隨 JavaScript 語言的流行，及物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的崛起，我們能看到它們結(jié)合的可能性，同時也發(fā)現(xiàn)它特別適合于物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)。因此，在這篇文章里，筆者將主要從以下三個方面進行介紹：

1. 典型的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，及多種語言帶來的問題；
2. 只使用 JavaScript 語言的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)；
3. 詳解基于 JavaScript 語言的物聯(lián)網(wǎng)不同層級結(jié)構(gòu)。

那么，先讓我們看看典型的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)是怎樣的吧。

典型的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

我們甚至還可以認為，物聯(lián)網(wǎng)只是對互聯(lián)網(wǎng)的擴展。與傳統(tǒng)的 C/S 架構(gòu)相比，它多了一個“數(shù)據(jù)采集層”，我們稱之為傳感器層、硬件層等。數(shù)據(jù)的產(chǎn)出不再只是用戶，還來自于各式各樣的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)不再局限于使用 HTTP 協(xié)議來傳輸數(shù)據(jù)，它還會使用 CoAP（受限制的應用協(xié)議）、MQTT（消息隊列遙測傳輸）協(xié)議。

物聯(lián)網(wǎng)的四個層級

當前的物聯(lián)網(wǎng)應用，所要做的就是控制和數(shù)據(jù)處理。指令，由用戶到終端一層一層往下下達，直到硬件端由設(shè)備去執(zhí)行。而數(shù)據(jù)，便是一層一層往上上報，直至被可視化。

因此，與互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)相比（如圖 1、圖 2 所示），起點與終點不一樣了：指令的終點與數(shù)據(jù)的起點，變成了硬件層，而非***的用戶層。

數(shù)據(jù)由客戶端 A 發(fā)送到服務端，客戶端 B 再從服務端獲取 A 的數(shù)據(jù)，如此便算是完成了一個回路。而物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)則稍微麻煩了一些，多了一個層級，便多了一個步驟。
硬件層上的微控制器通過直連的方式，采集各式各樣的數(shù)據(jù)，比如溫度、濕度等。而受限于微控制器的成本、環(huán)境條件等因素，它可能無法直接連接到互聯(lián)網(wǎng)。因此，需要連接到一些額外的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備才能實現(xiàn)。

而這些聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，會負責處理來自各個硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)，并將其上傳至服務器。同時，它會提供一個無線（如藍牙、紅外、ZigBee）接口作為數(shù)據(jù)的入口。因此，這一層級需要有更好的數(shù)據(jù)處理能力，并且它應該要可以快速開發(fā)。因為這些設(shè)備主要做的是協(xié)調(diào)工作，我們習慣于將其稱為“協(xié)調(diào)層”。

使用多種語言的物聯(lián)網(wǎng)

多年以前，筆者曾做過一個并不復雜的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)：

1. 使用 Python 里的 Django 作為 Web 服務框架，Django REST Framework 創(chuàng)建 RESTful API；
2. 為了使用手機作為控制器，還用 Java 寫一個 Android 應用；
3. 使用 Raspberry Pi 作為硬件端的協(xié)調(diào)層，用于連接網(wǎng)絡，并傳輸控制信號給硬件；
4. 在硬件端使用 Arduino 作為控制器，寫起代碼特別簡單；
5. 還使用了 ZigBee 模塊 XBee 及 I2C 作為連接不同 Arduino 模塊的介質(zhì)；
6. ***，還需在網(wǎng)頁上做一個圖表來顯示實時數(shù)據(jù)。

為此，我們需要使用 Python、Java、javascript、C、Arduino 五種語言。而如果我們要寫相應的 iOS 應用，還要用到 Objective-C。對于其他物聯(lián)網(wǎng)項目來說，也多是如此，這簡直是一場災難。

在做這樣的物聯(lián)網(wǎng)項目之前，我們需要找到六個不同類型的工程師：一個硬件工程師設(shè)計電路圖，一個懂硬件的嵌入式工程師，一個寫服務端應用的工程師，一個寫 Web 前端的工程師，以及對應的 Android 和 ios 工程師。

且不考慮系統(tǒng)本身的協(xié)作，要找到這么多的工程師就不是一件容易的事。而如果我們可以只使用一種語言，將大大地改善開發(fā)效率、開發(fā)人員的難題。JavaScript 語言下的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

JavaScript 語言在最近幾年里特別流行，它流行起來有很多個原因，如：

1. 使用 WebView 開發(fā) UI 效率更高，也因此使得 WebView 隨處可見；
2. 基于事件驅(qū)動的編程模型；
3. JavaScript 容易上手（這是優(yōu)點，也是缺點）；
4. 也因此，React、Unity 等框架提供了更多的可能性，可以讓開發(fā)者用 JavaScript 開發(fā)游戲、VR 應用等等。

那么，只使用 JavaScript，我們可以設(shè)計出怎樣的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)呢？

基于純 JavaScript 的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

如上所述，幾年前要想尋找一門能完成一個包含客戶端、服務端的系統(tǒng)的語言可謂相當?shù)乩щy。而隨著客戶端（瀏覽器、移動設(shè)備）性能的提升、Node.js 的出現(xiàn)，這樣的語言就浮現(xiàn)了出來，即 JavaScript。它不僅可以讓我們只用一門語言來降低開發(fā)成本，還能實現(xiàn)快速地開發(fā)出這樣的一個系統(tǒng)。那么，剩下的問題就是，在不同的層級，如何選用合適的框架來實現(xiàn)快速開發(fā)。

如圖 3 所示，我們可以看到不同層級的可選用 JavaScript 方案。在此之中，有些純粹只是為了證明 JavaScript 是可行的；有一些則可以在開發(fā)效率與運行速率上達到***的平衡。選用這些方案，可以讓我們實現(xiàn)更快速的 JavaScript 物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)。

服務層

對于服務層來說，自主開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)服務端，主要采用的是基于 node.js 的方案。然而，我們發(fā)現(xiàn)有越來越多的應用，在使用 Serverless 的架構(gòu)，不僅可以快速推出一個可用的原型，未來也能夠輕松地基于這個原型來添加業(yè)務功能。

圖 4 便是我們看到的物聯(lián)網(wǎng)服務層的三種方案：

1. 自主開發(fā)：即遵循傳統(tǒng)的服務端開發(fā)模式，定義自己所需要的功能；
2. 使用云服務：直接使用成熟的物聯(lián)網(wǎng)云服務，它們在云端集成了各種所需要的功能；
3. Serverless：Server 可以看作是在云服務之上的自主開發(fā)，集兩者之便利。
   每一種方案都有各自的特點，也適合于不同開發(fā)能力的項目。但如果要實現(xiàn)快速的開發(fā)，那么理想的方式便是采用 Serverless 架構(gòu)模式。

自主開發(fā)

出于不同的原因，諸如保密、安全、可擴展、核心技術(shù)等原因，一定規(guī)模的公司會采用自主開發(fā)的方式。這種開發(fā)方式與 Web 應用開發(fā)方式并沒有太大區(qū)別，都是在數(shù)據(jù)進行 CRUD 操作。并且和前后端分離架構(gòu)一樣，使用 API 作為接口，同時再加上支持不同的傳輸協(xié)議，如 MQTT、CoAP 等。

如筆者之前在 GitHub 上開源的 Lan（https://github.com/phodal/lan），便是一個精簡的物聯(lián)網(wǎng)服務端示例。基于 Node.js 與 MongoDB，其架構(gòu)如圖 5 所示。

1. 采用傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來存儲用戶信息；
2. 采用 NoSQL 可以應對不同的傳感器數(shù)據(jù)；
3. 提供 UI 界面供管理人員管理用戶；
4. 在協(xié)議上提供 HTTP、CoAP、MQTT、WebSocket 等的支持，方便不同的類型適配。

除此，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在存儲上，采用 NoSQL 作為存儲介質(zhì)會有更大的優(yōu)勢。一般來說，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都是寫入遠遠多于讀取的場景。與此同時，由于設(shè)備的種類繁多，不可能為每一類設(shè)備創(chuàng)建表；或者考慮到大量設(shè)備的特性，來建立一個通用的表，但在未來這樣的表可能仍不適用。

因此，對于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)來說，選用諸如 mongodb 這一類的 NoSQL 數(shù)據(jù)庫，有這么一些優(yōu)點：

1. 靈活性。采用非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)模型，可以存儲和處理任何結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)；
2. 支持水平擴展。NoSQL 數(shù)據(jù)庫的分布式存儲架構(gòu)，帶來了優(yōu)秀的水平擴展性；
3. 實時數(shù)據(jù)分析。如 MongoDB 可以通過豐富的索引和查詢支持，包括二次、地理空間和文本搜索索引，聚合框架和本地 MapReduce，可以針對傳感器數(shù)據(jù)就地運行報告分析。

然而，這樣的系統(tǒng)不免存在研發(fā)周期長的問題。如果需要快速驗證，那么應該考慮使用云服務來完成部分功能。

物聯(lián)網(wǎng)云服務

對于硬件團隊來說，直接使用云服務是一種更簡單、快速的搭建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的方法。而使用物聯(lián)網(wǎng)云服務，就意味著：我們可以直接上硬件層的傳感器數(shù)據(jù)，并在應用層獲取、分析這些數(shù)據(jù)。這一類的服務，比較成熟的有 AWS IoT Things（如圖 6 所示）、Azure IoT 等。

基于 AWS IoT Things，我們只需要在云端，定義好對應的數(shù)據(jù)處理規(guī)則，便可以在硬件端直接對接服務。不過值得注意的是，單一的云服務無法提供復雜的功能，這個時候就需要一些搭配額外的服務。

Serverless

Serverless 架構(gòu)（如圖 7 所示）是云服務的一種，但是它在可編程與云服務之間做了一個折中。它是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)理念，應用邏輯并非全部在服務端實現(xiàn)，而是采用 FaaS（Function as a Service）架構(gòu)，通過功能組合來實現(xiàn)應用程序邏輯。

從理論上來講，這些服務提供的是一層 API 封裝，它不會限制我們所使用的語言。使用 Serverless 服務，我們可以具備更好的快速開發(fā)能力，并且能使用同一種語言（JavaScript）來完成編程。

在這個過程中，開發(fā)者要所做的便是：在不同的服務之間傳輸數(shù)據(jù)，每一次都只處理下一個服務所需要的數(shù)據(jù)，類似于 Pipe and Filters 架構(gòu)模式。如一個典型的物聯(lián)網(wǎng)應用的數(shù)據(jù)傳輸過程中是這樣的：

1. 對設(shè)備進行鑒權(quán)；
2. 轉(zhuǎn)換、存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)；
3. 廣播通知其他監(jiān)聽此設(shè)備數(shù)據(jù)的服務；
4. 后臺查詢數(shù)據(jù)；
5. 分析數(shù)據(jù)（AI）；
6. 可視化數(shù)據(jù)。

只需要少量的編程，我們就可以完成服務端的開發(fā)。隨后，專注于硬件層的開發(fā)，以及應用層的業(yè)務功能。

應用層

在應用層方面，已經(jīng)有大量的地方使用到了 JavaScript。除了傳統(tǒng)的桌面瀏覽器，還有更多的領(lǐng)域也可以用 JavaScript 來開發(fā)。比如移動應用，已經(jīng)有基于 Cordova + WebView 的成熟方案，還有近兩三年流行起來的 React Native，都可以讓開發(fā)者使用 JavaScript 完成物聯(lián)網(wǎng)移動應用的開發(fā)。又如微信小程序，可以直接用藍牙來連接硬件設(shè)備，也是使用 JavaScript 來編程。

因此，就目前的 Web 趨勢來看，在應用層，JavaScript 將是快速開始的主流選擇。
在日常中的應用中，我們可以發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的應用層，經(jīng)常作為協(xié)調(diào)裝置來連接硬件，并上傳應用的數(shù)據(jù)。諸如共享單車、智能手環(huán)應用等，它們既通過藍牙來獲取數(shù)據(jù)，又上傳數(shù)據(jù)到服務端。與此同時，有相當多的應用是運行在桌面客戶端上的。故而在這一層級的應用，可謂是種類繁多。

今天，開發(fā)人員在做移動端的技術(shù)選型時，都會優(yōu)先考慮到跨平臺能力（android、iOS）。而在這些跨平臺框架里，混合應用框架 Cordova（WebView）和 react Native 是使用最為廣泛的兩個框架，且它們都是使用 JavaScript 作為核心開發(fā)語言。

Cordova 是使用 WebView 來渲染頁面的。因此與 Reavt Native 相比，使用 Cordova 的***優(yōu)勢是，可以復用已有的 Web 前端應用的邏輯，并且有大量的圖表工具可以直接使用——這一點在物聯(lián)網(wǎng)應用中特別重要。而在混合應用框架中，Ionic 是這個領(lǐng)域使用最多的 UI 框架。

React Native 使用原生組件來渲染 UI 組件，不僅可以解決 Cordova 飽受詬病的性能問題；同時，它還能嵌入 WebView，解決一些復雜的圖表顯示問題。

但是如果只能藍牙的交互，可以考慮 PWA 或微信小程序。運行在 Chrome 瀏覽器上的 PWA 應用，可以直接使用 Web Devices API，如 Bluetooth、NFC、USB，即在瀏覽器上直接調(diào)用原生接口，并實現(xiàn)對設(shè)備的控制。而諸如最近一年內(nèi)流行的微信小程序，則也可以訪問藍牙、GPS、羅盤、加速度計等硬件接口，同時用戶不存在安裝成本，打開即用。

另外，諸如 Electron、NW.js 這樣的框架，可以讓開發(fā)者直接使用 WebView + Node.js 模塊開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)桌面應用。它可以加速 UI 界面的開發(fā)，并輕松地美化 UI 界面。

硬件層

在硬件層上，就當前而言，Arduino 是最合適的原型開發(fā)硬件，除此還有自帶 Wi-Fi 的 ESP8266 開發(fā)板。盡管使用 JavaScript 的開發(fā)板數(shù)量較少，也沒有 Arduino 這樣的成熟生態(tài)，但是未來可期。在嵌入式領(lǐng)域，使用 JavaScript 編寫的代碼，具有移植性強、事件驅(qū)動、天生支持異步等特點。

令人遺憾的是，為了保持上面提到的那些 JavaScript 特性，當前的 JavaScript 開發(fā)板都需要處理性能比較高的處理器，這也導致了此類開發(fā)板在生產(chǎn)上存在較高的成本。不過，好在多數(shù)使用 JavaScript 作為開發(fā)語言的設(shè)備，都具有網(wǎng)絡功能連接到互聯(lián)網(wǎng)，直接作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用。

就目前而言，這一類的設(shè)備有 Tessel、Espruino、Ruff 等等，它們的處理器性能都相當不錯，價格也相對較高一些。但是，它們可以直接使用 JavaScript，能為軟件開發(fā)工程師屏蔽底層相關(guān)細節(jié)，及事件驅(qū)動、異步特性，帶來更好的開發(fā)體驗。
幸運的是，Samsung 公司推出的開源物網(wǎng)框架 IoT.js，只需要 64KB RAM、200 KB ROM。在未來，或許它能解決一些制造成本上的問題。

協(xié)調(diào)層

當我們的硬件層不能直接聯(lián)網(wǎng)時，協(xié)調(diào)層就可以完成這樣的功能。作為一個協(xié)調(diào)層的設(shè)備，它應該能與一定數(shù)量的微控制器連接，接收它們的數(shù)據(jù)，并上傳到服務端；又能與服務端通訊，獲取一些控制指令，并將這些指令準時地發(fā)送給不同的控制器。所以，它需要有更好的處理能力、更多的 RAM、ROM 等等。因此，在這一層級使用 JavaScript 便不存在成本問題。我們只需要使用和服務端、應用層相似的知識，就可以快速地連接設(shè)備到網(wǎng)絡中心。還能直接在本地的 Linux 機器上編寫代碼，并無縫地運行在設(shè)備上。

這一類應用，依賴于 Node.js 引擎來實現(xiàn)快速開發(fā)。它可以運行在帶有嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)板上，如流行的 Raspberry Pi、OpenWRT 路由器等。

我們只需要一個運行嵌入式 linux 系統(tǒng)的開發(fā)板，就可以完成這樣的工作。與此同時，主流的 ARM 開發(fā)板都提供相應的 Linux 移植，因此在這個層級，我們也只需要關(guān)注于業(yè)務的實現(xiàn)。

小結(jié)

如上所述，物聯(lián)網(wǎng)應用的架構(gòu)與 Web 應用的架構(gòu)區(qū)別并不是太大，只是在這上面做一系列的演進。除了上面提到的一系列快速實踐框架，當前在 Web 開發(fā)中流行的一些開發(fā)思想，勢必也會引導到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中：

1. 微服務化；
2. DevOps；
3. 容器化。

物聯(lián)網(wǎng)會吸引互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)秀開發(fā)思想，并演進出更優(yōu)秀的架構(gòu)。