物联网开发

物联网系统中的开发工作有哪些

  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

物联网开发


  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:


  前端、后端开发:负责物联网平台和业务应用的开发;


  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;


  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

物联网开发


  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。


电子标签


  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:


单片机


  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。


电路板


  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


物联网设备


  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。


网关设备


  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:


  设备的管理(与物联网平台的设备管理不是一个概念);


  规则引擎(在断网的状态下实现场景联动等功能);


  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。


网关设备


  此时,网关就要做更多的工作:


  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;


  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


WIFI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。


p2p Master


  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。


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