从程序员的角度,来拆解物联网系统中的开发工作

物联网系统

• 设备端的开发

  • 不需要网关的设备

  • 需要网关的设备

  • WiFi类设备
    

• 物联网平台开发

• 业务应用开发

物联网的概念已经被炒了好多年了，奇怪的是：市场中对这个概念的反应总是不愠不火。

随着5G 的迅速普及，不知道是否能够再次把这个领域带火起来。

但是不管怎样，很多大学已经把物联网这个专业给坐实了。

前几天，一位大一的小伙伴私信我：进入物联网专业已经快一年时间了，却不知道以后出去干什么？

这篇文章，我们就从开发者的角度，来简单看一下物联网这个领域使用了哪些技术栈、有哪些开发工作。

物联网系统

这张图从开发者的角度，展示了一个物联网系统中的各种角色，包括它们之间的通信。

如果从软件开发岗位的角度来对这几个模块进行划分的话，这个系统中主要包括：

1. 前端、后端开发：负责物联网平台和业务应用的开发;

2. 嵌入式软件：主要是设备端的开发，这部分根据使用的不同技术(或者说硬件模块)，又可以分为很多不同的子领域;

3. 移动端开发：Android APP, iOS APP, H5 小程序，还有目前的鸿蒙系统APP。

设备端的开发

这里描述的设备，还是属于比较狭隘的范畴，仅仅包含了具有通信功能的物理硬件实体。

如果从广义的物联网来看，任何物品，只要能够接入网络，都可以称之为设备，或者称之为 thing。

比如：把一件衣服附上一个电子标签，也是物联网的一个小分子。

我们这里，仍旧以传统意义上的设备来讲解，比如：智慧路灯，智能手表，智能家居里的门磁、报警器等等。

对设备端的开发进行分类的话，从通信方式这个角度来进行划分比较清晰。

一个设备要想接入到网络，肯定需要通信功能，包括：有线通信，无线通信。

在一些传统行业，或者对通信质量要求比较高的场景下，部署有线网络还是比较常见的，例如一些工业场景中。

对于一些民用领域，大部分还是以无线通信为主。

1. 不需要网关的设备

这一类设备，利用 2G/3G/4G 基站来进行数据的传输，产品的形态是：

也就是 单片机+通信模块的方式。

通信模块包括：GPRS 模块、4G 模块、NB-IoT 等等。

在开发这一类产品的时候，单片机负责产品的功能部分；通信模块负责通信部分。

单片机与通信模块之间，在硬件上通过 UART 口通信居多，在协议上可以通过 AT 指令，或者其他的一些专有协议。

近几年，在传统的消费类电子产品上，添加一个通信模块，让产品达到连网的功能，还是比较流行的。

这一类的产品的软件开发工作，与一般的单片机开发并无两样。无非是增加了一些通过网络来上报数据，或者从网络接收控制指令。

只要熟悉所使用的通信协议即可。

上面的这种产品形态，需要对硬件进行重新设计，比较适合从零开始的产品开发。

那么对于那些已有的产品，如果想连接到物联网平台上，但是又不想重新设计，又该怎么办呢？

有需求就有供给！

比如：一些扫地机、吸尘器的厂商，由于找不到其他可以创新、突破的点，于是就开始内卷，纷纷加上连网的功能。

他们直接在产品中，添加一个 ESP8266 或者 ESP32 模组，就立刻升级成一个智能产品，多么高大上。当然了， 价格也同样高大上起来了！

ESP8266 或者 ESP32 与一般的通信模组有一点不一样：它是一个完整的单片机，只不过它们的主要用途就是专门用来解决通信问题，而不是一般的功能控制。

2. 需要网关的设备

如果提到智能家居，可能大部分的人会想到一个词语 ZigBee，这是一个局域网的无线通信协议，大概在 2005 年左右就开始在智能家居中崭露头角了。

与 ZigBee 类似的无线通信协议还有：ZWave、RF433、BLE 等等。

它们的作用都是类似的：都是为了让多个设备能够组网，节点之间以多跳的方式传输数据，达到通信的目的。

这些数据最终会汇总到一个叫做网关的设备，然后与云端的服务器进行通信。

这一类产品的开发，包括：网关开发 和 设备开发这两种。

网关的开发稍微复杂一些。从功能上来说，网关需要实现：

1. 设备的管理(与物联网平台的设备管理不是一个概念);

2. 规则引擎(在断网的状态下实现场景联动等功能);

3. 通信协议转换(把物理网平台的通信协议转成设备私有协议);

有些网关中，还会集成不同的无线通信协议模块，比如：把 ZigBee、BLE、红外等功能，集成在一个网关中，这样的话，不同通信方式的设备就可以在一个系统中共存了。

此时，网关就要做更多的工作：

1. 上行链路(连接到云平台)：需要做到协议的统一，也就是说云平台才不关系下面到底是什么样的无线通信技术，云平台只会以统一的数据格式来表示每个设备;

2. 下行链路(连接到设备)：协议转换，把云平台发来的统一的数据格式，转换成不同的无线通信协议特有的数据格式;

设备的开发工作就相对纯粹一点了，它只需要处理某一种无线协议即可。

这一类设备的开发，一般都是使用相应的通信模组，底层的协议栈都是提供好的。

开发者需要做的工作主要就是熟悉应用层的通信协议，完成指令的解析和数据上报工作。

3. WiFi 类设备

这一类产品最常见的就是各种品牌的网络摄像头(IPCamera)，比如：小米、360、萤石等等。

摄像头如果作为一个单品来使用，只要把家中的 WiFi SSID 和 密码配置到摄像头中，就可以使用官方的 APP 来远程查看实时画面了。

如果把摄像头集成在一个智能家居的系统中，就需要二次开发。

摄像头厂家一般都会提供 SDK，作为开发者需要做的事情就是：调用 SDK 中的 API 函数，获取实时画面、发送指令控制摄像头云台转动。

这里有一个底层的技术很有意思：P2P 网络穿透。

我们买来一个网络摄像机，是不可能有一个独立的 IP 地址的。也就是说：其他设备(手机)是没办法通过 IP:PORT 的编程方式，直接连接到摄像头的。

但是为了实时画面的传输质量，为了减轻服务器的转发压力，手机最好可以直接与摄像头建立 TCP 通信。

此时，P2P 网络穿透给这种需求提供了可能。

在早期的时候，深圳有大批的摄像头厂商使用的都是 TUTK 这家公司的 P2P 网络穿透服务。

在 P2P Master(就是一台服务器)的协助下，实现移动端与摄像头之间的网络穿透，直接建立 TCP 连接。

物联网平台开发

物联网平台，作为连接业务应用和设备的中间层，屏蔽了各种复杂的设备接口，实现设备的快速接入。

目前，做的比较大的就是那么几家巨头：亚马逊的 AWS 平台，阿里云、腾讯、华为的物联网平台。

以上这几家的物联网平台，仅仅是他们的云平台中的一个组成部分。

它们的目标就是提供一个通用的通信标准和 SDK，快速的接入各种硬件设备，通过设备接入数量、通信数据的流量，以及提供各种业务层的服务来赚钱。

另外，还有一些下一梯队的公司，开发了自己的、专门针对物联网领域的平台。由于知名度不高，只能以合作开发项目的形式来吸引硬件设备的接入。

从开发的角度来看，物联网平台的开发技术栈主要是后台开发。由于这部分技术栈我不太熟悉，就不去深入讨论了。

物联网平台最宝贵的就是数据，如何利用这些数据，这就是业务应用的事情了。

业务应用开发

所谓的业务应用，简单来说，就是通过调用物联网平台提供的 API，实现设备管理、数据上报、命令下发等业务场景。

设备管理是在设备接入基础上，提供了更丰富完备的设备管理能力，简化海量设备管理复杂性，提升管理效率。

从物联网平台的设备和数据中，可以衍生出各种不同的业务应用场景，这就要根据实际的系统功能来进行按需开发了。

比如：智慧城市、智慧照明、智慧工业、车联网等行业应用。

涉及到的技术栈是：前端和后端开发。