基于 JavaScript 语言的快速物联网开发架构
随 JavaScript 语言的流行，及物联网领域的崛起，我们能看到它们结合的可能性，同时也发现它特别适合于物联网开发。因此，在这篇文章里，笔者将主要从以下三个方面进行介绍：
- 典型的物联网架构，及多种语言带来的问题；
- 只使用 JavaScript 语言的物联网架构；
- 详解基于 JavaScript 语言的物联网不同层级结构。
那么，先让我们看看典型的物联网架构是怎样的吧。
典型的物联网架构
我们甚至还可以认为，物联网只是对互联网的扩展。与传统的 C/S 架构相比，它多了一个“数据采集层”，我们称之为传感器层、硬件层等。数据的产出不再只是用户，还来自于各式各样的联网设备。物联网不再局限于使用 HTTP 协议来传输数据，它还会使用 CoAP（受限制的应用协议）、MQTT（消息队列遥测传输）协议。
物联网的四个层级
当前的物联网应用，所要做的就是控制和数据处理。指令，由用户到终端一层一层往下下达，直到硬件端由设备去执行。而数据，便是一层一层往上上报，直至被可视化。
因此，与互联网的架构相比（如图 1、图 2 所示），起点与终点不一样了：指令的终点与数据的起点，变成了硬件层，而非最后的用户层。
数据由客户端 A 发送到服务端，客户端 B 再从服务端获取 A 的数据，如此便算是完成了一个回路。而物联网架构则稍微麻烦了一些，多了一个层级，便多了一个步骤。
硬件层上的微控制器通过直连的方式，采集各式各样的数据，比如温度、湿度等。而受限于微控制器的成本、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联网设备才能实现。
而这些联网设备，会负责处理来自各个硬件设备的数据，并将其上传至服务器。同时，它会提供一个无线（如蓝牙、红外、ZigBee）接口作为数据的入口。因此，这一层级需要有更好的数据处理能力，并且它应该要可以快速开发。因为这些设备主要做的是协调工作，我们习惯于将其称为“协调层”。
使用多种语言的物联网
多年以前，笔者曾做过一个并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；
- 为了使用手机作为控制器，还用 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；
- 在硬件端使用 Arduino 作为控制器，写起代码特别简单；
- 还使用了 ZigBee 模块 XBee 及 I2C 作为连接不同 Arduino 模块的介质；
- 最后，还需在网页上做一个图表来显示实时数据。
为此，我们需要使用 Python、Java、JavaScript、C、Arduino 五种语言。而如果我们要写相应的 iOS 应用，还要用到 Objective-C。对于其他物联网项目来说，也多是如此，这简直是一场灾难。
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，一个懂硬件的嵌入式工程师，一个写服务端应用的工程师，一个写 Web 前端的工程师，以及对应的 Android 和 iOS 工程师。
且不考虑系统本身的协作，要找到这么多的工程师就不是一件容易的事。而如果我们可以只使用一种语言，将大大地改善开发效率、开发人员的难题。
JavaScript 语言下的物联网架构
JavaScript 语言在最近几年里特别流行，它流行起来有很多个原因，如：
- 使用 WebView 开发 UI 效率更高，也因此使得 WebView 随处可见；
- 基于事件驱动的编程模型；
- JavaScript 容易上手（这是优点，也是缺点）；
- 也因此，React、Unity 等框架提供了更多的可能性，可以让开发者用 JavaScript 开发游戏、VR 应用等等。
那么，只使用 JavaScript，我们可以设计出怎样的物联网系统呢？
基于纯 JavaScript 的物联网架构
如上所述，几年前要想寻找一门能完成一个包含客户端、服务端的系统的语言可谓相当地困难。而随着客户端（浏览器、移动设备）性能的提升、Node.js 的出现，这样的语言就浮现了出来，即 JavaScript。它不仅可以让我们只用一门语言来降低开发成本，还能实现快速地开发出这样的一个系统。那么，剩下的问题就是，在不同的层级，如何选用合适的框架来实现快速开发。
如图 3 所示，我们可以看到不同层级的可选用 JavaScript 方案。在此之中，有些纯粹只是为了证明 JavaScript 是可行的；有一些则可以在开发效率与运行速率上达到最好的平衡。选用这些方案，可以让我们实现更快速的 JavaScript 物联网应用开发。
服务层
对于服务层来说，自主开发的物联网服务端，主要采用的是基于 Node.js 的方案。然而，我们发现有越来越多的应用，在使用 Serverless 的架构，不仅可以快速推出一个可用的原型，未来也能够轻松地基于这个原型来添加业务功能。
图 4 便是我们看到的物联网服务层的三种方案：
- 自主开发：即遵循传统的服务端开发模式，定义自己所需要的功能；
- 使用云服务：直接使用成熟的物联网云服务，它们在云端集成了各种所需要的功能；
- Serverless：Server 可以看作是在云服务之上的自主开发，集两者之便利。
每一种方案都有各自的特点，也适合于不同开发能力的项目。但如果要实现快速的开发，那么理想的方式便是采用 Serverless 架构模式。
自主开发
出于不同的原因，诸如保密、安全、可扩展、核心技术等原因，一定规模的公司会采用自主开发的方式。这种开发方式与 Web 应用开发方式并没有太大区别，都是在数据进行 CRUD 操作。并且和前后端分离架构一样，使用 API 作为接口，同时再加上支持不同的传输协议，如 MQTT、CoAP 等。
如笔者之前在 GitHub 上开源的 Lan（https://github.com/phodal/lan），便是一个精简的物联网服务端示例。基于 Node.js 与 MongoDB，其架构如图 5 所示。
- 采用传统的关系型数据库来存储用户信息；
- 采用 NoSQL 可以应对不同的传感器数据；
- 提供 UI 界面供管理人员管理用户；
- 在协议上提供 HTTP、CoAP、MQTT、WebSocket 等的支持，方便不同的类型适配。
除此，物联网系统在存储上，采用 NoSQL 作为存储介质会有更大的优势。一般来说，物联网系统的数据都是写入远远多于读取的场景。与此同时，由于设备的种类繁多，不可能为每一类设备创建表；或者考虑到大量设备的特性，来建立一个通用的表，但在未来这样的表可能仍不适用。
因此，对于物联网数据来说，选用诸如 MongoDB 这一类的 NoSQL 数据库，有这么一些优点：
- 灵活性。采用非结构化的数据模型，可以存储和处理任何结构的数据；
- 支持水平扩展。NoSQL 数据库的分布式存储架构，带来了优秀的水平扩展性；
- 实时数据分析。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。
物联网云服务
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。
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。
Serverless
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。
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。
应用层
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。
硬件层
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。
协调层
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。
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。
小结
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，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》。
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