物联网主要的开发架构.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除物联网主要的开发架构随 JavaScript 语言的流行，及物联网领域的崛起，我们能看到它们结合的可能性，同时也发现它特别适合于物联网开发。因此，在这篇文章里，笔者将主要从以下三个方面进行介绍：1. 典型的物联网架构，及多种语言带来的问题；2. 只使用 JavaScript 语言的物联网架构；3. 详解基于 JavaScript 语言的物联网不同层级结构。那么，先让我们看看典型的物联网架构是怎样的吧。1、典型的物联网架构我们甚至还可以认为，物联网只是对互联网的扩展。与传统的 C/S 架构相比，它多了一个“数据采集层”，我们称之为传感器层、硬件层等。数据的产出不再只是用户，还来自于各式各样的联网设备。物联网不再局限于使用 HTTP 协议来传输数据，它还会使用 CoAP（受限制的应用协议）、MQTT（消息队列遥测传输）协议。2、物联网的四个层级当前的物联网应用，所要做的就是控制和数据处理。指令，由用户到终端一层一层往下下达，直到硬件端由设备去执行。而数据，便是一层一层往上上报，直至被可视化。因此，与互联网的架构相比（如图 1、图 2 所示），起点与终点不一样了：指令的终点与数据的起点，变成了硬件层，而非最后的用户层。图 1 互联网架构图 2 典型的物联网架构数据由客户端 A 发送到服务端，客户端 B 再从服务端获取 A 的数据，如此便算是完成了一个回路。而物联网架构则稍微麻烦了一些，多了一个层级，便多了一个步骤。硬件层上的微控制器通过直连的方式，采集各式各样的数据，比如温度、湿度等。而受限于微控制器的成本、环境条件等因素，它可能无法直接连接到互联网。因此，需要连接到一些额外的联网设备才能实现。而这些联网设备，会负责处理来自各个硬件设备的数据，并将其上传至服务器。同时，它会提供一个无线（如蓝牙、红外、ZigBee）接口作为数据的入口。因此，这一层级需要有更好的数据处理能力，并且它应该要可以快速开发。因为这些设备主要做的是协调工作，我们习惯于将其称为“协调层”。3、使用多种语言的物联网多年以前，笔者曾做过一个并不复杂的物联网系统：1. 使用 Python 里的 Django 作为 Web 服务框架，Django REST Framework 创建 RESTful API；2. 为了使用手机作为控制器，还用 Java 写一个 Android 应用；3. 使用 Raspberry Pi 作为硬件端的协调层，用于连接网络，并传输控制信号给硬件；4. 在硬件端使用 Arduino 作为控制器，写起代码特别简单；5. 还使用了 ZigBee 模块 XBee 及 I2C 作为连接不同 Arduino 模块的介质；6. 最后，还需在网页上做一个图表来显示实时数据。为此，我们需要使用 Python、Java、javascript、C、Arduino 五种语言。而如果我们要写相应的 iOS 应用，还要用到 Objective-C。对于其他物联网项目来说，也多是如此，这简直是一场灾难。在做这样的物联网项目之前，我们需要找到六个不同类型的工程师：一个硬件工程师设计电路图，一个懂硬件的嵌入式工程师，一个写服务端应用的工程师，一个写 Web 前端的工程师，以及对应的 Android 和 ios 工程师。且不考虑系统本身的协作，要找到这么多的工程师就不是一件容易的事。而如果我们可以只使用一种语言，将大大地改善开发效率、开发人员的难题。4、JavaScript 语言下的物联网架构JavaScript 语言在最近几年里特别流行，它流行起来有很多个原因，如：1. 使用 WebView 开发 UI 效率更高，也因此使得 WebView 随处可见；2. 基于事件驱动的编程模型；3. JavaScript 容易上手（这是优点，也是缺点）；4. 也因此，React、Unity 等框架提供了更多的可能性，可以让开发者用 JavaScript 开发游戏、VR 应用等等。那么，只使用 JavaScript，我们可以设计出怎样的物联网系统呢？5、基于纯 JavaScript 的物联网架构如上所述，几年前要想寻找一门能完成一个包含客户端、服务端的系统的语言可谓相当地困难。而随着客户端（浏览器、移动设备）性能的提升、Node.js 的出现，这样的语言就浮现了出来，即 JavaScript。它不仅可以让我们只用一门语言来降低开发成本，还能实现快速地开发出这样的一个系统。那么，剩下的问题就是，在不同的层级，如何选用合适的框架来实现快速开发。如图 3 所示，我们可以看到不同层级的可选用 JavaScript 方案。在此之中，有些纯粹只是为了证明 JavaScript 是可行的；有一些则可以在开发效率与运行速率上达到最好的平衡。选用这些方案，可以让我们实现更快速的 JavaScript 物联网应用开发。图 3 基于纯 JavaScript 的物联网参考架构6、服务层对于服务层来说，自主开发的物联网服务端，主要采用的是基于 node.js 的方案。然而，我们发现有越来越多的应用，在使用 Serverless 的架构，不仅可以快速推出一个可用的原型，未来也能够轻松地基于这个原型来添加业务功能。图 4 物联网服务层图 4 便是我们看到的物联网服务层的三种方案：1. 自主开发：即遵循传统的服务端开发模式，定义自己所需要的功能；2. 使用云服务：直接使用成熟的物联网云服务，它们在云端集成了各种所需要的功能；3. Serverless：Server 可以看作是在云服务之上的自主开发，集两者之便利。每一种方案都有各自的特点，也适合于不同开发能力的项目。但如果要实现快速的开发，那么理想的方式便是采用 Serverless 架构模式。7自主开发出于不同的原因，诸如保密、安全、可扩展、核心技术等原因，一定规模的公司会采用自主开发的方式。这种开发方式与 Web 应用开发方式并没有太大区别，都是在数据进行 CRUD 操作。并且和前后端分离架构一样，使用 API 作为接口，同时再加上支持不同的传输协议，如 MQTT、CoAP 等。图 5 Lan 物联网架构如笔者之前在 GitHub 上开源的 Lan（/phodal/lan），便是一个精简的物联网服务端示例。基于 Node.js 与 MongoDB，其架构如图 5 所示。1. 采用传统的关系型数据库来存储用户信息；2. 采用 NoSQL 可以应对不同的传感器数据；3. 提供 UI 界面供管理人员管理用户；4. 在协议上提供 HTTP、CoAP、MQTT、WebSocket 等的支持，方便不同的类型适配。除此，物联网系统在存储上，采用 NoSQL 作为存储介质会有更大的优势。一般来说，物联网系统的数据都是写入远远多于读取的场景。与此同时，由于设备的种类繁多，不可能为每一类设备创建表；或者考虑到大量设备的特性，来建立一个通用的表，但在未来这样的表可能仍不适用。因此，对于物联网数据来说，选用诸如 mongodb 这一类的 NoSQL 数据库，有这么一些优点：1. 灵活性。采用非结构化的数据模型，可以存储和处理任何结构的数据；2. 支持水平扩展。NoSQL 数据库的分布式存储架构，带来了优秀的水平扩展性；3. 实时数据分析。如 MongoDB 可以通过丰富的索引和查询支持，包括二次、地理空间和文本搜索索引，聚合框架和本地 MapReduce，可以针对传感器数据就地运行报告分析。然而，这样的系统不免存在研发周期长的问题。如果需要快速验证，那么应该考虑使用云服务来完成部分功能。8、物联网云服务对于硬件团队来说，直接使用云服务是一种更简单、快速的搭建物联网系统的方法。而使用物联网云服务，就意味着：我们可以直接上硬件层的传感器数据，并在应用层获取、分析这些数据。这一类的服务，比较成熟的有 AWS IoT Things（如图 6 所示）、Azure IoT 等。图 6 AWS IoT Things 参考架构基于 AWS IoT Things，我们只需要在云端，定义好对应的数据处理规则，便可以在硬件端直接对接服务。不过值得注意的是，单一的云服务无法提供复杂的功能，这个时候就需要一些搭配额外的服务。9、ServerlessServerless 架构（如图 7 所示）是云服务的一种，但是它在可编程与云服务之间做了一个折中。它是一种基于互联网的技术架构理念，应用逻辑并非全部在服务端实现，而是采用 FaaS（Function as a Service）架构，通过功能组合来实现应用程序逻辑。图 7 Serverless 物联网参考架构从理论上来讲，这些服务提供的是一层 API 封装，它不会限制我们所使用的语言。使用 Serverless 服务，我们可以具备更好的快速开发能力，并且能使用同一种语言（JavaScript）来完成编程。在这个过程中，开发者要所做的便是：在不同的服务之间传输数据，每一次都只处理下一个服务所需要的数据，类似于 Pipe and Filters 架构模式。如一个典型的物联网应用的数据传输过程中是这样的：1. 对设备进行鉴权；2. 转换、存储设备的数据；3. 广播通知其他监听此设备数据的服务；4. 后台查询数据；5. 分析数据（AI）；6. 可视化数据。只需要少量的编程，我们就可以完成服务端的开发。随后，专注于硬件层的开发，以及应用层的业务功能。10、应用层在应用层方面，已经有大量的地方使用到了 JavaScript。除了传统的桌面浏览器，还有更多的领域也可以用 JavaScript 来开发。比如移动应用，已经有基于 Cordova + WebView 的成熟方案，还有近两三年流行起来的 React Native，都可以让开发者使用 JavaScript 完成物联网移动应用的开发。又如微信小程序，可以直接用蓝牙来连接硬件设备，也是使用 JavaScript 来编程。因此，就目前的 Web 趋势来看，在应用层，JavaScript 将是快速开始的主流选择。在日常中的应用中，我们可以发现物联网的应用层，经常作为协调装置来连接硬件，并上传应用的数据。诸如共享单车、智能手环应用等，它们既通过蓝牙来获取数据，又上传数据到服务端。与此同时，有相当多的应用是运行在桌面客户端上的。故而在这一层级的应用，可谓是种类繁多。今天，开发人员在做移动端的技术选型时，都会优先考虑到跨平台能力（android、iOS）。而在这些跨平台框架里，混合应用框架 Cordova（WebView）和 react Native 是使用最为广泛的两个框架，且它们都是使用 JavaScript 作为核心开发语言。Cordova 是使用 WebView 来渲染页面的。因此与 Reavt Native 相比，使用 Cordova 的最大优势是，可以复用已有的 Web 前端应用的逻辑，并且有大量的图表工具可以直接使用这一点在物联网应用中特别重要。而在混合应用框架中，Ionic 是这个领域使用最多的 UI 框架。React Native 使用原生组件来渲染 UI 组件，不仅可以解决 Cordova 饱受诟病的性能问题；同时，它还能嵌入 WebView，解决一些复杂的图表显示问题。但是如果只能蓝牙的交互，可以考虑 PWA 或微信小程序。运行在 Chrome 浏览器上的 PWA 应用，可以直接使用 Web Devices API，如 Bluetooth、NFC、USB，即在浏览器上直接调用原生接口，并实现对设备的控制。而诸如最近一年内流行的微信小程序，则也可以访问蓝牙、GPS、罗盘、加速度计等硬件接口，同时用户不存在安装成本，打开即用。另外，诸如 Electron、NW.js 这样的框架，可以让开发者直接使用 WebView + Node.js 模块开发物联网桌面应用。它可以加速 UI 界面的开发，并轻松地美化 UI 界面。11、硬件层在硬件层上，就当前而言，Arduino 是最合适的原型开发硬件，除此还有自带 Wi-Fi 的 ESP8266 开发板。尽管使用 JavaScript 的开发板数量较少，也没有 Arduino 这样的成熟生态，但是未来可期。在嵌入式领域，使用 JavaScript 编写的代码，具有移植性强、事件驱动、天生支持异步等特点。令人遗憾的是，为了保持上面提到的那些 JavaScript 特性，当前的 JavaScript 开发板都需要处理性能比较高的处理器，这也导致了此类开发板在生产上存在较高的成本。不过，好在多数使用 JavaScript 作为开发语言的设备，都具有网络功能连接到互联网，直接作为物联网设备使用。就目前而言，这一类的设备有 Tessel、Espruino、Ruff 等等，它们的处理器性能都相当不错，价格也相对较高一些。但是，它们可以直接使用 JavaScript，能为软件开发工程师屏蔽底层相关细节，及事件驱动、异步特性，带来更好的开发体验。幸运的是，Samsung 公司推出的开源物网框架 IoT.js，只需要 64KB RAM、200 KB ROM。在未来，或许它能解决一