掌握物联网开发技术,未来究竟有多吃香
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发布时间：2022-04-23 14:21
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时间：2022-04-11 07:52
「只要有人的地方，就有物联网技术。」我不清楚这句话的出处，我只知道有人的地方就有江湖~哈哈。我想说的是，「物联网技术」这个名词是一个很大很泛的概念，我可以说不存在这种技术，我也可以说这技术实际上就是当今电子、通信、计算机三大领域的基础技术。
我在这问题下的回答「物联网和互联网的区别和联系？」简单阐明了物联网和互联网之间的关系。请问，1994年中国接入互联网以来，我们作为互联网原著居民的90后，认为互联网技术又是一种怎样的技术呢？
我就奇了怪了，当初教育局怎么不开一个互联网技术专业？实际上现在也没必要开设互联网专业了，当今大学的计算机系本科所学的大部分内容，就是互联网会用到的技术。其中之一是Web建站技术。
Web 建站技术中，HTML、HTML5、XHTML、CSS、SQL、JavaScript、PHP、ASP.NET、Web Services 是什么？ - 张秋怡的回答
什么？你们计算机系不是学这些？来来来，我电脑坏了，过来帮我修一下电脑吧~
总之，互联网是一个时代，物联网，也是一个时代。物联网技术是当今电子、通信、计算机、IT行业技术的大融合。如图，物联网技术的技术组成（简单版）。
# 物联网技术之一：单片机/嵌入式开发
智能硬件，哎，不就是单片机吗？说到底就是一个微控制器，现在出现的智能手表，调光LED灯，蓝牙开锁，WiFi插座等等，说到底不就是单片机开发嘛？单片机，电子和通信专业一般都会教51或AVR、计算机系接触不到。现在流行的Arino也是单片机开发的一种。
但是要做一款智能硬件，技术上只会单片机编程还是不行的。哎呀嘛什么智能硬件，本质上就是一个电子产品！。所以你要开发一款能拿得出手的智能硬件，电子系统设计必须要会的！
电子系统设计（电子系统设计与实践 (豆瓣)），我不是指《电子系统设计》这本书里的内容，而是一个动手实验过程。要做智能硬件，广看书没用，只会单片机编程也不够的！真正有用的是一个实打实的课程设计，或者一个项目经历。一个电子系统设计流程一般是这样的：
硬件设计阶段：
MCU选择
电路设计（电路图）
验证电路（面包板、万用板）
电路板设计（PCB图）
送工厂打板或自己做板
元器件、物料管理（采购等）
拿到电路板后
焊接芯片和元器件
上电测试
烧写最后版本的代码到芯片里
如果你熟悉以上硬件设计阶段，并知道要做什么事情，已经是一个合格的单片机硬件工程师了哈~接下来就是单片机软件工程师的事情了，单片机软件一般都不会太复杂，有的还是不用上操作系统的裸机开发，做过单片机课程设计的学生都懂。
软件设计流程：
确定软件架构（主循环？状态机轮询？）
编写软件
调试代码（开发板或自己搭建好的电路）
烧写最终版本的代码到电路里
这些都不算复杂了，如果你用的芯片高级一点，不是微控制器而是微处理器的话，那么就是嵌入式开发了。
如图是ARM芯片架构系列。
一般网上STM32开发板的芯片是STM32F103，也就是Cortex-M3核，还算是单片机开发，如果外设没有太多功能，单片机想用更小巧一点的，可以选用M0核的芯片，名副其实的微控制器了。如果使用Cortex-A9开发，你这是要开发手机还是机顶盒（黑人问号）？
Cortex-A系列芯片的开发，或者说这类产品，一般一个人不可能完成所有工作，这种嵌入式开发的技术最少分为四个层次：硬件层、驱动层、系统层和应用层。每一层次都需要有人去设计。驱动和系统可以移植，硬件电路板肯定要专门的硬件工程师去做的，应用层可以交给应用工程师，只要上了Linux系统，不也就是Linux应用开发嘛？如果去网上买回来的嵌入式开发板，能拿得出手的项目只能应用层开发，比如什么「数码相框系统」、「视频点播系统」。别告诉我学会移植uboot或Linux就可以找工作了。
# 物联网技术之二：网络通信协议
智能硬件与传统的电子产品最大的差别，就是智能硬件连上了网络。要连上网络，就需要用到网络通信模块及学习网络通信协议——TCP/IP。
TCP/IP是一个技术的总称，里面包含两种协议TCP、UDP，位于网络通信分层模型的传输层，同时也是由操作系统管理。而HTTP、DNS、URI等这些技术，属于应用层，位于TCP/UDP之上。同样，最近物联网比较流行的，针对计算能力有限的通讯设备而出的MQTT协议，也属于TCP之上。
为了让电子产品有联网的能力，只要在电路设计上给主控芯片连接一个通信模块，写好收发网络指令的代码，剩下的就是电子产品设计了。
到这里，基本是一个物联网产品的雏形了，以上也是物联网中基本会用到的电子和通信技术。
# 物联网技术之三：服务端开发框架
Client/Server架构，即客户端/服务器架构。智能硬件连上后台服务器后，其就是一个客户端，一个终端。由于单片机中资源受限，实际上是不太可能用HTTP协议的，所以互联网中通用的Web服务器开发并不适合这里。有的厂家会在TCP之上自定义协议，有的就移植别人做好的协议比如MQTT，CoAP等等。
服务端开发就比较复杂了。单片机/嵌入式软件开发还好，只要学习好C语言即可打遍天下无敌手，而服务端开发，用Java呢还是Python还是PHP？反正Java和Python选一个就好了，嵌入式出身的工程师，一般都会学Python。
Python服务器端的开发框架种类繁多，Web开发的有Django、Flask、Tornado Web Server，TCP服务器可以用Twisted，等等。MQTT有已经做好的服务器，像这样的服务器不用自己开发，直接部署即可。
如图，这是我开发一个智能硬件的服务器端的框架图。使用Redis作为HTTP和TCP服务器的数据共享内存，TCP Server收到的硬件端Client数据都存放到Redis里，用户端通过HTTP Server服务器，从Redis里获取硬件端的数据，然后展示到Web端或手机端上；如果用户端需要控制硬件，给HTTP服务器发送请求，然后Flask发送指令到Redis，Twisted从Redis收到指令后，就会给对应的硬件端发送指令，最后硬件执行响应的操作。
在这个项目开发中，最少需要开发用户端的HTTP服务端和硬件端的TCP服务器。Flask和Twisted都可以说是互联网技术里的服务端开发技术，现在我把这两个技术框架拿过来一用，是不是也算物联网技术？物联网技术本身就是在现有成熟的技术上发展而来的。
到了这里，服务端开发和前面两个技术可以作为一个分层，前面的单片机/嵌入式和网络通信的开发可以算作是一个电子设备的开发，后台工程师只要拿到了这个电子设备，知道这个设备提供了哪些接口（API），就可以进行后台开发了——把设备连上网络，分配给它一个IP或者什么的，配置好接口及相关操作，剩下的事情就交给前端了。
## 关于前端技术
关于前端技术，我这里不好单独写一个主题，其一，我对前端技术没有那么熟悉，还处于前端技术=HTML+JavaScript+CCS的概念，以及手机端的APP开发；其二，前端技术与电子硬件技术间隔相差太远，前端更多的是和美工沟通，和后台协调，和设计师交流，甚至可能还需要有一定的美感；其三，大部分项目的最重要的是实现设备的稳定性、联网、数据的获取和控制。如果设备不稳定，数据出现差错，没法控制，再漂亮的前端页面也没用。其四，如果是做智能家居，做消费电子领域的项目，针对广大普通消费者，比如WiFi插座，一个漂亮的界面是很重要，但是大多数的物联网项目，只需要一个后台管理界面就行了。
所以，没有前端的设计，界面都是很丑咯！
# 物联网技术之四：无线自组网
无线自组网，或称无线传感网络，这肯定是物联网专业的学生要学的一门学科，属于通信领域，电子、计算机出身的人对这没有太多的概念。无线自组网最典型的技术之一是，ZigBee。
什么是自组网？做个对比，比如我们的WiFi，我们要用手机去连一个SSID，输入密码才能连上WiFi，而且你的手机，一般来说也不可能再发射Wifi出去让其他手机连接，WiFi网络拓扑成星型网。
而自组网不一样，不需要用户输入用户名和密码，直接连到最近的一个自组网设备，最后自组网设备也可以作为一个中间节点，让下一级的设备连接进来，网络拓扑可以成星型网、簇型网和网型网。那么无线自组网的数据怎么流动呢？流去哪？无线自组网一般都会有一个数据汇聚的地方，这个地方就是网关。
但是ZigBee并没有连上互联网啊，它最多只是一个局域网！——这还不简单？这是就是网关要处理的事情了。而且，ZigBee协议栈Z-Stack是有Linux网关版本的。
Z-Stack - ZigBee 协议栈
不过呢，由于各种原因，ZigBee开始走下坡路了，最新的6LoWPAN会逐渐替代。6LoWPAN，是一种低功耗的无线网状网络，其中每个节点都有自己的 IPv6 地址，允许其使用开放标准直接连接到互联网。Zigbee使用网内专用地址，互联网主机无法访问。集成 Ipv6/6LoWPAN 堆栈的开源操作系统Contiki也会逐步取代Z-Stack。
如果大学开设了无线自组网的课程，不是学习ZigBee的Z-Stack就是Contiki。使用无线自组网也并不是一个单独的开发过程，其技术需要结合单片机/嵌入式开发。
## 电源问题
是的，如果要用无线自组网，电池续航的能力是一个问题。如果是类似与WiFi插座、智能饮水机、智能风扇等等，接上市电就能用，这些电源都不是问题。而对于无线自组网，往大的方向说就是所有的便携式智能设备，都受限于电池续航能力，比如智能手表，运动手环。不过呢，突破电池技术并不是物联网开发者所需要做的工作，我们能做的，只能是挑选更低功耗的芯片，设计电路功耗更低一点，让单片机休眠并使用中断唤醒机制。
图，用水果电池供电的某430单片机系统。
# 物联网技术之五：RFID
仔细观察上面那张无线技术的图，最右边，NFC/RFID。嗯，对，RFID，非接触射频识别，也是物联网技术重中之重的技术，很多物联网书籍都会介绍RFID，搞得很多人以为RFID就是物联网。
介绍RFID前先简单说一下条形码。去超市购物的时候，收银员把扫描*对准上面的条形码扫一扫，商品信息和价格就录入到电脑里了。条形码替代了收银员手动输入数据，工作效率提高了几倍。
可是，进入21世纪后，条形码已经不能满足人们的需求，存储能力小、工作距离近、穿透能力弱、不能写操作等等都是条形码的缺点。这个时候就出现了RFID技术。典型应用如下图：
（。。。好像没有什么奇怪的啊？）
一二线城市早已实现了的公交卡，以及校园一卡通，用的就是RFID技术。RFID可读可写，所以公交卡、校园卡的钱能存在卡里面。
NFC，也是RFID的技术一种，目前大部分手机都支持的NFC功能，手机取代公交卡真的是迟早的事。要是手机没有NFC功能，也可以这么装*：
我看他用手机刷卡出入站挺方便，就问他怎么弄的，是不是要下载什么软件。
他告诉我：“这个很简单，只要把公交卡藏在手机套里就行了。”
同样，RFID开发也是离不开单片机开发，网上也有相关的RFID开发套件出售。
# 结语
当然，物联网技术绝对不止以上五种，物联网本身就是所有技术的大融合，做电子产品的还要考虑产品外壳，不过这是结构工程师的事情；做服务器后台的还要考虑用户帐号数据库读写等，前端也要考虑如何把设备数据和操作方式优雅的展现给用户看，这些是IT程序员的事情；电池技术也需要单方面突破，超小体积、超大容量，这个还得等待多时。
与其说物联网是一种技术吧，不如说它是一个时代，物联网通过对相关技术进行整合，形成一个时代的概念，是一个建立在技术基础之上的时代。
