CSDN物联网学习5 从芯片到云端 Python物联网全栈开发经验教训共享
2024-05-09 17:44:13
刘凯
一、前言
物联网端到端模型
物联网与互联网差异
- 开发环节：物联网增加了设备相关的设备域开发；
- 人机交互：没有标准显示组件，不支持现有UI组件，需要NUI、智能传感器
- 接入协议：设备能力受限，需要支持MQTT/CoAP/TCP/UDP套接字；
- 安全特性：设备能力受限，无法支持RSA2048算法TLS；
- 数据特点：物联网上传流入流量远远大于流出流量；
- 实时要求：物联网隐含实时要求，流入数据需要支持实时检索、处理、统计；
- 规模受限：物联网应用规模受限于设备接入数量，资金、库存、生产、销售压力更大；
- 沉没成本：物联网是重资产业务，互联网是轻资产业务；
- 生命周期：硬件设备是生命周期要远远长过互联网产品；
- 团队组成：硬件团队与互联网团队文化融合。
二、 Python 与IoT全栈开发
Python是物联网系统的胶水语言。
- Python有许多实现（Implementations），能够与多种语言进行交互，尤其适合系统整合
- CPython与C/C++：通用计算加速、DLL二次开发、设备驱动、桌面、Web、运维、脚本
- Jython与Java/JVM：大数据，GUI、网关、移动APP
- IronPython与C#：Windows应用、DLL二次开发、系统整合
- JavaScript：前端、Web可视化、JS爬虫
- 嵌入式C/HDL：寄存器/晶体管级原型开发、固件、DSP、GPU、NLP、机器学习
- From Chip to Cloud，完整产业链的全栈开发，通用语言的综合优势
主要领域
- 系统建模、虚拟仪器、软件质量、自动测试、报文分析、网络仿真、媒体处理
- 系统建模：blender，printrun，python-opengl
- 虚拟仪器：SCPI，pyserial，socket
- 软件质量：unittest，pytest，pydoc，Sphinx，git/subversion
- 自动测试：pyocd，mbed-ls
- 报文分析：Wireshark/PyShark
- 媒体处理：mp3play，pyglet，moviepy，字模提取
Python性能加速
- 运行时加速：PyPy JIT加速
- Web加速：libev/libuv的Python封装pyev/pyuv
- 硬件加速：CUDA GPU加速
开箱即用的Python物联网
- PySerial：实验性的RFC2271/asyncio
- Twisted/Tornado：支持socket/websocket异步网络编程框架
- MQTT-client/paho：支持Cyclone/Tornado/Flask/Django框架
- CoAP-proxy/txThings：支持Twisted框架
三、设备端开发与选型
1. 需求分析
- 电子货架标签：短距离无线、类广播式
- 资产定位：广域无线、低占空比、数据采集、异步事件
- 农业应用：低功耗广域无线、低占空比、数据采集、多设备融合
- 房屋租赁：WiFi/BLE、低占空比、安全相关、异步事件、多设备融合
- 医疗设备：WiFi/BLE、高速率、数据采集、异步事件、多设备融合
2. 设备组网与联网选型
- 无线技术需要遵守当地法律法规
- 蜂窝数据技术 vs ISM技术
- Sub-1GHz vs 2.4GHz技术
- 短距无线电 vs 低功耗广域技术
- 无线技术标准竞争与多模芯片融合
- 传统有线网络依然有现实意义
四、Python设备端开发
具备二次开发能国的可编程设备
五、Python网关开发
1. 硬件接口标准化
- 物联网现状：碎片化，垂直行业条块分割
- 物联网趋势：标准化硬件接口 + 标准化编程接口 + 标准化编程平台
- 应用迭代：唯快不破，以标准化方法应对碎片化需求
- 标准化进行中：I2C/SPI/GPIO/ADC/PWM…… Adafruit GPIO/Intel MRAA
- UART：PySerial
- USB：PyUSB
- OS标准设备：SDIO/MiniPCIe/HDMI/Audio……
2. 操作系统标准化
- MCU：ARM mbed OS/CMSIS RTOS
- CPU/MPU：Linux Yocto/Open-Embedded/Debian/Ubuntu
- 运行时：Native/JVM/Android
- 编程语言：C/C++/Java/Python/JavaScript/Lua
- I/O命名：Arduino/ARM mbed
3. 编程接口标准化
- PySerial：RS232/RS485/USB CDC ACM/RFC2271
- PyUSB：特种USB设备，HID/CDC/MSD等设备均被OS标准化
- Socket：连接接口或技术标准化后会提供套接字编程接口，包括CAN/6LowPAN/Zigbee
- 设备文件：Linux的标准化接口
- DLL文件：Windows下的标准接口
Linux+Python 物联网网关示例
- panStamp：西班牙智能农业，已成为通用物联网网关
- panStamp模块：Sub-1GHz CC1101，基于Arduino API，UART接入树莓派Linux
- panStamp架构：分布式，包括IFTTT，Web管理界面，与众多云服务整合
- 嵌入式Linux：CLFS，预编译Linux，完整版Linux
- 交叉编译：CLFS与CPython交叉编译问题
- 其他网关：LoRa/Zigbee/6LowPAN网关
MicroPython物联网网关
- 基于MicroPython的物联网参考设计
- 交叉编译：MicroPython更适合交叉编译环境
- 生态完整：MicroPython自带upip和微型库
- 参考设计：WiPy/LoPy/SiPy/FiPy，重复整合LTE/NB/WiFi/BLE/LoRa/Sigfox网关服务
- 开发者反馈：远比C/C++开发要快捷，充分发挥了Python快速应用开发的特点
- 开发者编程水平：残留大量C语言编程方式，需要掌握Python语法，OOP/函数式编程，中断回调和异步I/O，实现个人编程能力的升级
* Java OSGI+JyThon物联网网关*
- OSGi：历史悠久，OpenHab及大量OSGi开源框架与网关
- JSR223：JavaScript/Python/AWK/Groovy等十多种语言
- OSGi Jython桥接
- 参考设计：NXP/Freescale的OSGi网关设计
- 树莓派：Pi4J、TigerJython
六、 Python服务器端开发
1. 典型物联网服务器端框架：
2. 联网协议选型
- MQTT vs TCP长连接：完整的分层协议与TLS安全
- CoAP vs MQTT：REST无状态与消息队列模式
- XMPP/Websocket等：相对重型的通讯协议
- 技术陷阱：基于TCP长连接的二进制协议定制，可能导致工程失败
3. 数据转发与持久层选型
- 缓存：基于RAM，Redis/MongoDB
- RDBS：SQL，MySQL/Maria/PostgreSQL/SQL Server
- NoSQL：MongoDB/Cassandra
- RTDB：KogMo/BerkeleyDB，工业数据采集，商业许可证居多
- TSDB：OpenTSDB/InfluxDB
- PaaS：Firebase/Bigtable/Hadoop/Spark
4. 连接与资管应用分离
- 标准化联网对接：降低连接定制需求，标准化能够加速开发
- 设备抽象：设备云解决设备连接，通过REST API将物理设备抽象成设备数据服务
- 系统迭代加速：在资管应用中实现应用（设备、角色、权限、流程、存储、UI、APP）的快速迭代
- 简化系统开发：资管应用简化为Web开发，降低开发成本
- 系统整合加速：通过REST API整合IoT PaaS/摄像头直播/点播PaaS和第三方网络服务，迭代各类融合型创新物联网服务
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