使用开源硬件快速开发 IoT 应用

通信

课程链接：
【创客学院组合套餐】《LoRa无线通信开发实战》+《esp8266智能家居项目实战开发》
http://url.elecfans.com/u/f7bc391d25

物联网 (IoT) 的发展给设备硬件设计到云应用软件的各个领域带来了重大挑战。与此同时，开源硬件和配套的云开发软件为快速开发高级 IoT 应用提供了极具吸引力的平台。随着 BeagleBone Green Wireless 套件和相关的 Amazon 网络服务 (AWS) IoT 软件开发套件 (SDK) 的上市，开发人员可以充分利用 BeagleBone 生态系统，同时在领先的云服务环境中部署 IoT 应用。
要想抓住物联网带来的新兴机遇，开发人员必须精通从硬件设计到高级应用软件开发的复杂开发过程。当前正值行业的竞争机制和协议优胜劣汰之际，Amazon 等行业领军企业已经迅速建立起开发和部署 IoT 应用的综合性平台。
然而，设计者面临的第一个挑战是找到多种硬件要求的平衡点，包括成功的 IoT 解决方案所要求的功耗、无线电性能和系统总体性能等。除了这些基础硬件问题之外，由于设计者在学习新生的 IoT 云平台软件技术方面也面临学习周期过长的困难局面，因此公司的 IoT 项目陷入了更加举步维艰的境地。
对于着眼于部署 IoT 应用的公司来说，选择设备设计与选择云服务供应商同等重要。不论基础数据的质量如何，糟糕的 IoT 设备设计都会影响驱动应用所需的 IoT 数据，而功能不全的云解决方案则会影响应用自身的稳健性和性能。同样不容忽视的是，如果由于 IoT 设备或云服务实施的开发支持不得力，导致上市时间发生任何延迟，都有可能让本可大获成功的产品发布胎死腹中。因此，将硬件与云软件支持相结合的开发平台日益成为 IoT 开发取得成功的重要因素。
IoT 平台
在可用的 IoT 开发套件中，BeagleBone Green Wireless (BBGW) 板为那些希望快速构建能够充分利用当前和新兴的 IoT 平台的设计者们提供了一种卓越的解决方案。 BBGW 板基于 Texas Instruments Sitara 处理器，为创造低功耗、高性能的 IoT 设备提供了综合性解决方案。设计者可基于 BBGW 快速构建产品，使用可用的附加组件快速增强产品功能，甚至为此开源硬件板扩展自定义功能。
BBGW 板为 IoT 开发人员提供的优势不止于此。 Texas Instruments 和 Amazon 网络服务 (AWS) 已达成合作，共同开发集成式解决方案，简化与基于该板构建的 AWS IoT 系统的连接。该解决方案推出后便备受瞩目，因为 IoT 应用开发人员都希望其产品能够与市场领先的云服务一同被推介。
虽然云服务供应商的选择往往取决于多种技术和业务因素，但 AWS 凭借在地域和服务覆盖广度上的双重优势，一跃成为众多着眼部署 IoT 应用的公司的首选方案。事实上，AWS 的市场份额甚至超过了其他几家最接近的竞争对手的总和（图 1）。

图 1： Amazon 网络服务 (AWS) 继续保持云服务供应商的主导地位，其市场份额超过了其他几家最接近的竞争对手的总和。（图片来源： Synergy Research Group）
开发平台
基于 BeagleBone Black 的开源硬件设计，BBGW 成为 BeagleBoard.org 社区开发的第一款包含无线连接且同时支持 Wi-Fi 和低功耗蓝牙 (BLE) 的电路板。 BBGW 通过 Texas Instruments 兼容单频 (2.45 GHz) Wi-Fi (IEEE 802.11b/g/n) 和蓝牙 4.1 且具备双天线支持的组合模块 WiLink 8 提供该连接。该电路板结合了无线模块与 Texas Instruments AM3358 Sitara 处理器、512 MB DDR3 RAM、四个 USB 2.0 主机端口和两个 Grove 插座。
ti AM3358 专为高性能应用处理而设计，完美地组合了 1 GHz ARM Cortex-A8 处理器、3D 图形加速器、浮点加速器和一组多样化的片载外设。此外，该器件的可编程实时单元子系统和工业通信子系统 (PRU-ICSS) 还集成了两个专门用于处理 I/O 事件的 PRU 32 位微控制器。 PRU-ICSS 旨在提高实施快速实时响应的灵活性，可满足 IoT 设备工作严苛的性能需求，包括支持专门的数据处理操作和自定义外设接口，以及分担器件的 Cortex-A8 主机内核的外设处理任务。
在系统层面，此款电路板的 Grove 插座提供了快速添加其他硬件的机制（图 2）。开发人员可直接插入标准化的传感器模块，例如 Seeed Technology 的 101020192 大气压力传感器、105020012 陀螺仪或 101020212 温度和湿度传感器，而不是插入试验板传感器或构建自定义电路。与 Grove 外设的交互非常简单，只需加载相关的支持库并在相关的 GPIO 引脚读取或写入 Grove 外设值即可（列表 1）。

图 2：BBGW 的 Grove 接口提供了简单易行的方法添加传感器和其他外设。此图显示了如何轻松添加 Grove 兼容型按钮。（图片来源： Seeed Technology）
/*
Get input form Grove-button and print its current state one time in a second
*/

// Load Grove module
var groveSensor = require('jsupm_grove');

// Create the button object using GPIO pin 60
var button = new groveSensor.GroveButton(60);

// Read the input and print, waiting one second between readings
function readButtonValue() {
console.log(button.name() + " value is " + button.value());
}
setInterval(readButtonValue, 1000);
列表 1：将 Grove 外设插入 BeagleBone Green Wireless 之后，开发人员可使用相关的软件模块读取、写入或控制外设。此示例读取 Grove 按钮的状态并直接在 JavaScript 控制台写入该值。（代码来源： Seeed Technology）
云连接
综合 TI AM3358 的性能与开源硬件 BBGW 的可扩展性，可提供高效的 IoT 开发硬件平台。 TI 和 AWS 已就云服务开展合作，双方将通过 AWS IoT 设备软件开发套件 (SDK) 的自定义端口，在 BeagleBone Green 系列的服务器端 Javascript (node.js) 中提供预先集成的 AWS IoT 连接。
AWS IoT 设备 SDK 可通过多种开源库语言绑定进行访问，并支持开发人员轻松地将各种标准硬件设备与 AWS IoT 平台自身相连接。 AWS IoT 将 AWS 用于松散连接应用的基于消息的方法扩展到了 IoT，提供包含基于云的应用和服务的松散连接硬件设备机制（图 3）。

图 3： AWS IoT 平台在基于消息的 AWS 架构之上构建，提供用于维护每个物理设备的虚拟“影子”的专用服务。这样，即使在实际设备离线时，该平台仍能提供设备数据。（图片来源： Amazon 网络服务）
在 AWS IoT 中，消息代理、规则引擎、设备网关和安全／识别等服务提供的是整个 AWS 云服务架构的通用服务的 IoT 专用版本。但在 IoT 中，AWS IoT 消息代理可支持 MQTT 通讯。 MQTT 为设备、应用和服务提供基于标准 (ISO/IEC PRF 20922) 的轻型化机制，以便与其他设备、应用或云服务交换数据。此“发布／订阅”模式可作为云端 IoT 外设和应用中松散耦合设备的基本机制。在 AWS 模式中，设备会订阅“主题”（消息队列服务），并以 JSON 格式将数据发布到主题。
创建连接非常简单： TI/AWS SDK 提供打包标准 mqtt.js node.js 包的设备类，以确保安全连接到 AWS IoT 平台。除了公开底层 mqtt.js 接口之外，此设备类还提供了用于简化间歇性连接处理的功能。这些功能包括渐进式退避重试、连接时自动重新订阅以及队列离线发布。如以下列表 2 所示，在实例化“device”实例之后，设备可轻松订阅某个 AWS“主题”(topic_1)，然后将数据 (test_data) 以 JSON 格式发布至另一个 AWS 主题 (topic_2)。反过来，该设备可接收消息并运行其有效载荷（或者如列表所示，仅显示消息）。
var awsIot = require('aws-iot-device-sdk');

//
// Replace the values of '' and ''
// with a unique client identifier and the AWS region you created your
// certificate in (e.g. 'us-east-1'). NOTE: client identifiers must be
// unique within your AWS account; if a client attempts to connect with a
// client identifier which is already in use, the existing connection will
// be terminated.
//
var device = awsIot.device({
keyPath: ,
certPath: ,
caPath: ,
clientId: ,
region:
});

//
// Device is an instance returned by mqtt.Client(), see mqtt.js for full
// documentation.
//
device
.on('connect', function() {
console.log('connect');

device.subscribe('topic_1');

device.publish('topic_2', JSON.stringify({ test_data: 1}));

});

device
.on('message', function(topic, payload) {
console.log('message', topic, payload.toString());
});
列表 2：在软件层面，将 IoT 设备连接到应用只需要订阅命名消息队列（即“主题”），并将设备数据以 JSON 格式发布至相应的目标主题（请参见突出显示的代码部分）。（代码来源： Amazon 网络服务）
AWS IoT SDK 中许多服务的功能与 AWS 服务系列中的企业级服务非常相似。但在 IoT 中，AWS IoT 提供了可“屏蔽”物理设备的专用服务。这一屏蔽机制确保即使 IoT 设备自身被物理移除或在功能上已断开网络连接，AWS IoT 仍能发送这些设备所提供的最新数据。
在 AWS IoT 架构中，每个设备或“物件”都具备存储和检索状态信息的物件影子 (Thing Shadow)。应用可请求获取物件的当前状态信息。影子通过提供包含状态信息的 JSON 文件来响应请求。反过来，应用可通过请求更改物件状态来控制物件。影子接受更改状态请求，更新其状态信息，并发送消息表明状态信息已更新。与此同时，实际物理“物件”收到消息，更改其状态，然后报告其新状态。因此，IoT 设备会持续显示在线状态 — 即使对应的物理设备离线时也能读取或更新设备状态。
在 BBGW 的 node.js SDK 中，“thingShadow”类通过 AWS IoT API 实现了访问物件影子的额外功能；设备可利用“thingShadow”类来更新 AWS IoT 中的物件影子的状态，接收其状态更改通知，或者获取其当前状态。远程设备可通过此方法在 AWS IoT 中更新其物件影子，例如，确保用户能够通过移动应用查看设备最新报告的状态。用户也可在 AWS IoT 中更新设备的物件影子，而远程设备将会同步新状态。
如列表 3 中的代码片段所示，影子的实现和使用非常简单。与“device”实例相似，在物件注册表 (Thing Registry) 中注册的“thingShadows”实例可接收更新并在显示屏上显示更改后的状态，或者供其他对象方法酌情使用。
var awsIot = require('aws-iot-device-sdk');

//
// Replace the values of '' and ''
// with a unique client identifier and the AWS region you created your
// certificate in (e.g. 'us-east-1'). NOTE: client identifiers must be
// unique within your AWS account; if a client attempts to connect with a
// client identifier which is already in use, the existing connection will
// be terminated.
//
var thingShadows = awsIot.thingShadow({
keyPath: ,
certPath: ,
caPath: ,
clientId: ,
region:
});

//
// Client token value returned from thingShadows.update() operation
//
var clientTokenUpdate;

//
// Simulated device values
//
var rval = 187;
var gval = 114;
var bval = 222;

thingShadows.on('connect', function() {
//
// After connecting to the AWS IoT platform, register interest in the
// Thing Shadow named 'RGBLedLamp'.
//
thingShadows.register( 'RGBLedLamp' );
//
.
.
.
//
// Thing shadow state
//
var rgbLedLampState = {"state":{"desired":{"red":rval,"green":gval,"blue":bval}}};

clientTokenUpdate = thingShadows.update('RGBLedLamp', rgbLedLampState );
.
.
.
列表 3：创建物件的影子实例 (awsIot.thingShadow) 并注册该影子 (thingShadows.register) 之后，云应用可更新该影子 (thingShadows.update)，对应的物理“物件”也会得到相应的更新。反过来，云应用也可通过影子来更改物件状态。（代码来源： Amazon 网络服务）
结论
从头开始实施 IoT 应用可能要求广泛深入地掌握功能特性，增加开发的复杂度，并影响紧张的交付排程。另一方面，开源 BBGW 及其自定义的 AWS IoT SDK 端口则提供了快速开发高级 IoT 应用的有效平台。通过结合使用 IoT 设备设计硬件和 AWS 云应用开发服务，开发人员能够快速实施复杂的 IoT 应用。这些应用将能充分利用高级云服务最新提供的先进的 IoT 数据处理能力和分析功能。