作者 | phodal
责编 | 唐门教主
微信公众ID | csdn_iot
随 JavaScript 随着语言的普及和物联网领域的兴起，我们可以看到它们结合的可能性，但也发现它特别适合物联网的发展。因此，本文将主要从以下三个方面进行介绍：
物联网架构典型，语言问题多样；
只使用 JavaScript 语言物联网架构；
详解基于 JavaScript 不同层次的语言物联网结构。
那么，先让我们看看典型的物联网架构是怎样的吧。
1
我们甚至可以认为物联网只是互联网的扩展。与传统的 C/S 与结构相比，它有一个数据采集层，我们称之为传感器层、硬件层等。数据输出不再仅仅是用户，而是来自各种网络设备。物联网不再局限于使用 HTTP 它还将使用协议传输数据 CoAP(限制应用协议)，MQTT(消息队列遥测传输)协议。
2
目前的物联网应用程序需要做的是控制和数据处理。指令由用户逐层发送到终端，直到硬件终端由设备执行。数据是逐层报告，直到可视化。
因此，与互联网架构(如图所示 1、图 2 所示)，起点不同于终点:指令的终点和数据的起点变成了硬件层，而不是最终的用户层。
图 1 互联网架构
图 2 典型的物联网架构
客户端的数据 A 发送到服务端，客户端 B 然后从服务端获取 A 这样，数据就完成了一个回路。物联网架构有点麻烦，多了一个层次，多了一个步骤。
硬件层上的微控制器通过直接连接收集各种数据，如温度、湿度等。由于微控制器的成本、环境条件等因素，它可能无法直接连接到互联网。因此，需要连接到一些额外的网络设备。
这些互联网设备负责处理各种硬件设备的数据，并将其上传到服务器上。同时，它将提供无线(如蓝牙、红外线、ZigBee）接口是数据的入口。因此，这一级别需要更好的数据处理能力，并且应该能够快速开发。由于这些设备主要从事协调工作，我们习惯于称之为协调层。
3
使用多种语言的物联网
多年前，作者制作了一个不复杂的物联网系统：
使用 Python 里的 Django 作为 Web 服务框架，Django REST Framework 创建 RESTful API；
使用手机作为控制器 Java 写一个 Android 应用；
使用 Raspberry Pi 作为硬件端的协调层，用于连接网络，并传输控制信号给硬件；
使用硬件端 Arduino 作为控制器，写起码很简单；
还使用了 ZigBee 模块 XBee 及 I2C 不同的连接 Arduino 模块介质；
最后，需要在网页上制作图表来显示实时数据。
因此，我们需要使用它 Python、Java、javascript、C、Arduino 五种语言。如果要写相应的， iOS 还需要应用 Objective-C。对于其他物联网项目来说，这也是一场灾难。
在做这样的物联网项目之前，我们需要找到六个不同类型的工程师：一个硬件工程师设计电路图，一个理解硬件的嵌入式工程师，一个写服务应用程序，一个写 Web 前端工程师及相应的工程师 Android 和 ios 工程师。
不考虑系统本身的合作，找到这么多工程师并不容易。如果我们只能使用一种语言，它将大大提高开发效率和开发人员的问题。
4
JavaScript 这几年语言特别流行，流行的原因有很多，比如:
使用 WebView 开发 UI 因此，效率更高 WebView 随处可见；
基于事件驱动的编程模型；
JavaScript 易用(这是优缺点)；
也因此，React、Unity 开发者可以使用框架提供更多的可能性 JavaScript 开发游戏、VR 应用等等。
所以，只用 JavaScript，我们可以设计什么样的物联网系统？
5
如上所述，几年前很难找到一种语言来完成一个包含客户端和服务端的系统。而随着客户端（浏览器、移动设备）性能的提升、Node.js 这种语言出现了，即 JavaScript。它不仅可以让我们只用一种语言来降低开发成本，还可以快速开发这样的系统。其余的问题是，如何在不同层次上选择合适的框架来实现快速发展。
如图 3 所示，我们可以看到不同层次的可选 JavaScript 方案。其中，有些只是为了证明 JavaScript 它是可行的；有些可以在开发效率和运行速率之间达到最佳平衡。选择这些方案可以让我们更快地实现它们 JavaScript 物联网应用开发。
图 3 基于纯 JavaScript 物联网参考架构
6
对于服务层来说，自主开发的物联网服务端主要是基于 node.js 方案。然而，我们发现越来越多的应用正在使用中 Serverless 该架构不仅可以快速推出可用的原型，还可以在未来轻松添加业务功能。
图 4 物联网服务层
图 4 物联网服务层有三种方案：
独立开发：即遵循传统的服务端开发模式，定义所需的功能；
使用云服务：直接使用成熟的物联网云服务，它们集成了云中所需的各种功能；
Serverless：Server 可视为云服务上的自主开发，集两者之便。
每个方案都有自己的特点，也适用于具有不同开发能力的项目。但要实现快速发展，理想的方法是采用 Serverless 架构模式。
7
由于保密、安全、可扩展、核心技术等原因不同，一定规模的公司将采用自主开发的方式。这种开发模式 Web 应用开发没有太大区别，都是在数据中进行的 CRUD 操作。和前后分离架构一样，使用 API 作为接口，支持不同的传输协议，如 MQTT、CoAP 等。
图 5 Lan 物联网架构
比如作者以前在 GitHub 上开源的 Lan（https://github.com/phodal/lan），以物联网服务端为例。 Node.js 与 MongoDB，其架构如图 5 所示。
用户信息采用传统的关系数据库存储；
采用 NoSQL 可以处理不同的传感器数据；
提供 UI 界面供管理人员管理用户；
协议提供 HTTP、CoAP、MQTT、WebSocket 等待支持，方便不同类型的适应。
此外，物联网系统用于存储 NoSQL 作为一种存储介质，它将有更大的优势。一般来说，物联网系统的数据远远超过读取场景。同时，由于设备种类繁多，不可能为每种设备创建表；或者考虑到大量设备的特点，建立一个通用表，但这种表可能在未来仍然不适用。
因此，对于物联网数据，选择等 mongodb 这一类的 NoSQL 数据库有一些优点：
灵活性。可以存储和处理任何结构数据的非结构化数据模型；
支持水平扩展。NoSQL 数据库的分布式存储架构带来了优异的水平扩展；
实数据分析。如 MongoDB 可以通过丰富的索引和查询支持，包括二次、地理空间和文本搜索索引，聚合框架和本地 MapReduce，可以针对传感器数据就地运行报告分析。
然而，这样的系统不免存在研发周期长的问题。如果需要快速验证，那么应该考虑使用云服务来完成部分功能。
8
对于硬件团队来说，直接使用云服务是一种更简单、快速的搭建物联网系统的方法。而使用物联网云服务，就意味着：我们可以直接上硬件层的传感器数据，并在应用层获取、分析这些数据。这一类的服务，比较成熟的有 AWS IoT Things（如图 6 所示）、Azure IoT 等。
图 6 AWS IoT Things 参考架构
基于 AWS IoT Things，我们只需要在云端，定义好对应的数据处理规则，便可以在硬件端直接对接服务。不过值得注意的是，单一的云服务无法提供复杂的功能，这个时候就需要一些搭配额外的服务。
9
Serverless 架构（如图 7 所示）是云服务的一种，但是它在可编程与云服务之间做了一个折中。它是一种基于互联网的技术架构理念，应用逻辑并非全部在服务端实现，而是采用 FaaS（Function as a Service）架构，通过功能组合来实现应用程序逻辑。
图 7 Serverless 物联网参考架构
从理论上来讲，这些服务提供的是一层 API 封装，它不会限制我们所使用的语言。使用 Serverless 服务，我们可以具备更好的快速开发能力，并且能使用同一种语言（JavaScript）来完成编程。
在这个过程中，开发者要所做的便是：在不同的服务之间传输数据，每一次都只处理下一个服务所需要的数据，类似于 Pipe and Filters 架构模式。如一个典型的物联网应用的数据传输过程中是这样的：
对设备进行鉴权；
转换、存储设备的数据；
广播通知其他监听此设备数据的服务；
后台查询数据；
分析数据（AI）；
可视化数据。
只需要少量的编程，我们就可以完成服务端的开发。随后，专注于硬件层的开发，以及应用层的业务功能。
10
在应用层方面，已经有大量的地方使用到了 JavaScript。除了传统的桌面浏览器，还有更多的领域也可以用 JavaScript 来开发。比如移动应用，已经有基于 Cordova + WebView 的成熟方案，还有近两三年流行起来的 React Native，都可以让开发者使用 JavaScript 完成物联网移动应用的开发。又如微信小程序，可以直接用蓝牙来连接硬件设备，也是使用 JavaScript 来编程。
因此，就目前的 Web 趋势来看，在应用层，JavaScript 将是快速开始的主流选择。
在日常中的应用中，我们可以发现物联网的应用层，经常作为协调装置来连接硬件，并上传应用的数据。诸如共享单车、智能手环应用等，它们既通过蓝牙来获取数据，又上传数据到服务端。与此同时，有相当多的应用是运行在桌面客户端上的。故而在这一层级的应用，可谓是种类繁多。
今天，开发人员在做移动端的技术选型时，都会优先考虑到跨平台能力（android、iOS）。而在这些跨平台框架里，混合应用框架 Cordova（WebView）和 react Native 是使用最为广泛的两个框架，且它们都是使用 JavaScript 作为核心开发语言。
Cordova 是使用 WebView 来渲染页面的。因此与 Reavt Native 相比，使用 Cordova 的最大优势是，可以复用已有的 Web 前端应用的逻辑，并且有大量的图表工具可以直接使用——这一点在物联网应用中特别重要。而在混合应用框架中，Ionic 是这个领域使用最多的 UI 框架。
React Native 使用原生组件来渲染 UI 组件，不仅可以解决 Cordova 饱受诟病的性能问题；同时，它还能嵌入 WebView，解决一些复杂的图表显示问题。
但是如果只能蓝牙的交互，可以考虑 PWA 或微信小程序。运行在 Chrome 浏览器上的 PWA 应用，可以直接使用 Web Devices API，如 Bluetooth、NFC、USB，即在浏览器上直接调用原生接口，并实现对设备的控制。而诸如最近一年内流行的微信小程序，则也可以访问蓝牙、GPS、罗盘、加速度计等硬件接口，同时用户不存在安装成本，打开即用。
另外，诸如 Electron、NW.js 这样的框架，可以让开发者直接使用 WebView + Node.js 模块开发物联网桌面应用。它可以加速 UI 界面的开发，并轻松地美化 UI 界面。
11
在硬件层上，就当前而言，Arduino 是最合适的原型开发硬件，除此还有自带 Wi-Fi 的 ESP8266 开发板。尽管使用 JavaScript 的开发板数量较少，也没有 Arduino 这样的成熟生态，但是未来可期。在嵌入式领域，使用 JavaScript 编写的代码，具有移植性强、事件驱动、天生支持异步等特点。
令人遗憾的是，为了保持上面提到的那些 JavaScript 特性，当前的 JavaScript 开发板都需要处理性能比较高的处理器，这也导致了此类开发板在生产上存在较高的成本。不过，好在多数使用 JavaScript 作为开发语言的设备，都具有网络功能连接到互联网，直接作为物联网设备使用。
就目前而言，这一类的设备有 Tessel、Espruino、Ruff 等等，它们的处理器性能都相当不错，价格也相对较高一些。但是，它们可以直接使用 JavaScript，能为软件开发工程师屏蔽底层相关细节，及事件驱动、异步特性，带来更好的开发体验。
幸运的是，Samsung 公司推出的开源物网框架 IoT.js，只需要 64KB RAM、200 KB ROM。在未来，或许它能解决一些制造成本上的问题。
12
当我们的硬件层不能直接联网时，协调层就可以完成这样的功能。作为一个协调层的设备，它应该能与一定数量的微控制器连接，接收它们的数据，并上传到服务端；又能与服务端通讯，获取一些控制指令，并将这些指令准时地发送给不同的控制器。所以，它需要有更好的处理能力、更多的 RAM、ROM 等等。因此，在这一层级使用 JavaScript 便不存在成本问题。我们只需要使用和服务端、应用层相似的知识，就可以快速地连接设备到网络中心。还能直接在本地的 Linux 机器上编写代码，并无缝地运行在设备上。
图 8 物联网协调层
这一类应用，依赖于 Node.js 引擎来实现快速开发。它可以运行在带有嵌入式系统的开发板上，如流行的 Raspberry Pi、OpenWRT 路由器等。
我们只需要一个运行嵌入式 linux 系统的开发板，就可以完成这样的工作。与此同时，主流的 ARM 开发板都提供相应的 Linux 移植，因此在这个层级，我们也只需要关注于业务的实现。
13
如上所述，物联网应用的架构与 Web 应用的架构区别并不是太大，只是在这上面做一系列的演进。除了上面提到的一系列快速实践框架，当前在 Web 开发中流行的一些开发思想，势必也会引导到物联网系统中：
微服务化；
DevOps；
容器化。
物联网会吸引互联网的优秀开发思想，并演进出更优秀的架构。
作者：黄峰达，网名phodal，ThoughtWorks 软件开发工程师，CSDN 博客专家。长期活跃于 GitHub，专注于物联网和前端领域。出版著作《自己动手设计物联网》，以及《Growth：全栈增长工程师指南》等六本电子书，并译有《物联网实战指南》。
2017 年 7 月 1 日（星期六），「」物联网主题线上峰会将在 CSDN 学院召开，届时，黄峰达将与其他几位专家一起，从易于上手、高效的“物联网全栈开发”着手，基于 JavaScript、python，详勘物联网架构、技术栈、应用开发平台、安全等实战经验，希望通过一天的时间，帮助开发者快速掌握物联网全栈开发之道。