搞物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)設(shè)計(jì)，這些技術(shù)得懂！

不管是從商業(yè)模式導(dǎo)出的業(yè)務(wù)模型，還是從技術(shù)發(fā)展的角度看，文本都傾向于將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)架看作是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)架的延展。而與這個(gè)觀念對(duì)立的，是傳統(tǒng)嵌入式軟件開發(fā)的視角。

簡(jiǎn)單來說，目前的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)架主流是大前端與后端兩個(gè)世界：大前端包括Web的JavaScript技術(shù)、Android和iOS技術(shù)，著眼于解決用戶交互；后端包括數(shù)據(jù)庫、服務(wù)構(gòu)架、運(yùn)維等，著眼于解決存儲(chǔ)、業(yè)務(wù)邏輯、安全與效率等。當(dāng)然，現(xiàn)在前后端技術(shù)爭(zhēng)相更新，比如業(yè)務(wù)邏輯前置化、微服務(wù)構(gòu)架、JavaScript全?；刃碌慕鉀Q方案也開始模糊前后端的差異。

而物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端的引入，著實(shí)讓這些技術(shù)有點(diǎn)難以歸類，從業(yè)務(wù)性質(zhì)上物聯(lián)網(wǎng)是另外一種前端或是前端的延伸，比如共享單車應(yīng)用中，自行車端的應(yīng)用顯然是跟人交互的另一個(gè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，也在為后端源源不斷地提供著數(shù)據(jù)，但是自行車又不像網(wǎng)頁或者App完全是在解決可視化UI的事情。

而且，現(xiàn)在的設(shè)備端開發(fā)技術(shù)跟前端技術(shù)太不像了，由于目前設(shè)備端的開發(fā)技術(shù)都還偏底層，一般來說計(jì)算資源如處理能力、本地存儲(chǔ)都非常有限，反而像后端一樣要考慮資源效率。

那么，我們只好為物聯(lián)網(wǎng)單獨(dú)命名一個(gè)端，不如我們暫時(shí)就叫它設(shè)備端。

新后端核心問題在于加入了面向設(shè)備的接入服務(wù)，實(shí)際上在這里，除類似視頻對(duì)講或是安防監(jiān)控的多媒體實(shí)時(shí)通道外，這個(gè)接入服務(wù)已經(jīng)基本事實(shí)化為MQTT。

消息隊(duì)列遙感傳輸協(xié)議是在TCP/IP協(xié)議之上使用的，基于發(fā)布/訂閱的“輕量級(jí)”消息協(xié)議，目前為ISO標(biāo)準(zhǔn)（ISO/IEC PRF 20922）。它被設(shè)計(jì)用于輕量級(jí)和低帶寬的遠(yuǎn)程連接，發(fā)布/訂閱消息傳遞模式需要消息代理，消息代理負(fù)責(zé)根據(jù)消息的主題向需要的端發(fā)布消息。

如果需要連接的設(shè)備沒有超過10萬臺(tái)，使用8GB內(nèi)存的云主機(jī)跑Mosquitto就可以；如果設(shè)備量是幾十萬臺(tái)，可以考慮Mosquitto做集群負(fù)載均衡；如果設(shè)備量是大幾十萬臺(tái)乃至百萬臺(tái)以上，那你需要專業(yè)的團(tuán)隊(duì)或?qū)ｉT的投入來維護(hù)這件事情，這個(gè)細(xì)節(jié)就不在本文討論范圍了。

固件組件在線升級(jí)是必須要做的事情，MQTT傳大文件不靠譜，所以一般傳過去一個(gè)帶Token的URL，設(shè)備端去下載就好，HTTP或者HTTPS都可以。業(yè)務(wù)比較簡(jiǎn)單，設(shè)備端幾十萬以內(nèi)沒有什么特別的地方。

Mosquitto作為MQTT的引擎，需要后端按照業(yè)務(wù)邏輯去調(diào)用，這里按照業(yè)務(wù)需求寫好后端邏輯即可。在各種后端語言中調(diào)用Mosquitto都非常簡(jiǎn)單。

設(shè)備端是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域最五花八門并且正在發(fā)展中的地方。其他領(lǐng)域，后端或者前端，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)每個(gè)細(xì)節(jié)的主流技術(shù)，基本沒有碎片化的情況，但是在設(shè)備端，開發(fā)技術(shù)的碎片化是應(yīng)用發(fā)展還不到位的充分表現(xiàn)。

舉例講，選用不同的芯片，就要用不同的操作系統(tǒng)，不同的C庫封裝，各家IDE也不盡相同，編譯工具鏈更是從芯片原廠給出。開發(fā)起來呢，寄存器、內(nèi)存分配、硬件中斷都要深入進(jìn)去。這就是傳統(tǒng)嵌入式開發(fā)的現(xiàn)狀，也是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端開發(fā)的現(xiàn)狀。

到目前為止，真正生產(chǎn)環(huán)境中用到的語言就是C/C++，極個(gè)別會(huì)在設(shè)備端用到Python，基本沒有其他語言。操作系統(tǒng)超過50種，主流的也有10種以上，其中嵌入式Linux份額并不大，各種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)各具特色，各有一片天地。

簡(jiǎn)單總結(jié)一下相對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)，傳統(tǒng)嵌入式開發(fā)的方式主要有以下幾個(gè)問題：

需要考慮中斷、寄存器、內(nèi)存分配等過于底層的工作；

編譯、燒寫、觀察、借助調(diào)試設(shè)備進(jìn)行調(diào)試的開發(fā)生命周期；

不同SoC和系統(tǒng)的差異過大；

缺乏代碼復(fù)用與開源的習(xí)慣；

開發(fā)者在開發(fā)環(huán)境和固件編譯上花費(fèi)的時(shí)間過多。

所以我們看到設(shè)備端的開發(fā)是基于芯片選型完成的。當(dāng)設(shè)備端產(chǎn)品面臨一個(gè)需求時(shí)，現(xiàn)有的流程是判斷產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，從而確定一個(gè)芯片，進(jìn)而使用這個(gè)芯片的一整套開發(fā)技術(shù)。這也是早期嵌入式場(chǎng)景使用的芯片自生技術(shù)特性所決定：計(jì)算資源（CPU主頻、存儲(chǔ)）、外圍接口、使用溫度、通訊協(xié)議等核心參數(shù)的不同導(dǎo)致芯片碎片化，芯片碎片化導(dǎo)致嵌入式開發(fā)碎片化。

目前這個(gè)領(lǐng)域的大趨勢(shì)是：物聯(lián)網(wǎng)芯片有望走向趨同，物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)環(huán)境與技術(shù)有望趨同。

早期由于成本所限，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域使用的芯片總是表現(xiàn)得非常缺資源，很難找到一個(gè)各方面（計(jì)算資源、外圍接口、使用溫度、通訊協(xié)議等）都比較合適的芯片去適應(yīng)普遍的場(chǎng)景。隨著半導(dǎo)體門檻逐步降低，中國(guó)半導(dǎo)體制造業(yè)逐步成型，芯片資源開始走向富余，其中的代表芯片是MTK的MT7697、MT7688和樂鑫的ESP32。

MT7697主要參數(shù)為：ARM Cortex M4 CPU，帶浮點(diǎn)單元，最大主頻192Mhz，內(nèi)存為256KB SRAM，可配置4MB以上的存儲(chǔ)空間，芯片內(nèi)嵌WiFi和BLE 4.2，有足夠的外圍接口，并能夠適應(yīng)工業(yè)級(jí)的使用溫度。

MT7688主要參數(shù)為：MIPS 580Mhz CPU，內(nèi)存最大支持256MB，可配置16GB級(jí)別的存儲(chǔ)空間，芯片內(nèi)嵌WiFi，接口除模擬接口之外數(shù)字接口豐富，價(jià)格在幾十元人民幣，功耗較高不適于電池長(zhǎng)期使用。

但是非常有優(yōu)勢(shì)的是其提供的Linux開發(fā)環(huán)境，能夠讓開發(fā)者有一種在普通x86機(jī)器上使用linux CLI的體驗(yàn)，Node.js、MySQL、OpenCV、Nginx等等在阿里云上怎么用，在這個(gè)幾十塊的物聯(lián)網(wǎng)小模塊上也怎么用。穩(wěn)定性超強(qiáng)，幾年不死機(jī)也是正常的。

ESP32的主要參數(shù)為：Tensilica LX6 CP，主頻240 MHz，內(nèi)存為520KB SRAM，可配置4MB以上的存儲(chǔ)空間，芯片內(nèi)嵌WiFi和藍(lán)牙以及BLE，有足夠的外圍接口，并能夠適應(yīng)工業(yè)級(jí)的使用溫度。

這幾顆芯片共同的特征是計(jì)算資源和通訊能力以及接口資源相對(duì)于傳統(tǒng)MCU來說有足夠的富余，并保持在同樣的價(jià)位。因此，在這類芯片上，有足夠的資源做抽象化的封裝和開發(fā)框架實(shí)施。我們看到除了這幾顆芯片原廠提供的傳統(tǒng)嵌入式開發(fā)包之外，社區(qū)和其他廠商已經(jīng)在這幾顆芯片上加快了新開發(fā)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端開發(fā)技術(shù)目前有兩個(gè)比較大的發(fā)展方向，一是統(tǒng)一化的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，二是統(tǒng)一化的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)框架。他們共同的目的是形成“軟件定義物聯(lián)網(wǎng)”，與傳統(tǒng)從芯片選型開始的，著陸于原廠SDK中完成應(yīng)用開發(fā)，與需求和產(chǎn)品設(shè)計(jì)匯合的流程完全相反，希望從需求和產(chǎn)品設(shè)計(jì)入手，通過公開統(tǒng)一的軟件構(gòu)架完成開發(fā)，再根據(jù)開發(fā)使用到的資源去落地芯片和外圍設(shè)備。這樣做的好處主要在于提高開發(fā)效率和形成可以復(fù)用的應(yīng)用代碼。

操作系統(tǒng)

雖然市場(chǎng)上存在的設(shè)備端操作系統(tǒng)有數(shù)十種之多，但是我們看到活躍的，明顯向“軟件定義物聯(lián)網(wǎng)”方向發(fā)展的有三家：

Zephyr是Linux基金會(huì)于2016年2月發(fā)布的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，背后主要的支持力量來自于ARM和Linaro，具有目前嵌入式小型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的普遍特征，比如：輕量到KB級(jí)的最小系統(tǒng)內(nèi)存占用，支持多種芯片構(gòu)架：從ARM Cortex-M、Intel x86、ARC（DSP 內(nèi)核）、NIOS II（FPGA 軟核）到開源的RISC V等，跟Linux一樣的模塊化內(nèi)核組織方式，如圖2所示。

Zephyr目前已經(jīng)升級(jí)到V1.7版本，逐步向一個(gè)可以用到生產(chǎn)環(huán)境的系統(tǒng)靠攏了。Zephyr最大的特色并不在于其完備性而在于其開發(fā)理念完全來自于“軟件定義物聯(lián)網(wǎng)”，并且有很好的資源支持，在未來應(yīng)該會(huì)有自己的位置。

RTthread是純國(guó)產(chǎn)的小型操作系統(tǒng)，植根于中國(guó)的各種使用場(chǎng)景，10年來已經(jīng)確立了自己的地位，在很多行業(yè)有自己的一席之地，目前社區(qū)非?；钴S，核心團(tuán)隊(duì)以創(chuàng)業(yè)公司的形式推進(jìn)，非常專注。技術(shù)上的特征作為一個(gè)成熟的系統(tǒng)，沒有什么可以吐槽的地方。Zephyr有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)RTT都有，而且RTT在生產(chǎn)環(huán)境的裝機(jī)量較為可觀。

華為是全球范圍內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的根源廠商之一，LiteOS是一個(gè)華為內(nèi)部很多產(chǎn)品都在用的系統(tǒng)，目前也以開源的形式在全力推廣。LiteOS最大的優(yōu)勢(shì)在于華為很多根源技術(shù)將利用LiteOS進(jìn)行輸出，目前最大的例子就是即將全面商用的NB-IoT技術(shù)，設(shè)備端的開發(fā)包將會(huì)用LiteOS輸出。

以上幾個(gè)系統(tǒng)一致的特點(diǎn)包括小型化、芯片適應(yīng)范圍廣、通信協(xié)議適配比較廣泛等，他們也都是開源的系統(tǒng)，研發(fā)或推動(dòng)力量比較活躍。有可能在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域里的類似Linux地位的主流操作系統(tǒng)會(huì)是其中某個(gè)，也或許會(huì)一直都存在下去但是在技術(shù)上越來越趨同。

首先解釋一下開發(fā)框架，開發(fā)框架可以小到是一個(gè)細(xì)節(jié)的工具，也可以大到規(guī)定開發(fā)的全部邊界。最典型的例子是Android，純粹操作系統(tǒng)意義上，Android是Linux的一個(gè)分支，但是從App開發(fā)角度，除NDK之外，沒有任何與Linux打交道的地方，所以也把Android叫做操作系統(tǒng)。

再廣泛地看，Android除了面向手機(jī)應(yīng)用的開發(fā)框架，還準(zhǔn)備了Google play這樣的應(yīng)用分發(fā)渠道，這是開發(fā)者生態(tài)建設(shè)。同理，我們看Node.js在后端的種種開發(fā)模式，也是將所有后端資源都封裝到JavaScript里，開發(fā)時(shí)可以隨時(shí)npm install各種包來require，解決了代碼復(fù)用問題。

因此我的觀點(diǎn)是，開發(fā)框架以及背后的代碼復(fù)用和開發(fā)者生態(tài)才是真正的操作系統(tǒng)。

目前在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，正在嘗試向生產(chǎn)環(huán)境演進(jìn)的開發(fā)框架基本都基于JavaScript，而在小型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上使用的JavaScript runTIme目前也基本集中到了JerryScript上。JerryScript是三星開發(fā)和開源的一個(gè)小資源占用的引擎，內(nèi)存需要64KB，存儲(chǔ)需要200KB即可，能夠?qū)崿F(xiàn)完整的事件驅(qū)動(dòng)，符合ECMAScript 5.1。

如同前文所說，開發(fā)框架或是操作系統(tǒng)在當(dāng)下需要包括以代碼復(fù)用為目的的開發(fā)者生態(tài)，甚至需要包括應(yīng)用分發(fā)，所以我們看到在JerryScript的基礎(chǔ)上，有兩家做這類工作的團(tuán)隊(duì)值得關(guān)注：

WRTnode是一個(gè)北京的開源硬件團(tuán)隊(duì)，提供從開發(fā)到硬件交付的全流程服務(wù)。他們最近開放的node.system和noyun.io即是著眼于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)JavaScript的開發(fā)框架和開發(fā)者生態(tài)。在WRTnode的實(shí)現(xiàn)里，設(shè)備端的JavaScript開發(fā)已經(jīng)變得像cloud9.io一樣全案在線開發(fā)，為開發(fā)者屏蔽了嵌入式開發(fā)的繁瑣編譯燒寫工作。

Ruff是位于上海的創(chuàng)業(yè)公司，2015年開始一直在演進(jìn)基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端JavaScript的開發(fā)者生態(tài)，提供了較為可行的代碼復(fù)用框架。目前他們已經(jīng)開始服務(wù)商業(yè)客戶，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速實(shí)現(xiàn)提供了可能。

同時(shí)，Zephyr和華為L(zhǎng)iteOS也都有各自的JavaScript runTIme發(fā)布計(jì)劃。

以上我們看到了設(shè)備端開發(fā)的一些新的發(fā)展，目前這些新的設(shè)備端開發(fā)技術(shù)，已經(jīng)逐步面向交付轉(zhuǎn)移了。有理由相信經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展，面向效率的商業(yè)模式驅(qū)動(dòng)下的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)技術(shù)將迎來一大波更新，從而導(dǎo)向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的真正大發(fā)展。