從程序員的角度，來(lái)拆解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的開(kāi)發(fā)工作
物聯(lián)網(wǎng)的概念已經(jīng)被炒了好多年了，奇怪的是：市場(chǎng)中對(duì)這個(gè)概念的反應(yīng)總是不慍不火。
隨著5G 的迅速普及，不知道是否能夠再次把這個(gè)領(lǐng)域帶火起來(lái)。
但是不管怎樣，很多大學(xué)已經(jīng)把物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)專業(yè)給坐實(shí)了。
前幾天，一位大一的小伙伴私信我：進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)已經(jīng)快一年時(shí)間了，卻不知道以后出去干什么?
這篇文章，我們就從開(kāi)發(fā)者的角度，來(lái)簡(jiǎn)單看一下物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)領(lǐng)域使用了哪些技術(shù)棧、有哪些開(kāi)發(fā)工作。
物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)
這張圖從開(kāi)發(fā)者的角度，展示了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的各種角色，包括它們之間的通信。
如果從軟件開(kāi)發(fā)崗位的角度來(lái)對(duì)這幾個(gè)模塊進(jìn)行劃分的話，這個(gè)系統(tǒng)中主要包括：
- 前端、后端開(kāi)發(fā)：負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和業(yè)務(wù)應(yīng)用的開(kāi)發(fā);
- 嵌入式軟件：主要是設(shè)備端的開(kāi)發(fā)，這部分根據(jù)使用的不同技術(shù)(或者說(shuō)硬件模塊)，又可以分為很多不同的子領(lǐng)域;
- 移動(dòng)端開(kāi)發(fā)：Android APP, iOS APP, H5 小程序，還有目前的鴻蒙系統(tǒng)APP。
設(shè)備端的開(kāi)發(fā)
這里描述的設(shè)備，還是屬于比較狹隘的范疇，僅僅包含了具有通信功能的物理硬件實(shí)體。
如果從廣義的物聯(lián)網(wǎng)來(lái)看，任何物品，只要能夠接入網(wǎng)絡(luò)，都可以稱之為設(shè)備，或者稱之為 thing。
比如：把一件衣服附上一個(gè)電子標(biāo)簽，也是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)小分子。
我們這里，仍舊以傳統(tǒng)意義上的設(shè)備來(lái)講解，比如：智慧路燈，智能手表，智能家居里的門磁、報(bào)警器等等。
對(duì)設(shè)備端的開(kāi)發(fā)進(jìn)行分類的話，從通信方式這個(gè)角度來(lái)進(jìn)行劃分比較清晰。
一個(gè)設(shè)備要想接入到網(wǎng)絡(luò)，肯定需要通信功能，包括：有線通信，無(wú)線通信。
在一些傳統(tǒng)行業(yè)，或者對(duì)通信質(zhì)量要求比較高的場(chǎng)景下，部署有線網(wǎng)絡(luò)還是比較常見(jiàn)的，例如一些工業(yè)場(chǎng)景中。
對(duì)于一些民用領(lǐng)域，大部分還是以無(wú)線通信為主。
1. 不需要網(wǎng)關(guān)的設(shè)備
這一類設(shè)備，利用 2G/3G/4G 基站來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，產(chǎn)品的形態(tài)是：
也就是 單片機(jī)+通信模塊的方式。
通信模塊包括：GPRS 模塊、4G 模塊、NB-IoT 等等。
在開(kāi)發(fā)這一類產(chǎn)品的時(shí)候，單片機(jī)負(fù)責(zé)產(chǎn)品的功能部分;通信模塊負(fù)責(zé)通信部分。
單片機(jī)與通信模塊之間，在硬件上通過(guò) UART 口通信居多，在協(xié)議上可以通過(guò) AT 指令，或者其他的一些專有協(xié)議。
近幾年，在傳統(tǒng)的消費(fèi)類電子產(chǎn)品上，添加一個(gè)通信模塊，讓產(chǎn)品達(dá)到連網(wǎng)的功能，還是比較流行的。
這一類的產(chǎn)品的軟件開(kāi)發(fā)工作，與一般的單片機(jī)開(kāi)發(fā)并無(wú)兩樣。無(wú)非是增加了一些通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)上報(bào)數(shù)據(jù)，或者從網(wǎng)絡(luò)接收控制指令。
只要熟悉所使用的通信協(xié)議即可。
上面的這種產(chǎn)品形態(tài)，需要對(duì)硬件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，比較適合從零開(kāi)始的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。
那么對(duì)于那些已有的產(chǎn)品，如果想連接到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上，但是又不想重新設(shè)計(jì)，又該怎么辦呢?
有需求就有供給!
比如：一些掃地機(jī)、吸塵器的廠商，由于找不到其他可以創(chuàng)新、突破的點(diǎn)，于是就開(kāi)始內(nèi)卷，紛紛加上連網(wǎng)的功能。
他們直接在產(chǎn)品中，添加一個(gè) ESP8266 或者 ESP32 模組，就立刻升級(jí)成一個(gè)智能產(chǎn)品，多么高大上。當(dāng)然了， 價(jià)格也同樣高大上起來(lái)了!
ESP8266 或者 ESP32 與一般的通信模組有一點(diǎn)不一樣：它是一個(gè)完整的單片機(jī)，只不過(guò)它們的主要用途就是專門用來(lái)解決通信問(wèn)題，而不是一般的功能控制。
2. 需要網(wǎng)關(guān)的設(shè)備
如果提到智能家居，可能大部分的人會(huì)想到一個(gè)詞語(yǔ) ZigBee，這是一個(gè)局域網(wǎng)的無(wú)線通信協(xié)議，大概在 2005 年左右就開(kāi)始在智能家居中嶄露頭角了。
與 ZigBee 類似的無(wú)線通信協(xié)議還有：ZWave、RF433、BLE 等等。
它們的作用都是類似的：都是為了讓多個(gè)設(shè)備能夠組網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)之間以多跳的方式傳輸數(shù)據(jù)，達(dá)到通信的目的。
這些數(shù)據(jù)最終會(huì)匯總到一個(gè)叫做網(wǎng)關(guān)的設(shè)備，然后與云端的服務(wù)器進(jìn)行通信。
這一類產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，包括：網(wǎng)關(guān)開(kāi)發(fā) 和 設(shè)備開(kāi)發(fā)這兩種。
網(wǎng)關(guān)的開(kāi)發(fā)稍微復(fù)雜一些。從功能上來(lái)說(shuō)，網(wǎng)關(guān)需要實(shí)現(xiàn)：
- 設(shè)備的管理(與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的設(shè)備管理不是一個(gè)概念);
- 規(guī)則引擎(在斷網(wǎng)的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)等功能);
- 通信協(xié)議轉(zhuǎn)換(把物理網(wǎng)平臺(tái)的通信協(xié)議轉(zhuǎn)成設(shè)備私有協(xié)議);
有些網(wǎng)關(guān)中，還會(huì)集成不同的無(wú)線通信協(xié)議模塊，比如：把 ZigBee、BLE、紅外等功能，集成在一個(gè)網(wǎng)關(guān)中，這樣的話，不同通信方式的設(shè)備就可以在一個(gè)系統(tǒng)中共存了。
此時(shí)，網(wǎng)關(guān)就要做更多的工作：
- 上行鏈路(連接到云平臺(tái))：需要做到協(xié)議的統(tǒng)一，也就是說(shuō)云平臺(tái)才不關(guān)系下面到底是什么樣的無(wú)線通信技術(shù)，云平臺(tái)只會(huì)以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式來(lái)表示每個(gè)設(shè)備;
- 下行鏈路(連接到設(shè)備)：協(xié)議轉(zhuǎn)換，把云平臺(tái)發(fā)來(lái)的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，轉(zhuǎn)換成不同的無(wú)線通信協(xié)議特有的數(shù)據(jù)格式;
設(shè)備的開(kāi)發(fā)工作就相對(duì)純粹一點(diǎn)了，它只需要處理某一種無(wú)線協(xié)議即可。
這一類設(shè)備的開(kāi)發(fā)，一般都是使用相應(yīng)的通信模組，底層的協(xié)議棧都是提供好的。
開(kāi)發(fā)者需要做的工作主要就是熟悉應(yīng)用層的通信協(xié)議，完成指令的解析和數(shù)據(jù)上報(bào)工作。
3. WiFi 類設(shè)備
這一類產(chǎn)品最常見(jiàn)的就是各種品牌的網(wǎng)絡(luò)攝像頭(IPCamera)，比如：小米、360、螢石等等。
攝像頭如果作為一個(gè)單品來(lái)使用，只要把家中的 WiFi SSID 和 密碼配置到攝像頭中，就可以使用官方的 APP 來(lái)遠(yuǎn)程查看實(shí)時(shí)畫面了。
如果把攝像頭集成在一個(gè)智能家居的系統(tǒng)中，就需要二次開(kāi)發(fā)。
攝像頭廠家一般都會(huì)提供 SDK，作為開(kāi)發(fā)者需要做的事情就是：調(diào)用 SDK 中的 API 函數(shù)，獲取實(shí)時(shí)畫面、發(fā)送指令控制攝像頭云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。
這里有一個(gè)底層的技術(shù)很有意思：P2P 網(wǎng)絡(luò)穿透。
我們買來(lái)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，是不可能有一個(gè)獨(dú)立的 IP 地址的。也就是說(shuō)：其他設(shè)備(手機(jī))是沒(méi)辦法通過(guò) IP:PORT 的編程方式，直接連接到攝像頭的。
但是為了實(shí)時(shí)畫面的傳輸質(zhì)量，為了減輕服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)壓力，手機(jī)最好可以直接與攝像頭建立 TCP 通信。
此時(shí)，P2P 網(wǎng)絡(luò)穿透給這種需求提供了可能。
在早期的時(shí)候，深圳有大批的攝像頭廠商使用的都是 TUTK 這家公司的 P2P 網(wǎng)絡(luò)穿透服務(wù)。
在 P2P Master(就是一臺(tái)服務(wù)器)的協(xié)助下，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端與攝像頭之間的網(wǎng)絡(luò)穿透，直接建立 TCP 連接。
物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)
物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，作為連接業(yè)務(wù)應(yīng)用和設(shè)備的中間層，屏蔽了各種復(fù)雜的設(shè)備接口，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速接入。
目前，做的比較大的就是那么幾家巨頭：亞馬遜的 AWS 平臺(tái)，阿里云、騰訊、華為的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。
以上這幾家的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，僅僅是他們的云平臺(tái)中的一個(gè)組成部分。
它們的目標(biāo)就是提供一個(gè)通用的通信標(biāo)準(zhǔn)和 SDK，快速的接入各種硬件設(shè)備，通過(guò)設(shè)備接入數(shù)量、通信數(shù)據(jù)的流量，以及提供各種業(yè)務(wù)層的服務(wù)來(lái)賺錢。
另外，還有一些下一梯隊(duì)的公司，開(kāi)發(fā)了自己的、專門針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的平臺(tái)。由于知名度不高，只能以合作開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的形式來(lái)吸引硬件設(shè)備的接入。
從開(kāi)發(fā)的角度來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)技術(shù)棧主要是后臺(tái)開(kāi)發(fā)。由于這部分技術(shù)棧我不太熟悉，就不去深入討論了。
物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)最寶貴的就是數(shù)據(jù)，如何利用這些數(shù)據(jù)，這就是業(yè)務(wù)應(yīng)用的事情了。
業(yè)務(wù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)
所謂的業(yè)務(wù)應(yīng)用，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供的 API，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、數(shù)據(jù)上報(bào)、命令下發(fā)等業(yè)務(wù)場(chǎng)景。
設(shè)備管理是在設(shè)備接入基礎(chǔ)上，提供了更豐富完備的設(shè)備管理能力，簡(jiǎn)化海量設(shè)備管理復(fù)雜性，提升管理效率。
從物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的設(shè)備和數(shù)據(jù)中，可以衍生出各種不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，這就要根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)功能來(lái)進(jìn)行按需開(kāi)發(fā)了。
比如：智慧城市、智慧照明、智慧工業(yè)、車聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)應(yīng)用。
涉及到的技術(shù)棧是：前端和后端開(kāi)發(fā)。
