Python入门实战：Python的物联网应用_python 物联网

1.背景介绍

物联网（Internet of Things, IoT）是由互联网的基础上发展而来的一个新的产业领域。它已经成为当今最热门的行业之一，其应用场景遍及全球各地，涉及智能设备、机器人、机器人助手等众多领域。

作为一个技术人员，面对大量的新鲜事物，如何快速掌握该领域的最新技术和知识，成为了必修课。基于这个目的，本文将介绍Python在物联网领域的应用。

首先介绍一下Python的特点：

• Python是一个高级编程语言；
• Python具有简洁的语法和清晰的结构；
• Python支持动态类型，可以适应不同的数据需求；
• Python具备丰富的第三方库；
• Python支持面向对象编程。

因此，Python在物联网领域的应用格外重要。如今物联网已逐渐成为行业热点，基于Python开发物联网相关应用也越来越火爆。但是由于Python的学习曲线较陡峭，因此本文会从以下几个方面介绍Python在物联网领域的应用。

2.核心概念与联系

什么是物联网

“物联网”（英语：Internet of Things，缩写为IoT）是一个术语，用于描述由各种智能设备通过互联网连接、交换数据、共享信息的网络。简单来说，物联网就是把各种传感器、数码设备、机器人、工业控制器、以及其他硬件设备连接到互联网上，并且利用计算机网络进行数据的处理、分析、传输。

物联网的主要特征如下：

1. 数据采集：物联网通常使用传感器、无线通讯、红外光探测、GPS等方式对周围环境中的数据进行采集。

2. 数据处理：物联网中的设备产生海量数据，需要通过云计算平台进行数据处理和分析。

3. 数据传输：物联网中的数据经过采集、处理后，最终会被发送至云端存储或展示给用户。

4. 业务应用：物联网可以为企业提供更加智能化、精准化的决策支持。例如，监控空间或医疗设备中可能存在的问题，就可以通过物联网实现远程诊断并进行治疗。

5. 用户连接：物联网中的设备可以通过互联网或者蓝牙的方式进行通信，因此用户可以通过移动终端、手机APP、电脑桌面来控制物联网设备。

什么是Python

Python 是一种高级编程语言，它的设计具有动态性、解释型、跨平台的特点。它支持多种编程范式，包括面向对象的编程、命令式编程、函数式编程等。Python 的运行速度非常快，适合用于科学计算、Web开发、图像处理、游戏开发等领域。

Python 能做些什么

由于 Python 在数据处理、机器学习、深度学习等领域都有着广泛的应用，因此它非常适合用来做物联网相关的工作。Python 在物联网领域的应用可以分为三个方面：

1. 数据采集：Python 可以用于对物联网设备的数据进行采集、存储和处理。比如，用 Python 从 Wi-Fi 模块收集数据、用 BLE 技术获取传感器的数据。

2. 数据传输：Python 可以用于对采集到的数据进行实时传输，并与云服务建立连接。比如，用 MQTT 消息协议传输数据、用 HTTP 请求获取数据。

3. 业务应用：Python 可以用于实现物联网设备的业务逻辑，让物联网设备可以进行自动化控制、远程监控、数据分析等功能。比如，用 Python 开发智能投影仪、用 Python 开发智能眼镜。

除此之外，Python 还有很多优秀的应用，这些应用正在不断地扩展自己的边界。

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解

Python 在物联网领域的应用主要集中于数据采集、数据传输、业务应用三大领域。下面介绍下 Python 应用在这三个领域的一些典型例子。

数据采集

使用 Python 读取 Wi-Fi 数据

本例通过 Python 代码获取 Wi-Fi 信号强度。首先，安装 Python 的 socket 和 struct 标准库。然后编写代码：

import socket
import struct

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
s.bind(('localhost', 8889)) # 指定端口号
while True:
    data, addr = s.recvfrom(1024)
    rssi = struct.unpack('<b',data[len('RSSI:'):])[0] # 获取 RSSI 值
    print("Received:",rssi,"dBm from",addr)
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这里创建了一个 UDP 套接字，监听本地的 8889 端口，等待接收 Wi-Fi 模块发出的 RSSI 值数据包。收到数据后，解析出 RSSI 值并打印出来。

用 Python 读取 BLE 数据

本例通过 Python 代码读取智能手机的定位数据。首先，需要确认手机开启了定位功能。然后安装 Python 的 bluepy 第三方库。编写代码：

import bluetooth
import sys

address = "F7:CA:E6:C1:D4:B9" # 目标蓝牙地址

try:
    sock=bluetooth.BluetoothSocket(bluetooth.RFCOMM)
    sock.connect((address, 1))

    while True:
        data = sock.recv(1024).decode()
        if len(data)>0:
            items = data.split(',')
            lat = float(items[0]) # 获取纬度
            lng = float(items[1]) # 获取经度
            altitude = int(items[2]) # 获取高度
            print("Latitude:",lat,"Longitude:",lng,"Altitude:",altitude,"m")

except bluetooth.btcommon.BluetoothError as err:
    print("Failed to connect device,",err)
finally:
    try:
        sock.close()
    except NameError:
        pass
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这里创建了一个 RFCOMM 协议的蓝牙 Socket 连接到目标设备，并循环等待接收定位数据。收到数据后，解析出纬度、经度、高度，并打印出来。

数据传输

用 Python 发送 MQTT 消息

本例通过 Python 代码发送 MQTT 消息到 ThingSpeak 云服务。首先，注册 ThingSpeak 账号，创建一个 ThingSpeak Channel。然后安装 Python 的 paho-mqtt 第三方库。编写代码：

import paho.mqtt.client as mqtt
import time

broker_address="mqtt.thingspeak.com"
port=1883
topic="channels/1417/publish/"
message="field1=%d&field2=%d"%(time.time(),int(random.randint(0,10)*10))

def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    if rc==0:
        client.connected_flag=True
        print("Connected with result code "+str(rc))
    else:
        print("Bad connection returned code=",rc)


def on_disconnect(client,userdata,rc):
    client.connected_flag=False
    print("Disconnected with result code "+str(rc))


client=mqtt.Client()
client.on_connect=on_connect
client.on_disconnect=on_disconnect

client.username_pw_set("your_user_name","your_password")
client.connect(broker_address,port)
client.loop_start()

while not client.connected_flag:
    print("Connecting...")
    time.sleep(1)

print("Publishing message:",message)
result=client.publish(topic,message)
print("Publish Result:",result)
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这里创建了一个 MQTT Client，连接到 ThingSpeak 服务的 MQTT Broker 上，并订阅相关主题。每隔几秒钟，发布一条随机数和当前时间戳的消息到 ThingSpeak 中。

用 Python 发送 HTTP 请求

本例通过 Python 代码发送 HTTP GET 请求到 OpenWeatherMap 云服务，获取天气预报。首先，注册 OpenWeatherMap 账号，创建一个 API Key。然后安装 Python 的 requests 第三方库。编写代码：

import requests

url = 'http://api.openweathermap.org/data/2.5/weather?q={city}&appid={apikey}'
params = { 'q': 'London', 'appid': 'your_api_key' }
response = requests.get(url.format(**params)).json()
if response['cod'] == 200:
    temperature = round(float(response['main']['temp']) - 273.15, 2)
    description = response['weather'][0]['description'].title()
    windspeed = str(response['wind']['speed']) +'m/s'
    print(f"Temperature in London is {temperature}°C and it's {description}. Wind speed is {windspeed}")
else:
    print("City not found or server error.")
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这里使用 Python 的 requests 库，构造了一个 HTTP GET 请求 URL，并传递参数查询城市的气象条件。请求返回的 JSON 结果里面包含了温度、天气描述、风速等信息。

业务应用

用 Python 开发智能投影仪

本例通过 Python 代码实现一个简单的智能投影仪，能够根据当前的时间显示不同的内容。首先，安装 Python 的 PyQt5 第三方库。编写代码：

import random
import datetime
from PyQt5 import QtCore, QtGui, QtWidgets

class Ui_Form(object):

    def setupUi(self, Form):
        Form.setObjectName("Form")
        Form.resize(400, 300)

        self.label = QtWidgets.QLabel(Form)
        self.label.setGeometry(QtCore.QRect(10, 10, 381, 201))
        font = QtGui.QFont()
        font.setBold(True)
        font.setWeight(75)
        self.label.setFont(font)
        self.label.setText("")
        self.label.setObjectName("label")

        self.retranslateUi(Form)
        QtCore.QMetaObject.connectSlotsByName(Form)

    def retranslateUi(self, Form):
        _translate = QtCore.QCoreApplication.translate
        Form.setWindowTitle(_translate("Form", "Smart Projection"))

class SmartProjection(QtWidgets.QWidget):

    def __init__(self, parent=None):
        super().__init__(parent)
        self._ui = Ui_Form()
        self._ui.setupUi(self)
        self.showTime()

    @QtCore.pyqtSlot()
    def showTime(self):
        now = datetime.datetime.now().strftime('%H:%M')
        projectorContent = ""
        if (now >= "06:00" and now < "12:00"):
            projectorContent += "Good morning! The weather outside looks very nice today."
        elif (now >= "12:00" and now < "18:00"):
            projectorContent += "Good afternoon! Enjoy the beautiful weather you have."
        else:
            projectorContent += "Good evening! Have a great day for sleep!"

        contentToDisplay = f"<h1>{projectorContent}</h1><p>The current date and time is: {datetime.datetime.now().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')}</p>"
        self._ui.label.setText(contentToDisplay)
        QtCore.QTimer.singleShot(1000 * 60 * 1, self.showTime)

app = QtWidgets.QApplication([])
window = SmartProjection()
window.show()
app.exec_()
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这里定义了一个 SmartProjection 类，继承自 QWidget，重写了 setupUI 方法，在 init 方法里调用 showTime 方法。showTime 方法在定时器内每隔一分钟更新一次标签文本，并根据当前的时间生成不同的项目内容。

用 Python 开发智能眼镜

本例通过 Python 代码实现一个智能眼镜，能够识别人脸并随之改变摄像头角度。首先，安装 Python 的 OpenCV 和 face_recognition 第三方库。编写代码：

import cv2
import numpy as np
import face_recognition
import threading

cap = cv2.VideoCapture(0)
cap.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH, 640)
cap.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT, 480)

known_face_encodings = []
known_face_names = []

# Load known faces
with open('./faces.txt','r') as file:
    lines = file.readlines()
    for line in lines:
        encoding = line[:line.index(',')]
        name = line[line.index(',')+1:-1].strip('\n').strip('\t')
        known_face_encodings.append(np.array(list(map(lambda x: float(x),encoding.split()))))
        known_face_names.append(name) 

def recognize():
    global cap
    while True:
        ret, frame = cap.read()
        rgb_frame = frame[:, :, ::-1]
        face_locations = face_recognition.face_locations(rgb_frame)
        face_encodings = face_recognition.face_encodings(rgb_frame, face_locations)
        for i in range(len(face_encodings)):
            matches = face_recognition.compare_faces(known_face_encodings, face_encodings[i], tolerance=0.6)
            name = "Unknown"
            if True in matches:
                matchedIdxs = [j for j, b in enumerate(matches) if b]
                counts = {}
                for matchIdx in matchedIdxs:
                    name = known_face_names[matchIdx]
                    counts[name] = counts.get(name, 0) + 1

                name = max(counts, key=counts.get)

            top, right, bottom, left = face_locations[i]
            cv2.rectangle(frame, (left, top), (right, bottom),(0, 0, 255), 2)

            cv2.putText(frame, name,(left,top-10), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.75,(0, 255, 0), 2)

        cv2.imshow('Face Recognition', frame)
        if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
            break

thread = threading.Thread(target=recognize)
thread.start()
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这里定义了一个 recognize 函数，在线程内循环读取摄像头画面，识别人脸位置、编码，并判断是否匹配已知的人脸。如果匹配，则标出并显示名字。每隔一段时间更新一次 known_face_encodings、known_face_names 文件。