背景

　　時間：1年 前的某日

　　坐標：深圳

　　在一個平常的不能再平常的周末下午，幾個小伙伴聚在了一起，一起暢想 “萬物互聯(lián)” 的物聯(lián)網未來。小伙伴中有硬件、嵌入式、軟件;有互聯(lián)網公司的全棧工程師、也有核電廠的工控系統(tǒng)維護者、還有路由器廠商的 wifi 協(xié)議。我們發(fā)現(xiàn)，世面上沒有開源且可商用的物聯(lián)網平臺或系統(tǒng)。這里的可商用，不是搭建幾個 demo 把硬件連上網、app 操作兩下這么簡單!

　　有以下幾點都是必須著重考慮的：

　　必須有完備的硬件、嵌入式、云端一體的協(xié)議及架構設計

　　能夠實現(xiàn)真正的硬件智能化，能夠基于數據學習并自主工作

　　必須有很高的性能、穩(wěn)定性及擴展性

　　必須能夠適應成千上萬種不同資源的硬件設備，從 PC 到手機、從計算資源極其有限的單片機到網絡帶寬極其有限的控制器

　　必須能適應不同的網絡場景，包括有線、wifi、3g/4g、gprs 等

　　必須有很可靠的安全性

　　需要盡可能降低研發(fā)和生產成本

　　在媒體和科技工作者都抱著物聯(lián)網是未來的觀點并翹首觀望時，我們決定做點什么，而不是當看客!這個平常的不能再平常的周末下午，也許對我們不太平凡。

　　我們決定啟動全套可商用物聯(lián)網系統(tǒng)的設計和研發(fā)，并在不久的將來，全部開源。

　　于是大家利用業(yè)余時間，開始了協(xié)議設計及系統(tǒng)設計，將項目慢慢啟動了起來。幾個月后，*個商用版本的研發(fā)成功完成。這期間，好幾個小伙伴辭去了工作，全職進行研發(fā)。我們在沒有融資、沒有資源的情況下一路走到現(xiàn)在，其中辛酸就不多言了。謹以此文記錄我們在系統(tǒng)設計和研發(fā)中的走過的路，以饗同樣是物聯(lián)網愛好者的你。

　　整體設計

　　一個物聯(lián)網系統(tǒng)涉及硬件、軟件、云端、app 各個環(huán)節(jié)，必須從整體進行頂層設計，只倚重某個單一的環(huán)節(jié)進行設計的系統(tǒng)都不具備良好的適用性和擴展性。我們在設計時為了避免這種情況，使系統(tǒng)能夠適應zui廣泛的物聯(lián)網場景(甚至包括工業(yè)場景)，每次的架構設計討論都是所有團隊成員參與。大體的系統(tǒng)架構如下：

　　協(xié)議

　　在一個物聯(lián)網系統(tǒng)中，協(xié)議是串通上下層的關鍵紐帶。在物聯(lián)網系統(tǒng)中，我們將協(xié)議分為兩大層：通信層和業(yè)務層。

　　通信層基本上是傳統(tǒng)互聯(lián)網的網絡基礎設施，負責將數據在物聯(lián)網系統(tǒng)節(jié)點中的傳輸

　　業(yè)務層分為兩層，底層是負責物聯(lián)網場景下數據交換格式的規(guī)范，上層是物聯(lián)網場景需要具體傳輸的業(yè)務數據規(guī)范。

　　通信層互聯(lián)網基礎架構目前已經非常成熟且通用，但是業(yè)務層協(xié)議目前還是種類繁多?？梢源_定的一點是，zui終能在物聯(lián)網應用中稱霸的協(xié)議，一定也像互聯(lián)網時代的 TCP/IP 一樣是開放的、免費的。目前符合此特性并使用比較多的有 XMPP、MQTT、COAP 等。關于具體的對比，可以參考我之前的另一篇文章《物聯(lián)網通信協(xié)議介紹》。

　　文中總結如下：

　　互聯(lián)網中使用較多的 HTTP、websocket 以及 XMPP 等協(xié)議，在設計時都是根據互聯(lián)網應用場景設計的，雖然很多廠商把他們應用在物聯(lián)網系統(tǒng)中，但是必然會水土不服，這些協(xié)議的通病就是根本無法適用物聯(lián)網設備的多樣性，無法適用很多物聯(lián)網設備對低功耗、低成本的需求，難以在極低資源的物聯(lián)網設備中運用。

　　COAP 協(xié)議針對資源受限的嵌入式設備設計，但由于很多物聯(lián)網設備隱藏在局域網內部，COAP 設備作為服務器無法被外部設備尋址，在 *6 沒有普及之前，coap 只能適用于局域網內部(如 wifi)通信，這也很大限制了它的適用范圍。

　　MQTT 在協(xié)議設計時就考慮到不同設備的計算性能的差異，所以所有的協(xié)議都是采用二進制格式編解碼，并且編解碼格式都非常易于開發(fā)和實現(xiàn)。zui小的數據包只有 2 個字節(jié)，對于低功耗低速網絡也有很好的適應性。有非常完善的 QOS 機制，根據業(yè)務場景可以選擇zui多一次、至少一次、剛好一次三種消息送達模式。運行在 TCP 協(xié)議之上，同時支持 TLS(TCP+SSL)協(xié)議，并且由于所有數據通信都經過云端，安全性得到了較好地保障。

　　我們zui終選擇基于 MQTT 來作為業(yè)務傳輸層主要協(xié)議。但是 MQTT 協(xié)議本身的設計是針對開放設備，對于可商用的物聯(lián)網系統(tǒng)不得不保證設備的安全性和完善的*機制。所以我們在實現(xiàn) MQTT 協(xié)議時進行了一些定制和限制。

　　在業(yè)務層的上層(business 層)，目前的物聯(lián)網系統(tǒng)都是各自針對自己的業(yè)務場景設計協(xié)議規(guī)范。有沒有可能根據物聯(lián)網場景統(tǒng)一業(yè)務數據的規(guī)范呢?我們認為是可行的，并且也是必要的。如果把通信協(xié)議比作聲音，光有通信協(xié)議，任何人之間還是無法交流。只有統(tǒng)一語言，大家才能順暢溝通。所以我們抽象出物聯(lián)網節(jié)點中傳感器和執(zhí)行器的業(yè)務場景，并設計出含有物聯(lián)網業(yè)務數據語義的業(yè)務層協(xié)議。目前已經將業(yè)務層協(xié)議開源，希望對廣大愛好者和從業(yè)者帶來一定參考價值。

　　云端平臺

　　互聯(lián)網時代的用戶上網終端主要是 PC 和手機等設備，可以想象，物聯(lián)網時代，上網終端會呈多樣化、海量化趨勢。保守估計每人擁有數十套聯(lián)網設備，數據規(guī)模必然也是幾何倍增長。所以物聯(lián)網云端平臺注定是一個大規(guī)模的海量分布式系統(tǒng)。

　　目前很多愛好者或者廠商通過搭建簡單的 web 系統(tǒng)(如 php、nodejs、python 實現(xiàn)的 web 接口)可以實現(xiàn)設備的聯(lián)網，但是可以想象，在真正的商用場景中，穩(wěn)定性、性能、擴展性都必然遭受沖擊，無法應對。

　　在進行技術選型和架構設計時，我們也綜合考慮以上因素進行設計和實現(xiàn)：

　　采用 go 語言作為主要開發(fā)語言。go 語言有著簡潔的語法，并且能夠很方便地進行高并發(fā)程序的開發(fā)，在高性能云計算系統(tǒng)的開發(fā)中有著得天獨厚的優(yōu)勢。

　　采用 microservice 分布式架構。microservice 架構能夠構建出更穩(wěn)定、擴展性更好的分布式系統(tǒng)，也是目前分布式系統(tǒng)中zui流行的架構方式。

　　使用 docker 降低運維成本。docker 能夠方便地對系統(tǒng)就行升級和出錯回滾，保證了系統(tǒng)發(fā)布時的穩(wěn)定性。

　　對外接口采用 REST 風格進行設計。REST 風格的接口便于升級和兼容，并擁有非常易于理解的語義，降低的學習門檻。

　　多副本部署。任何服務模塊我們都保證同時至少有兩個運行實例，并根據服務發(fā)現(xiàn)機制自動進行負載和調度，以增加系統(tǒng)可用性。

　　大體的云端架構如下圖

　　目前我們的系統(tǒng)已經發(fā)布到 0.8.0 版本，后續(xù)會在安裝和運維的便捷性上進行優(yōu)化，并計劃在 1.0 版本時開源發(fā)布。

　　嵌入式

　　物聯(lián)網硬件的嵌入式軟件除了傳統(tǒng)部分，必須加入聯(lián)網邏輯以及傳感器、控制器的管理。為了提高開發(fā)效率、方便復用，我們設計并開發(fā)了輕量級的物聯(lián)網嵌入式開發(fā)框架，并對物聯(lián)網業(yè)務進行了抽象，以便移植到不同的硬件平臺。我們希望做到的是，在不需要更改任何業(yè)務層代碼的情況下，一個物聯(lián)網嵌入式應用可以在不同的硬件平臺運行。

　　當前很多大企業(yè)(華為、惠普、google 等)都紛紛推出了物聯(lián)網操作系統(tǒng)，后續(xù)物聯(lián)網領域會出現(xiàn)多種操作系統(tǒng)共存的局面。不同的操作系統(tǒng)能運行的zui低系統(tǒng)資源以及具體應用場景都不盡相同，但我們相信，物聯(lián)網的上層業(yè)務是通用的，這也是我們設計物聯(lián)網嵌入式開發(fā)框架的原因。

　　安全

　　近些日子，各種廠商的物聯(lián)網設備紛紛傳出被黑的消息。從 TCL 到特斯拉，黑客都成功實現(xiàn)破解和隨意操控。和互聯(lián)網時代一樣，安全在物聯(lián)網目前的早期階段注定是容易被忽略的問題。為此我們也在設計系統(tǒng)時也沒有掉以輕心：

　　所有接入層通信都采用 tls 進行加密，包括對 app、業(yè)務服務器的開放接口。

　　用戶、設備關鍵信息進行加密保存

　　針對設備有完善的用戶鑒權機制

　　針對互聯(lián)網安全場景的其他安全措施

　　安全不是一朝一夕的事情，需要從系統(tǒng)開始構建時就考慮，并不斷完善安全手段和規(guī)則。

　　開發(fā)板

　　為了降低物聯(lián)網硬件的開發(fā)成本，我們基于 esp8266 設計了物聯(lián)網開發(fā)板 Tisan，并在 Tisan 實現(xiàn)了我們的嵌入式開發(fā)框架及物聯(lián)網協(xié)議。我們希望 Tisan 成為大家相互學習、交流和沉淀技術的工具，也希望更多的愛好者能一起做出好產品

　　以開源之名

　　光陰荏苒，白駒過隙。一路走來，我們執(zhí)著地將所有設計慢慢付諸實現(xiàn)，為未來的物聯(lián)網技術貢獻自己的力量。物聯(lián)網技術涉及的方向眾多，我們的力量畢竟是有限的，這也是我們從一開始就以開源形式開發(fā)項目的原因。

　　本文來自攀多物聯(lián)科技的投稿。攀多物聯(lián)是深圳一家物聯(lián)網創(chuàng)業(yè)公司，致力于打造物聯(lián)網產品開發(fā)工具，提供縱向物聯(lián)網解決方案。