Host/OTG 297
5.6.3 USB 3.0 297
5.6.4 libUSB 297
5.6.5 PyUSB 298
5.6.6 标准化USB桥接 299
5.6.7 与USB相关的其他设计 301
5.7 Linux网络设备驱动 301
5.7.1 TCP/IP套接字编程 301
5.7.2 IEEE 802.3到IEEE 802.11 302
5.7.3 网络通信实现方案 302
5.7.4 私有通信协议栈 305
5.7.5 短距离无线连接 307
5.8 工业总线 310
5.8.1 CAN总线 310
5.8.2 LIN总线 312
5.8.3 其他ASIC 313
5.8.4 定制Python扩展 313
5.8.5 Windows DLL 314
5.9 本章小结 314
第6章 嵌入式Python虚拟机 315
6.1 嵌入式高级语言平台大荟萃 315
6.1.1 高级语言与二次开发 315
6.1.2 BASIC 319
6.1.3 Java 319
6.1.4 Lua 322
6.1.5 JavaScript 322
6.1.6 .NET 323
6.2 前一代Python虚拟机 323
6.2.1 Telit GPRS模块 323
6.2.2 Symbian 325
6.2.3 Windows CE 325
6.2.4 OpenMoko 325
6.3 深嵌入式Python平台 326
6.3.1 LEGO EV3 326
6.3.2 TinyPy 326
6.3.3 嵌入式Python的局限 327
6.4 PyMite 328
6.4.1 硬件平台 328
6.4.2 维护者 329
6.4.3 pymbed分支 329
6.4.4 开发现状 331
6.4.5 文档 332
6.4.6 源码树 333
6.4.7 使用流程 335
6.4.8 实践 336
6.4.9 工程小结 337
6.4.10 网络资源 338
6.5 VIPER/Zerynth 338
6.5.1 硬件平台 339
6.5.2 Zerynth Studio 340
6.5.3 与标准Python的区别 341
6.5.4 快速启动 342
6.5.5 坎坷的使用过程 342
6.5.6 Zerynth目录结构 343
6.5.7 硬件相关库 344
6.5.8 其他特性 355
6.6 MicroPython 356
6.6.1 工程背景知识 356
6.6.2 在线评估网页 358
6.6.3 官方硬件平台分支 358
6.6.4 衍生项目 359
6.6.5 UNIX版本 360
6.6.6 MicroPython库 363
6.6.7 STM32HAL分支 365
6.6.8 NUCLEO-F401RE适配 367
6.6.9 pyboard评估 372
6.6.10 异步处理和中断处理 389
6.6.11 中断处理的普遍问题 392
6.6.12 使用心得 395
6.6.13 商品化与知识产权 396
6.6.14 BBC microbit 396
6.7 Linux与Python 398
6.7.1 Linux中Python的运行环境 398
6.7.2 交叉编译CPython 401
6.7.3 交叉编译MicroPython 402
6.7.4 Jython运行环境 404
6.7.5 Android SL4A 406
6.8 本章小结 407
第7章 Python应用APP 408
7.
前几年国内引进了Chris Anderson的《创客：新工业革命》。打那时候开始，国内流行起“创客”风潮。“创客”这个词果真是一个洋气的舶来品，很多国人姑且把它看成硬件创业的预备役。但是大洋彼岸原产地的人们倒是朴实得可爱：织个毛衣，搞个室内大棚蔬菜。当然高科技类的自然少不了捣鼓一下机床，焊一块板子，这更像是一种DIY的怀旧文化：更加纯粹和快乐。做一名纯粹的创客并不容易，毕竟要抽出一定的时间和精力。直到现在我依然惦记着自己那台完成了一半的 3D 粉末打印机，而它就静静地躺在储物箱里。那时候的我已经开始为创业做前期准备，但商业项目和自己在创客空间玩的东西没啥关系，终究自娱自乐和商业有差别。
遇见 Allan 的时候，他也在努力从创客转变成创业者。我很惊诧于他虽然技术娴熟，也曾负责NXP产品技术与市场，却依然对技术保持着孩童般的初心，真的不多见啊。离开NXP后，Allan决定成为一名自由职业者。靠着自己扎实的技术，从前端到后台，从硬件到软件，他一个人搞起了物联网的项目和产品。我们时不时在线上谈论可行的产品和市场策略。虽然我对硬件不熟悉，但是由于自己当时就职于PTC，拥有些许物联网后台软件的认知，就这样我们相互参照着学习，并努力将其付诸实践。
2015年5月，我离开了PTC并投身于机器视觉领域的创业，但依然保有对物联网的热情，尤其关注工业物联。而 Allan 在这几年的实践中积累了全栈开发的经验。终于有24小时，他觉得是时候将他独自一人的全栈开发经验记录下来，并传播给这个领域的开发者了。我自然非常支持他，但是独自写一本技术类的书，这是多么考验人呀。之后和 Allan 的交流变少了，我想象得出他独自在房间码格子的情形。半年后，这本书的初稿终于扎扎实实地完成了。
创业者和分析师们总爱重复地问一个问题：物联网的风口有没有来？我们很难精准地去预判某个时间节点，但假如物联网是一个不远不近的方向的话，我们当下能够做的便是顺着产业的脉搏而跳动。类比一下 PC 和移动互联网，我们依然处于物联网大规模商业化的早期。但是终我们会迎来万物互联。让我激动的是万物互联的基础架构成熟后，在各个行业以及各个利基市场将会涌现出各种“新物种”，推动着商业和产业进一步提高效率，进一步打破边界。而对于希望投身于这个行业的技术人员来说，应该尽量抛弃这些华丽的时髦术语，回归技术本身。这本书平实地记录了读者需要了解和掌控的基础知识；与此同时，它从单一语言全栈开发的概念出发梳理了一个完整的流程，而全局观的梳理能够更好地帮助技术人员去理解技术的本质。
技术总是在飞速地发展，书本记载的技能需要不断地升级更新。但是我能感受到 Allan 更希望传达的创客精神。创客愿意从零开始建一栋楼，他们或许不能建成一座摩天大厦，但至少也会筑成一幢别具一格的小楼房。这种纯粹的乐趣只有从动手实践中才体会得出来。但人们的生活节奏总是很匆忙，有这么一本类似于“宝典”的书，可以加快看官您动手的速度和效率。但愿您能享受从零开始搭建一个物联网项目或者产品的过程。
张成 上海叠层科技联合创始人
