第2章 物联网硬件电路技术

前章所述，物联网就是实现物物相连的互联网，是新一代信息技术的重要组成部分。具体说，物联网是把传感器、控制器、机器、人员和物等，利用局部网络或互联网等通信技术通过新的方式联在一起，从而形成了物与物、人与物相联、实现远程管理控制、信息化和智能化的网络。因此，基础硬件设备成为实现物联网快速发的基础。物联网基础硬件主要由传感器、RFID标签、嵌入式系统等三项关键技术组成，涉及RFID读写、喷码、电子标签、标签打印机、手机、传感器等众多的基础硬件设备。这些硬件设备的硬件技术又是建立在电子技术的基础上，学习电和电子的基本知识，掌握基本的模拟电路和数字电路是必不可少。

物联网的各种硬件设备的结构都离不开微处理器的控件，我们把这个技术叫做嵌入式技术。微处理器的开发应用是物联网的关键技术之一，也是核心内容，只有掌握微处理器的结构，理解其工作原理，才能设计嵌入式应用电路和编写相关的程序，从而才能设计感知层的硬件电路。

信息化技术、自动化技术和智能化技术在当今社会的生活和生产中应用越来越广泛，而这些技术的发展都依靠计算机技术的发展与进步。例如我们生活中使用的智能手机、自动洗衣机都是依靠内部计算机来进行控制的。我们无法接受将一台普通计算机安装到智能手机中，因为这将导致手机的体积、成本、重量等指标变的令人无法接受，此时单片机的出现满足了实际应用中的需求。

2.1物联网电路基础

2.1.1电路基本概念

电路就是由电气、金属导线、电子部件组成的导电回路，其作用是实现对电能的传输、分配与转换，以及对信号的传递与处理。

电路包括电源、连接导线、用电器和辅助设备四大部分，其中电源是把非电能转变成电能；连接导线则承担着把电源、用电器和辅助设备连成一个闭合回路，进行电能传输的作用；对电路进行控制、分配、保护及测量由辅助设备完成；用电器是把电能转为其他形式。如果一个电路缺少了其中的一部分，这个电路就不能正常工作。

电路的三种状态分别是：

（1）通路：电路中有电流且用电器工作正常即接通的电路，属于常见的电路状态。

（2）开路：电路中无电流，用电器不能工作即断开的电路，属于常见的电路状态。

（3）短路：电路中有很大的电流，可能烧坏电源或导线的绝缘，引起火灾，直接用导线连接电源两端或用电器两端则会形成短路。短路是错误的危险状态，必须绝对避免。

电路模型就是在电路分析过程中，用抽象的理想电路元件及其组合近似的代替实际的器件，构成与实际电路相对应的电路模型，以方便于对实际电气装置的分析研究。

电路根据连接方式不同可以分串联电路和并联电路。

串联电路：把元件首尾相连逐个顺次连接起来，电路中只有一条电流，没有分支，各用电器相互影响，整个电路由开关控制。最常见的有装饰小彩灯、开关和用电器。

并联电路：把元件首首尾尾并列的连接起来，电路至少有两条路径，有分支，并且各支路的用电器独立工作，互不影响。整个电路由干路开关控制，支路开关控制支路。家里的各种电器、道路路灯等常用这种电路。

2.1.2电路主要物理量及基本元件

电路中的主要物理量分别是电流、电压和电动势。

电流指单位时间内通过导体横截面的电荷量。电流分直流（电流的方向不随时间的变化）和交流（电流的大小和方向随时间变化）两种。电流单位是安培，简称“安”，符号“A”。　电流是一个有方向的物理量，仅以正电荷移动的方向为电流的真实方向。

电压是在静电场中衡量单位电荷由于电势不同所产生的能量差的物理量。电压单位是伏特，简称伏，用符号V表示。

电动势(E)是电源中非静电力对电荷作功的能力，表示电源特征的一个物理量。

电路中的基本元件分别是电阻、电容和电感。

电阻（Resistance）简写R，它与导体的尺寸、材料、温度有关，它是导体的一种基本性质。将电能变为热能是电阻的主要物理特征，因为电阻在电流经过时产生内能，它也是一个耗能元件。电阻通常在电路中起分压、分流的作用，一般交流与直流信号都可以通过电阻。通常电阻分为固定电阻、可变电阻和特种电阻。

电容也称电容器，记为C，国际单位是法拉(F),是表征电容器容纳电荷本领的物理量，指在给定电位差下的电荷储藏量。电容器的电容指的是电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量。

电感是电子电路中常用的元器件之一，对交流信号进行隔离、滤波，也可以和电容器、电阻器等组成谐振电路。电感是用漆包线、纱包线或塑皮线等绝缘导线在绝缘骨架或铁心上绕制成的一组串联的同轴线匝，用字母“L”表示。

2.1.3半导体器件

半导体是一种具有特殊性质的物质，它介于导体和绝缘体之间，所以称为半导体，硅和锗是组成半导体最重要的两种元素。美国硅谷就是因为那里早期有很多家半导体厂商而得名。

半导体器件有二极管、三极管和可控硅三种类型。

二极管是最早的半导体器件，其最明显的特点就是单向导电特性，也就是说电流只能从一边过去，却不能从另一边过来即只能从正极流向负极。二级管的类型较多，用于稳压的稳压二级管，用于调谐的变容二极管，用于数字电路的开关二极管和光电二极管在电子制作中最为常用，尤其以发光二极管最为常见。发光二极管可以作为电路工作状态的指示，它耗电低、寿命长。发光二极管是种电流型器件，在实际使用中一定要串接限流电阻，工作电流一般为1mA到30mA，另外发光二极管的导通电压一般为1.7v以上。用肉眼观察发光二极管，可以发现一大一小的两个电极，电极较小，个头较矮的是正极，电子较大的是负极，新的发光管，管脚较长的是正极。

三极管是电子电路中重要的器件，它具有三个电极，三极管与二极管只有一个PN结构成不同，三极管由两个PN结构成，共用的一个电极是基极（b）,还有两个电极是集电极（c）和发射极（e）。三极管的有两种电路符号，发射极的电极有一个箭头（箭头所指的方向就是电流的方向），NPN型三极管箭头朝外，PNP型箭头朝内。三极管的种类很多，不同型号有不同用途，电子制作中常用三极管是低频小功率硅管9013（NPN）、9012（PNP），低噪声管9014（NPN），高频小功率管9018（NPN）等90XX系列。三极管最基本的作用是在遵循能量守恒的基础上，把微弱的电信号转成一定强度的信号，即把电源能量转换成为信号能量，这就是三极管的放大作用。三极管也可以作为电子开关，与其它元件构成振荡器。

可控硅（晶闸管）由PNP四层半导体构成，有阳极A，阴极K和控制级G三个电极，它能够实现交流电的无触点控制，用小电流去控件大电流，并且动作快、可靠性好、寿命长，具有调速、调光、调压和调温功能。可控硅分为单向和双向，其中单向的MCR-100,双向的TLC336在电子制作中比较常用。

2.1.4电路板、集成电路和单片机

1．电路板

电路板目前多指印制电路板即PCB（Printed CIRCUIT Board）， 它是焊装了集成芯片、电阻、电容、晶体管等元器件的基板，是安装电子元器件的载体，在每种电子设备中都能看到。

印制电路板由基板和印制电路组成，充当导线和绝缘底板的作用。基板是不装载元器件的印制电路板，它是元器件的支撑体，通过焊接把元器件连接起来，还利于板上元器件的散热。

印制电路板的种类很多，最常见的是按结构分类可分为单面印制板、双面印制板结、多层印制板和软性印制板。

低档电子产品多数使用传统的单面印制电路板，这种电路板在绝缘基板上只有一面有印制导线。

双面印制板正反两面都的导电图形，两面都有导线，焊孔经过金属化处理实现两面导线的电气连接，一般的电子产品采用的都是双面印制电路板。

多层印制板由三层或三层以上导电图形构成，将导体图形之间由绝缘层隔开，各导电图形之间通过金属化孔实现电连接。这种电路板与集成电路配合，使电子产品的精度提到提升，信号传输距离缩短，故障率降低，减少了信号的干扰，可靠性得到提高。

软性印制板又称柔性印制板或挠性印制板，采用软性基材制成。该电路板最大特点是体积小、重量轻、可以折叠、卷缩和弯曲。软性基材还可与钢性基材互连，用以替代接插件，保证可靠性，由于它的这些特点，软性印制板成为各种印制板中发展速度最快的一种。目前电子计算机、自动化仪表及通信等领域都在广泛的引用软件印制板。

2．集成电路

集成电路也叫芯片，是一种将晶体管、电阻、电容等元件采用特殊工艺集成在硅基片上形成具有一定功能的器件。单独的集成电路需要加接相应的外围元件同时提供电源才能工作，否则就不能工作。

根据功能用途不同，集成电路可以分为模拟集成电路和数字集成电路。

根据内部的集成度又可分为超大规模集成电路(VLSI)、大规模集成电路(LSI)、中规模集成电路(MSI)和小规模集成电路(SSI)。

根据有源器件类型不同，集成电路可分为单极型、双极型和混合型（单极双极）三种。单极型内部采用MOS场效应管，双极型采用二极管和三极管，混合型是单极型和双极型的混合体艺，因而兼有两者的优点。

3．单片机

单片机（Microcontrollers）也叫微控制器，是一种集成电路芯片。把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、输入输出I/O接口、中断控制系统、定时/计数器和通信等多种功能部件利用超大规模集成电路技术集成到一块硅片上，构成一个体积小但功能完善的微型计算机系统。简单定义，一个将微型计算机系统制作到里面的集成电路芯片称为单片机。

单片机的特点主要体现在体积小、重量轻；结构简单、可靠性高；工作电压低、功耗低；价格低廉、性价比高等方面，所以广泛应用。

单片机是计算机发展的一个重要分支，我们可以从不同角度根据不同情况对单片机进行分类。

按用途可将单片机分为通用型单片机和专用型单片机。通用型单片机具有良好的通用性，适合各种应用场合，使用时只需变更外围电路和应用程序，我们通常使用的都是通用型单片机。专用型单片机是为某种特殊应用设计的单片机，例如数字电视的机顶盒采用专用单片机。

按数据处理位数可将单片机分为主8位、16位和32位单片机。当然单片机的位数越高，意味着单次处理的数据量就越大，性能也就越好，价格也相对会越高。

由于单片机只是一个高度集成的芯片，必须为其提供一定的软硬件运行条件，才能让它在一个应用系统中能够工作。从硬件角度考虑，单片机通电后能进入工作状态需要具备必要的电路设计，一般包括时钟电路和复位电路两种电路，被称之为单片机最小系统。在实际应 用中，可以参照各自的芯片说明手册进行设计。单片机和普通计算机一样在没有安装任何软件时是不起任何作用的，只有将编写好的程序代码安装到单机中才能实现具体的功能，这是是所谓的软件条件。我们把为单片机安装程序的过程通常称为“烧写程序”或“下载程序，烧写到单片机的程序称为“下位机程序”或“闪存镜像”。

总之，电路板就是一块绿色的板子，是把各种芯片（集成电路）配合工作搭起来的集合，一个电子产品假如没有电路板，就如一个人没有了骨头和躯体。集成电路是把各种电路单元集中到一起实现某种必须的功能，它像是人的五脏六腑，不可或缺。单片机可以通过编程来实现各种需要的功能，是控制核心，控制电路板上的集成电路，指挥电路上的元件完成各项功能，单片机相当于人的心脏或大脑。

2.2 Arduino开源硬件平台

2.2.1什么是开源硬件

开源硬件类似于开源软件，就是对已有的硬件基础上进行二次创意，区别是开源软件的复制成本可能是零，但开源硬件的复制成本较高。

开源硬件是开源文化的一部分，它开始考虑对软件以外的领域开源。这个词主要是用来反映像材料清单、电路图等，使用开源软件来驱动硬件的这种自由释释详细信息的一种硬件设计。简单讲，开源硬件就是指与自由及开放原始软件机同方式设计的计算机和电子硬件。

目前比较流行且具代表意义的三款开源硬件平台如图2-1开源硬件图所示，从左到右分别是Arduino Uno、BeagleBone、Raspberry Pi。这三款开源平台的共同特点就是他们唾手可得，价格实惠，并且大小规格相近（大约2*3寸），同时都在电子产品开发中被广泛应用。

                      图2-1开源硬件图

Arduino和Raspberry Pi价格便宜，而BeagleBone的价值接近Arduino Uno的三倍，但Arduino的每秒周转速率比另外两款慢大约40倍，RAM也是其他两款的1/128000。从中可以发现，Arduino和Raspberry Pi价格较低，而Rasphberry Pi与BeagleBone功能较强。

然而Raspberry Pi和BeagleBone都是基于linux系统，这个系统可以让它们在小型电脑上支持使用多语言编程，运行多个程序。但Arduino的设计非常简单，它一次只能运行一个程序，而且只支持低阶的C++语言编程。基于Arduino平台拥有良好的扩展性，便于与各种设备交互。对于初学者来说，在进行一些小型项目开发时，它是绝佳的选择，本书都采用Arduino开源硬件平台。

2.2.2 Arduino基本知识

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，是物联网技术的一种基础应用，其包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE)，由一个欧洲开发团队于2005年冬季开发，本书的硬件设备采用ESP 8266芯片，利用Arduino IDE软件开发环境完成相应实验项目。完成Arduino开发实验的主要硬件设备包括ESP 8266芯片（图2-2）、面包板（图2-3）、各类传感器、连接线、各种电阻及开关、发光二极管等，它们的功能和使用方法将在后面的实践项目中具体介绍。

图2-2 ESP 8266芯片

图2-3面包板

Arduino的硬件部分是一个做电路连接的电路板，软件部分是计算机中的程序开发环境，我们首先需要连接好硬件部分的线路，然后在Arduino IDE中编写程序代码，再将程序上传到Arduino电路板，程序便会告诉Arduino电路板要做些什么，最后通过观察硬件的状态来判断实验是否成功。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达或其它装置来反馈、影响环境，实现物联网的各种应用。