物联网开发

概述

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。

参考

什么是 IoT？- 物联网简介 - AWS

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：

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

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：

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。

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

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。

物联网开源项目

AliOS-Things

开源地址： https://gitee.com/alios-things-admin/AliOS-Things?_from=gitee_search

AliOS Things 发布于2017年杭州云栖大会，是 AliOS 家族旗下的、面向IoT领域的、高可伸缩的物联网操作系统，于2017年10月20号宣布在github上开源，当前最新的版本是 AliOS Things 3.3 。

AliOS Things 适配了分层架构和组件架构。包括以下部分：

BSP: 板级支持包

HAL: 硬件适配层，包括WiFi，蓝牙，I2C，SPI，UART，Flash 等

Kernel: 包括Rhino RTOS 内核，VFS，KV Storage，CLI，C++ 等

Network: 包括LwIP 轻量级TCP/IP协议栈，BLE 低功耗蓝牙协议栈，LoRaWAN 协议栈等

Security: 包括TLS(mbedTLS and cutomized iTLS)，ID2，SST(Trusted Storage)，Crypto，TEE(Trusted Execution Environment) 等

AOS API: AliOS Things 提供给应用软件和组件的API

VFS驱动框架：设备驱动提供给组件和应用的服务接口

Component: 阿里巴巴增值和常用的物联网组件，包括LinkSDK，OTA(安全差分升级)，ulog(日志服务)，uData(传感器框架)，uDisplay(图形接口)，WiFi配网等

Application: 丰富的示例代码

所有的模块都作为组件的形式存在，通过yaml进行配置，应用程序可以很方便的选择需要的组件。

LiteOS

开源地址： https://gitee.com/LiteOS/LiteOS?_from=gitee_search

Huawei LiteOS是华为面向物联网领域开发的一个基于实时内核的轻量级操作系统。本项目属于华为物联网操作系统[Huawei LiteOS]源码，现有基础内核包括不可裁剪的极小内核和可裁剪的其他模块。极小内核包含任务管理、内存管理、异常管理、系统时钟和中断管理。可裁剪模块包括信号量、互斥锁、队列管理、事件管理、软件定时器等。除了基础内核，Huawei LiteOS还提供了增强内核，包括C++支持、低功耗以及维测模块。低功耗通过支持Tickless机制、run-stop休眠唤醒，可以极大地降低系统功耗。维测部分包含了获取CPU占用率、Trace事件跟踪、Shell命令行等功能。

Huawei LiteOS同时提供端云协同能力，集成了LwM2M、CoAP、mbedtls、LwIP全套IoT互联协议栈，且在LwM2M的基础上，提供了AgentTiny模块，用户只需关注自身的应用，而不必关注LwM2M实现细节，直接使用AgentTiny封装的接口即可简单快速实现与云平台安全可靠的连接。

Huawei LiteOS自开源社区发布以来，围绕NB-IoT物联网市场从技术、生态、解决方案、商用支持等多维度使能合作伙伴，构建开源的物联网生态。目前已经聚合了50+ MCU和解决方案合作伙伴，共同推出一批开源开发套件和行业解决方案，帮助众多行业客户快速推出物联网终端和服务，客户涵盖抄表、停车、路灯、环保、共享单车、物流等众多行业，为开发者提供 “一站式” 完整软件平台，可有效降低开发门槛、缩短开发周期。

FastBee

开源地址： https://gitee.com/kerwincui/wumei-smart?_from=gitee_search

FastBee开源物联网平台，简单易用，更适合中小企业和个人学习使用。适用于智能家居、智慧办公、智慧社区、农业监测、水利监测、工业控制等。系统后端采用Spring boot；前端采用Vue；消息服务器采用EMQX；移动端支持微信小程序、安卓、苹果和H5采用Uniapp；数据库采用Mysql、TDengine和Redis；设备端支持ESP32、ESP8266、树莓派、合宙等；

iot-dc3

开源地址： https://gitee.com/pnoker/iot-dc3

IoT DC3 是一个基于 Spring Cloud 的 100% 完全开源的、分布式的物联网(IoT)平台，用于快速开发物联网项目和管理物联设备，是一整套物联系统解决方案。

DC3平台是基于Spring Cloud架构开发的,是一系列松耦合、开源的微服务集合。微服务集合由 4 个微服务层和两个增强的基础系统服务组成,提供从物理域数据采集到信息域数据处理等一系列的服务。

IoTSharp

开源地址： https://gitee.com/pnoker/iot-dc3

官网地址：https://iotsharp.net/

IoTSharp 是一个开源的物联网基础平台，集设备属性数据管理、遥测数据监测、RPC多模式远程控制、规则链设计引擎等强大能力，依据数字孪生概念将可见与不可见的物理设备统一孪生到数字世界，在落地上IoTSharp结合了资产管理、产品化发展的理念，让平台应用更加贴合复杂的应用场景，在协议支持上支持HTTP、MQTT 、CoAp 等多种标准物联网协议接入和非标协议的转换。

IoTGateway

开源地址： https://gitee.com/iioter/iotgateway?_from=gitee_search

官网地址：http://iotgateway.net/

基于.NET6的跨平台物联网网关。通过可视化配置，轻松的连接到你的任何设备和系统(如PLC、扫码枪、CNC、数据库、串口设备、上位机、OPC Server、OPC UA Server、Mqtt Server等)，从而与 Thingsboard、IoTSharp或您自己的物联网平台(MES、SCADA)进行双向数据通讯。提供简单的驱动开发接口；当然也可以进行边缘计算。

HslCommunication

开源地址： https://gitee.com/xuzhenglim/HslCommunication?_from=gitee_search

官网地址： http://www.hslcommunication.cn/

一个工业物联网的底层架构框架，专注于底层的技术通信及跨平台，跨语言通信功能，实现各种主流的PLC数据读写，实现modbus的各种协议读写等等，支持快速搭建工业上位机软件，组态软件，SCADA软件，工厂MES系统，助力企业工业4.0腾飞，实现智能制造，智慧工厂的目标。主要PLC包含 siemens, mitsubishi, omron, panasonic, modbus, ab-plc, redis。

thingsboard

开源地址： https://gitee.com/mirrors/ThingsBoard?_from=gitee_search

中文网地址： http://www.ithingsboard.com/

ThingsBoard是用于数据收集、处理、可视化和设备管理的开源物联网平台。它通过行业标准的物联网协议：MQTT、CoAP、SNMP、LWM2M、Modbus、OPC UA和HTTP实现设备连接并支持私有云和本地部署；Thingsboard具有弹性伸缩、高容错性和性能极致的特点保证永远不会丢失数据。

DeviceHive

开源地址： https://github.com/devicehive

官网地址： https://www.devicehive.com/

DeviceHive将任何连接的设备变成物联网的一部分。它提供了通信层、控制软件和多平台库，以引导智能能源、家庭自动化、遥感、遥测、远程控制和监控软件等的开发。使用Python、Node.js或Java库和JSON格式连接嵌入式Linux。通过REST、Websockets或MQTT写入和读取数据，在Grafana图表上探索可视化。使用HTML5/JavaScript和Android库开发客户端应用程序。把连接留给DeviceHive，专注于实际的产品和创新。

蜂鸟（HummingBird）

开源地址： https://gitee.com/winc-link/hummingbird?_from=gitee_search

官网地址： https://doc.hummingbird.winc-link.com/

演示地址： https://demo.winc-link.com/auth/login

“麻雀（蜂鸟）虽小，五脏俱全” 虽然蜂鸟作为一个超轻量级物联网平台，但是他的核心功能并不会消减。设备接入、产品管理、物模型、告警中心、规则引擎...这些所有物联网平台的标配功能，都可以在本平台中找到。蜂鸟物联网平台兼容多种数据库连接，用户可以根据自己的业务需要选择适合自己的数据库。

物联网开发

概述

物联网系统

设备端的开发

物联网平台开发

物联网开源项目

参见