動手玩藍牙：用Arduino、Raspberry Pi與智慧型手機打造低功耗藍牙專題 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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原文作者： Alasdair Allan, Don Coleman, Sandeep Mistry

圖書標籤:

• 藍牙
• Arduino
• Raspberry Pi
• 低功耗藍牙
• BLE
• 物聯網
• DIY
• 電子製作
• 無綫通信
• 智能硬件

智慧型手機改變瞭世界的樣貌，並不是因為它讓我們更方便打電話，而是因為它讓我們以全新的方式連結網路和真實世界。用低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy）打造和控製你的周遭環境，親自駕馭這股科技的力量吧！低功耗藍牙和傳統藍牙名字相似，但其實截然不同。你將會深入瞭解低功耗藍牙，並學習如何打造自己的連綫裝置。由於其耗電量極低，且在遠距離時訊號仍然穩定，低功耗藍牙可說是最佳的動手做實驗工具。

　　透過本書，你將會編寫程式，並且組裝電路來連接最新潮的感測器，甚至還能寫齣你自己的藍牙服務！我們會使用價格親民、搭載專業廠商Nordic Semiconductor晶片組的模組，如Adafruit的Bluefruit LE等，一步步帶領你在做專題的過程中增強技能。若是曾接觸過Arduino或Raspberry Pi編程經驗的自造者，本書將為你的專題拓展更多可能性。

　　在本書中，你將： 
　　打造一個可以遠端遙控的智慧型電燈開關。
　　打造一個隻能用你的手機解開的鎖。
　　打造一個氣象觀測站，可以測量溫度、濕度和氣壓。
　　動手做一盞可以遙控變色的NeoPixel LED颱燈。
　　用德州儀器的SensorTag遙控你的電腦簡報。
　　用一颱藍牙遙控器調整電腦或手機的音量。
　　用電腦和Node.js讓派洛特的Rolling Spider無人機迎風翱翔。

　　這本書為你示範藍牙如何應用在各種程度的專題上，包括微控製闆、手機、平闆和電腦。隻要使用Arduino、Node.js和PhoneGap等軟體，你的裝置就可以彼此溝通，還可以加入各種感測器和外部硬體！

本書特色

　　◎深入瞭解低功耗藍牙，打造9組實用連綫裝置！
　　◎詳細的製作步驟與程式說明，輔以全彩圖錶與照片，清晰易懂！
　　◎為你的Arduino或Raspberry Pi專題拓展「無綫」可能性！

深入探索無綫通信：從基礎原理到前沿應用 內容提要： 本書並非聚焦於藍牙技術本身，而是將視角投嚮瞭更廣闊的無綫通信領域，特彆是物聯網（IoT）時代背景下，那些與藍牙技術有著相似應用場景、底層原理或所需技能棧的電子、嵌入式係統和數據傳輸技術。讀者將通過本書，係統學習如何利用現有的硬件平颱，如Arduino和樹莓派等微控製器，去理解和實現各種非藍牙類的無綫通信、傳感器數據采集、本地網絡構建以及移動應用集成。本書旨在為希望在嵌入式係統和物聯網領域深耕的技術愛好者和工程師，提供一套紮實的、可操作的知識體係。 --- 第一章：嵌入式係統與微控製器基礎重構 本章將為讀者打下堅實的硬件平颱基礎，重點關注Arduino和樹莓派（Raspberry Pi）在通用數據處理和I/O控製方麵的核心能力，而非側重於它們作為藍牙通信終端的特定功能。 1.1 Arduino平颱的深度應用：超越簡單控製 時序控製與中斷機製的精細管理： 深入探討如何利用Arduino的定時器和外部中斷，實現高精度、低延遲的數據采集和設備同步控製。我們將分析如何優化`loop()`函數的執行效率，避免不必要的阻塞操作，為後續復雜通信協議的實現騰齣資源。 內存優化與固件結構設計： 針對資源受限的微控製器（如ATmega係列），詳細介紹變量存儲類彆、位操作技巧以及函數內聯的實際效果，確保有限的SRAM和Flash空間得到最有效的利用。 模擬與數字接口的噪聲抑製： 講解如何通過軟件濾波（如滑動平均、卡爾曼濾波的簡化版）和硬件隔離技術，提高從傳感器讀取數據的準確性，這對於任何無綫傳輸前的預處理至關重要。 1.2 Raspberry Pi：Linux內核下的嵌入式網絡編程 GPIO與硬件接口的高級訪問： 不使用現成的Python庫進行簡單的GPIO控製，而是深入到Linux內核的`sysfs`或更底層的`/dev/gpiomem`接口進行直接操作，理解底層驅動與硬件交互的原理。 多進程與綫程在數據流中的應用： 探討如何在樹莓派上利用Python的多進程（`multiprocessing`）或綫程模型，並行處理傳感器數據采集、本地存儲和網絡數據發送等任務，實現係統的高並發能力。 樹莓派操作係統級彆的性能調優： 介紹如何調整Linux內核參數、管理服務進程（Systemd），確保嵌入式應用在長時間穩定運行中保持資源消耗的最小化。 第二章：非標準無綫通信協議的實踐與解析 本章將徹底轉嚮除藍牙之外的其他常用或新興的短距離和廣域無綫技術，重點在於協議棧的理解和硬件模塊的集成。 2.1 射頻基礎與ISM頻段通信 2.4GHz頻段的競爭與乾擾： 分析Wi-Fi和ISM頻段內其他設備對2.4GHz信號的影響，並介紹如何通過信道選擇、功率控製和基礎的跳頻概念來提升通信的魯棒性。 低功耗無綫電模塊（如NRF24L01）的深度應用： 詳細講解NRF24L01的寄存器配置，包括ACK機製、自動重傳（Auto-retransmit）的設置，以及如何構建一個可靠的點對點或多點通信網絡，並討論其在功耗管理上的優勢與局限。 2.2 廣域網技術（LPWAN）的初步探索 LoRa技術的物理層與MAC層： 介紹LoRa的核心技術——Chirp Spread Spectrum（CSS）的工作原理，對比其與傳統調製方式的抗乾擾性差異。講解如何配置LoRa模塊的擴頻因子（SF）和帶寬（BW）以平衡傳輸距離與數據速率。 構建簡易的LoRa節點與網關： 實踐搭建一個基於Arduino/ESP32和LoRa模塊的低功耗數據采集節點，並利用軟件模擬或現成的開源網關接收數據，重點關注數據包的封裝和解封。 第三章：傳感器網絡與數據匯集架構 本章將重點放在如何可靠地從環境中采集數據，並將這些異構數據匯集到一個中央處理器（如樹莓派）或雲端進行處理。 3.1 有綫和低速無綫傳感器接口 I2C/SPI協議的深入理解與主從設備設計： 詳細剖析I2C時序中的從設備尋址衝突、多主設備仲裁的原理，以及SPI中時鍾極性（CPOL）和時鍾相位（CPHA）的組閤對數據準確性的影響。 單總綫（1-Wire）協議與分布式傳感器部署： 講解DS18B20等溫度傳感器如何利用單根導綫進行通信，並設計高效的尋址和數據讀取算法，適用於大規模環境監測。 3.2 本地網絡協議棧的構建 MQTT協議在本地網絡中的應用： 區彆於Web通信中的HTTP，重點講解MQTT的QoS等級（0, 1, 2）對物聯網設備可靠性的意義，以及如何利用樹莓派作為本地Broker來管理數據流。 數據序列化與傳輸效率： 探討使用JSON、Protocol Buffers（Protobuf）或自定義的二進製格式進行數據封裝，對比它們在數據大小和解析速度上的性能差異，以優化有限的無綫帶寬。 第四章：移動端應用集成與數據可視化 本章的重點是將嵌入式係統采集到的非藍牙數據，通過其他網絡機製（如Wi-Fi或以太網）傳輸到移動設備上進行實時監控和交互。 4.1 基於Wi-Fi/TCP/UDP的數據推送 TCP/UDP套接字編程的實戰： 詳細講解Arduino（或ESP8266/ESP32）作為客戶端嚮樹莓派服務器發起連接（TCP）或發送廣播包（UDP）的具體代碼實現，並處理連接斷開的重試邏輯。 構建簡易的Web服務器接口： 利用樹莓派上的輕量級Web框架（如Flask），創建API端點，允許移動應用通過標準的HTTP請求獲取最新的傳感器狀態，而不是依賴於特定的無綫配對流程。 4.2 跨平颱移動端UI的初步構建 網絡通信庫的選擇與使用： 介紹在移動應用開發中（例如使用React Native或原生Android/iOS）如何調用網絡API來接收嵌入式設備通過Wi-Fi或MQTT推送的數據。 實時數據動態展示： 實踐如何在移動界麵上繪製麯綫圖、顯示狀態指示燈，以直觀地反饋遠程傳感器網絡的工作狀態，完全脫離藍牙的配對和連接過程。 --- 本書特色： 本書內容強調“動手實踐”和“底層原理”的結閤。它摒棄瞭對單一技術（如藍牙）的深入依賴，轉而提供一套通用的嵌入式網絡解決方案構建思維。讀者將學習到如何評估不同無綫技術（Wi-Fi, NRF, LoRa）的適用場景，如何優化嵌入式代碼以應對資源限製，以及如何設計一個穩定、可擴展的數據采集與監控係統。全書貫穿實戰項目，所有代碼示例均圍繞Arduino和Raspberry Pi展開，確保理論知識能即刻轉化為可運行的係統原型。

作者簡介

艾拉斯戴爾‧艾倫Alasdair Allan

　　一名科學傢、作傢、駭客以及動手做玩傢，曾齣版眾多著作，有時亦會在鏡頭前露麵。幾年前，他於一場Google開發者年會上推齣瞭包含400個以上的感測節點、可覆蓋整個Moscone West會議中心的網格網路。更早之前，他也曾發現iPhone會隨時記錄使用者的所在地，揭發瞭iPhone的隱私權醜聞，引發多起集體訴訟案及參議院聽證會。他也在《MAKE》雜誌撰寫關於電子裝置的文章，尤其是無綫裝置、分散式感測網路、行動計算以及物聯網等。身為一名前天文物理學傢，他也曾參與發現當時已知最遠的星體。

唐‧柯曼 Don Coleman

　　一生以程式設計為業，且涉獵廣泛，從機械、軟體到硬體，積極擔任各領域之間的橋樑。他亦是資深的PhoneGap軟體開發工程師，自草創時期就堅守初衷，奔走全國宣揚使用PhoneGap的好處。身為位於費城附近的軟體顧問公司Chariot Solution的顧問主管，他的團隊與客戶閤作，幫助他們革新既有係統，奠定未來技術的基礎。

山迪普‧密斯特裏 Sandeep Mistry

　　專業的軟體工程師，熱愛用物聯網和低功耗藍牙嘗試製作新裝置。他曾開發瞭無數開源的低功耗藍牙程式庫，包括Node.js專用的noble和bleno，及Arduino專用的BLEPeripheral。

譯者簡介

潘榮美

　　國立政治大學英國語文學係畢業，曾任網路雜誌記者、展場口譯、演員等，並涉足劇場、音樂、廣播與文學界。現為英語教師及譯者，譯有《動手玩科學》、《Making Makers》和《超簡單機器人動手做》。

序
第1章 前言
第2章 準備工作
第3章 智慧型電燈開關
第4章 低功耗藍牙鎖
第5章 Bleno鎖
第6章 氣象觀測站
第7章 NeoPixel燈
第8章 SensorTag遙控裝置
第9章 使用GATT規範的人機介麵
第10章 定位訊號
第11章 遙控無人機
第12章 更進一步
附錄A HID與GATT配對

走進低功耗藍牙的世界
 
低功耗藍牙將全世界分為周邊裝置和中央裝置。周邊裝置（Peripheral devices）如感測器，通常體積不大、所需能量不高、資源限製也較大。中央裝置（Central devices）如手機和筆記型電腦，通常也可以被當作周邊裝置使用。
 
周邊裝置能以兩種模式運作：廣播（broadcasting）模式，以及直接連接中央裝置的模式。廣播模式是低功耗藍牙與傳統藍牙之間最大的分彆，可以將資料傳輸給範圍內的所有裝置。
 
這樣的模式讓周邊裝置不必和中央裝置「配對」就可以傳送資料。在低功耗藍牙中，我們傾嚮用「連綫」一詞來描述這個狀態，而非藍牙2.1中的配對。在廣播模式下，周邊裝置會持續發送廣告封包（advertising packet），讓附近任何搜尋此封包的裝置都可以接收。這些搜尋封包的裝置也被稱作「觀察者」（observers）。
 
標準的廣告封包中包含廣播裝置本身的資訊以及其資料傳送能力，此外，它也可以包含一些想要廣播的客製訊息，如感測器的資料等。
 
如果資料不涉及隱私，如氣象量測資料，用周邊裝置來廣播是個好選擇。然而廣播的方式並沒有安全防護，因此針對較私人的資料，應該由中央裝置與周邊裝置連綫，而非相反的順序。
 
低功耗藍牙的連綫具有排他性，也就是說，周邊裝置一次隻能連上一個中央裝置。當連上中央裝置時，周邊裝置就會停止廣告功能，讓其他裝置感應不到或連接不到這個裝置，直到連綫被切斷為止。雖然周邊裝置隻能連一個中央裝置，但中央裝置可以同時連上許多周邊裝置。
 
如果要在周邊與中央裝置間交換資料，首先，你必須在裝置之間建立連綫。

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哇，看到這本《動手玩藍牙：用Arduino、Raspberry Pi 與智慧型手機打造低功耗藍牙專題》，我真的是心癢癢！最近我一直在研究物聯網（IoT）相關的項目，特彆是想做一個能夠在傢中實時監測環境數據的係統，同時又希望能夠通過手機 App 來控製和查看，但又不想耗費太多電力，因為我打算讓它長期運行。低功耗藍牙（BLE）技術簡直是我的救星！這本書的標題一看就擊中我的需求點，特彆是提到瞭 Arduino 和 Raspberry Pi，這兩樣東西我傢裏都有，而且也玩瞭一段時間瞭，但一直不知道怎麼把它們和 BLE 結閤起來。我一直覺得 BLE 的潛力很大，可以做很多有趣又實用的東西，比如智能傢居的小裝置、穿戴式設備、甚至是遠程控製的機器人。這本書能教我如何從零開始，一步一步地搭建自己的 BLE 項目，並且還能通過智慧型手機來控製，這對我來說簡直太棒瞭！我最期待的就是書中能夠有詳細的代碼示例和電路圖，這樣我就可以直接跟著動手做，不用自己摸索半天。而且，如果能有一些實際的應用案例，比如如何製作一個智能門鎖、一個簡單的健康監測器，或者一個可以遠程控製的燈光係統，那就更好瞭！我真的迫不及待想通過這本書，把我的想法變成現實，讓我的生活變得更智能、更方便！

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我一直對各種無綫通信技術充滿好奇，尤其是那些能夠實現設備之間互聯互通的技術。《動手玩藍牙》這本書的標題，讓我立刻引起瞭極大的興趣。低功耗藍牙（BLE）的齣現，無疑是物聯網時代的一項重要突破，它使得許多以前難以實現的功能變得觸手可及。我一直想嘗試用 Arduino 和 Raspberry Pi 來構建一些有趣的交互式項目，但始終不知道如何將它們與智慧型手機進行無縫連接。這本書的齣現，正好解決瞭我的這個睏惑。我非常好奇書中是否會詳細講解 BLE 的核心協議和通信機製，例如廣播（Advertising）、掃描（Scanning）、連接（Connection）等過程。同時，我也希望書中能夠提供一些實際的項目案例，例如如何利用 BLE 來構建一個簡單的無綫傳感器網絡，或者如何實現一個基於 BLE 的遠程控製係統。如果書中能提供一些關於如何優化 BLE 功耗、提高通信穩定性的技巧，那對我的項目開發將會有極大的幫助。我期待通過這本書，能夠深入瞭解 BLE 技術，並將其應用到我的個人項目中，創造齣更多有趣的應用。

评分☆☆☆☆☆

最近我一直對各種創客（Maker）項目躍躍欲試，尤其是對那些能夠連接現實世界和數字世界的技術特彆感興趣。藍牙技術，特彆是低功耗藍牙（BLE），在我看來就像是一個能夠實現這種連接的“瑞士軍刀”，應用場景非常廣泛。我一直想嘗試用 Arduino 和 Raspberry Pi 來做一些更高級的項目，但總感覺少瞭點什麼，而《動手玩藍牙》這本書的齣現，恰好填補瞭這個空白。它直接點明瞭用 Arduino、Raspberry Pi 和智慧型手機來打造 BLE 項目，這三個元素簡直就是我想要的組閤！我設想著用這個技術來做一個可以與傢人互動的項目，比如一個可以遠程控製的寵物喂食器，或者一個可以監測傢中老人健康狀況的設備，並且能夠通過手機 App 實時通知我。這本書的齣現，讓我覺得這些原本看起來很遙遠的想法，變得觸手可及。我特彆關注書中是否會講解 BLE 的核心概念，比如 GATT 協議、服務（Services）、特徵（Characteristics）等，因為理解這些底層原理對於深入開發至關重要。如果書中能夠提供一些關於如何優化 BLE 連接、提高數據傳輸效率的技巧，那就更完美瞭。我非常期待通過這本書，能夠掌握 BLE 開發的精髓，做齣真正有價值、有意義的項目。

评分☆☆☆☆☆

最近我一直在關注各種新興技術，尤其是那些能夠簡化我們日常生活、提升生活品質的技術。《動手玩藍牙》這本書的齣現，讓我眼前一亮！我一直覺得藍牙技術在物聯網領域有著巨大的潛力，特彆是低功耗藍牙，它能夠讓許多小型設備長時間運行，而不必擔心電量問題。這本書提到瞭 Arduino、Raspberry Pi 和智慧型手機這三個非常受歡迎的平颱，這讓我覺得這本書的內容會非常實用且易於上手。我設想，通過這本書，我或許可以開發齣一些個性化的智能傢居小裝置，比如一個可以根據我的心情自動調節燈光亮度和顔色的智能燈，或者一個能夠遠程控製的窗簾。我非常期待書中能夠提供一些詳細的操作步驟和代碼示例，這樣我就可以跟著一步一步地學習，即使是初學者也能輕鬆入門。如果書中還能提供一些關於如何設計用戶友好的手機 App 的建議，那就更好瞭！我希望能夠通過這本書，真正掌握 BLE 開發的技術，並將其應用到實際生活中，讓我的生活變得更加便捷和有趣。

评分☆☆☆☆☆

作為一名對嵌入式係統開發略有涉獵的愛好者，我一直對如何讓設備之間進行高效、低功耗的通信感到著迷。《動手玩藍牙》這本書的標題“用Arduino、Raspberry Pi 與智慧型手機打造低功耗藍牙專題”，簡直就是為我量身打造的！我曾嘗試過使用其他無綫通信方式，但總覺得在功耗和連接便利性方麵有所欠缺，BLE 的齣現似乎完美解決瞭這些問題。我非常好奇書中是如何將 Arduino 的靈活性、Raspberry Pi 的計算能力，以及智慧型手機的交互性巧妙地結閤起來，共同構建一個完整的 BLE 生態係統的。我特彆期待書中能夠深入講解 BLE 的各種應用場景，例如如何實現設備之間的點對點通信、如何構建一個 BLE 網關，以及如何利用手機 App 來對這些設備進行管理和控製。此外，我對於書中是否會涉及一些更高級的 BLE 開發技巧，比如如何處理多設備連接、如何實現安全通信等方麵的內容也充滿期待。如果書中能提供一些具體的項目案例，例如一個基於 BLE 的智能燈光控製係統，或者一個簡單的無綫傳感器網絡，那將對我未來的學習和實踐非常有幫助。