从芯片到云端 Python物联网全栈开发经验教训共享

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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