遊歷 JavaScript IoT 應用開發平臺
物聯網（Internet of Things，簡稱IoT）時代的腳步聲已經越來越響亮，每個程式設計師都希望跟上時代的步伐，不為時代浪潮所淘汰。面對IoT這個紛爭初起的領域，程式設計師們該何去何從？本文將帶領諸位進行一次IoT應用開發平臺的遊歷之旅，幫助大家瞭解該領域當今的發展狀態，尤其是基於JavaScript的IoT應用開發平臺，為各位搭車IoT奠定一些基礎。
開啟行程之前，我們先明確討論範圍，在行業裡，談到IoT開發平臺，有人說的是雲，如各大雲廠商；有人說的是硬體端，如各家硬體廠商；在這裡我們將討論是，硬體端的開發平臺，對於大多數軟體開發人員而言，這是一個更加陌生的領域。
IoT應用開發平臺簡介
在IoT應用開發領域中，大家熟知的開發平臺主要有如下幾類：
- 嵌入式作業系統，包括VxWorks、FreeRTOS、LiteOS等；
- 極客硬體平臺，包括樹莓派、Arduino等；
- JavaScript IoT應用開發平臺，包括Ruff、Tessel、JerryScript、Johnny-Five等。
嵌入式作業系統，從功能的角度上來說，能夠滿足目前的絕大多數需求。但是：
- 其入門門檻極高，開發者想要成為優秀的嵌入式開發工程師，需要學習大量軟硬體知識。相較於軟體行業，嵌入式領域的人才數量受到了限制。
- 嵌入式領域在開發方法上已經大幅度落後於整個行業的發展。敏捷軟體開發方法以及精益創業的理念，受到工具所限，在嵌入式領域極少得到應用，所以該領域在工程方法上發展緩慢。
- 這些作業系統的程式設計概念通常屬於專用領域，所以知識很難在行業中共享，開發者在行業中流動也相對困難，造成的結果是，嵌入式領域對於現代軟體開發理念的理解也整體上落後於軟體行業。
極客硬體平臺，其初衷是降低開發門檻，讓更多開發者得以進入到硬體開發領域中。但是：
- 它只是在操作方面的入門難度上在努力，而開發真正困難的部分在程式設計概念。對於大多數軟體開發者而言，難點在於硬體中的程式設計概念。各種各樣的介面及引數，這是軟體開發者難於理解和掌握的。
- 更關鍵的因素是，這些平臺只解決了原型開發的問題。開發者即便能夠通過它實現了一個產品原型，也很難將它用到真正的產品中。應用到產品中，往往要重新設計硬體，這些平臺的優勢就蕩然無存了。
二者最本質的複雜度在於其程式設計模型，對於軟體開發者來說，GPIO、I2C之類硬體介面完全是另一種語言，除了要了解介面的程式設計方法，還要針對每個硬體，閱讀其資料手冊，瞭解引數細節。
目前為止，諸位會想，IoT行業對軟體工程師簡直猶如另一個世界，一點都不友好。是的，很多人都是這麼想的，於是，有人想用更高階的語言改變這個世界，這其中最為活躍的便是JavaScript社群。
JavaScript IoT應用開發平臺
JavaScript IoT應用開發平臺，其建設初衷是讓開發者能夠用JavaScript開發IoT應用，一方面可以更好地構建抽象，另一方面，可以將比較現代的開發方式引入到硬體研發中。JavaScript IoT應用開發平臺目前主要分為幾大類：
- 在硬體上執行JavaScript，如JerryScript、Espruino等；
- 提供硬體抽象能力，比如Tessel、Johnny-Five、Cylon.js等；
- 面向生產的能力，如Ruff。
在硬體上執行JavaScript的平臺
該類平臺主要解決的問題是讓硬體平臺具有執行JavaScript程式的能力，主要是在資源受限的硬體上，比如MCU（Microcontroller Unit，微控制器，又稱微控制器），你可以把MCU理解成記憶體很小的晶片，時至今日，談及微控制器，記憶體通常以K為單位。
Espruino
Espruino是將JavaScript與硬體開發連線起來的先驅，其設計目標就是能夠在微控制器上執行 JavaScript。除了提供引擎之外，Espruino還提供了一些訪問底層裝置的程式庫，下面是一段程式碼示例：
function toggle() {
on = !on;
digitalWrite(LED1, on);
digitalWrite(LED2, !on);
}其中，digitalWrite是Espruino提供的方法。由於出現的比較早，其程式與今天行業裡的主流程式設計風格有一些差異，偏向於傳統的C程式碼風格。
從架構上說，Espruino做得也差強人意，它將直譯器、程式庫、底層系統混在了一起，移植起來有一定難度。
JerryScript
JerryScript是三星打造的一款JavaScript引擎，它可以執行在64K的MCU上，其相對比較年輕，對於JavaScript標準支援得比較好，能夠完整支援ECMAScript 5.1。JerryScript只是一個JavaScript引擎，而真正提供裝置訪問能力是IoT.js。
IoT.js
IoT.js的本意是打造一個類似於Node.js的執行時，所以，它提供Buffer、net、timer等一些標準模組。當然，最主要的是它提供的裝置訪問能力，下面是一段示例程式碼：
var i2c = require('i2c');
var wire = new i2c(0x23, {device: '/dev/i2c-1'});
wire.scan(function(err, data) {
...
});這段程式碼是一段訪問I2C介面的程式碼，如果你不瞭解硬體介面，這段程式碼理解起來還是有些難度的。但不難看出，其程式碼風格已經接近於今天行業裡的主流程式設計風格。
僅僅提供在硬體上執行的JavaScript能力是不夠的，嚴格來說，其暴露的依舊是底層的程式設計介面，面臨與傳統硬體開發所面對的問題一致，即程式設計模型無法讓軟體開發者很好的理解。所以，提供硬體抽象，成為了IoT應用開發平臺另一個重要的探索方向。
提供硬體抽象的JavaScript IoT應用開發平臺
該類平臺提供軟體抽象能力，讓更多的軟體開發人員使用他們熟悉的語言進入到在IoT領域。有了硬體抽象，軟體開發者面對不再是GPIO、I2C之類的底層介面，而變成了具有開關功能的LED、能夠監測按鍵按下鬆開的按鈕。這是一個極大的進步，硬體世界的大門對軟體開發人員打開了。
Tessel
Tessel是一個穩定的IoT和機器人開發平臺，利用Node.js所有的程式庫建立有用的裝置。下面是一段示例程式碼，定期將聲級上報到一個地方。
var tessel = require('tessel');
var ambientlib = require('ambient-attx4');
var WebSocket = require('ws');
var ambient = ambientlib.use(tessel.port['A']);
var ws = new WebSocket('ws://awesome-app.com/ambient');
ws.on('open', function () {
setInterval(function () {
ambient.getSoundLevel(function(err, sdata) {
if (err) throw err;
sdata.pipe(ws);
})
}, 500);
});Tessel自身除了出品軟體，也提供硬體開發板，不過，Tessel程式也只能運行於Tessel開發板上。
Johnny-Five
Johnny-Five是一個JavaScript機器人和IoT平臺，由Bocoup公司於2012年釋出。下面這段示例程式碼，讓LED定期閃爍：
var five = require("johnny-five");
var board = new five.Board();
board.on("ready", function() {
var led = new five.Led(13);
led.blink(500);
});Johnny-Five不生產開發板，它的程式可以運行於多款開發板上，其預設支援的是Ardunio，如果需要其他開發板，可以在Board初始化的時候指定，比如下面這段程式碼就使用了Edison開發板。
var Edison = require("edison-io");
var board = new five.Board({
io: new Edison()
});Cylon.js
Cylon.js是一個為機器人、物理計算以及IoT而設計的JavaScript框架，其目的是讓控制機器人和裝置變得容易。下面這段示例程式碼讓LED每秒閃爍一次：
var Cylon = require("cylon");
Cylon.robot({
connections: {
arduino: { adaptor: 'firmata', port: '/dev/ttyACM0' }
},
devices: {
led: { driver: 'led', pin: 13 }
},
work: function(my) {
every((1).second(), function() {
my.led.toggle();
});
}
}).start();與Johnny-Five類似，Cylon.js也是依賴於別人的開發板。
Tessel、Johnny-Five、Cylon.js三者有著類似的努力方向，即提供軟體抽象，這是很好的做法，也讓許多軟體開發人員看到了IoT的曙光。但是，其基礎上的一些問題，決定了他們只能是作為開發者的玩具：
- 在硬體上執行的能力，這幾個平臺實際上都是在電腦上執行，然後傳送命令控制硬體，也就是用它們開發的應用，需要一個控制端。
- 更重要的的是，其執行JavaScript的基礎是Node.js，這是一種用於電腦上的JavaScript執行時，它無法運行於一個資源受限的硬體上，而真實環境中，資源受限硬體才是行業主流。這意味著，這些框架即便未來希望做改造，難度也是很大的。
- 這些平臺雖然在程式碼級別提供了抽象，但仍然有許多硬體配置的內容，比如pin、port之類，對於軟體開發人員而言，理解起來還是有門檻的。
由此可見，這些平臺的現狀只是解決了程式設計介面的抽象，並沒有真正的實現軟硬體的隔離。所以，有平臺開始了進一步的探索，提供面向生產的能力。
面向生產的JavaScript IoT應用開發平臺
該類平臺可以理解成將前面兩種型別的能力綜合在一起，並進一步改進：既能在資源受限的硬體上執行，又提供在硬體抽象，將硬體相關內容進一步抽象，將軟硬體進一步分離。
Ruff
Ruff是一個支援JavaScript應用開發的物聯網作業系統，其目標是打造一個IoT版本的Android。下面是一段Ruff示例程式碼，按下按鍵，點亮LED，鬆開之後，燈熄滅。
'use strict';
$.ready(function(error) {
if (error) {
console.log(error);
return;
}
$('#button').on('push', function () {
$('#led-r').turnOn();
});
$('#button').on('release', function () {
$('#led-r').turnOff();
});
});
$.end(function() {
$('#led-r').turnOff();
});這段程式碼已經沒有任何與硬體配置相關的程式碼，完全是應用的邏輯。即只要提供不同的硬體配置，程式碼就可以執行在不同的硬體上。
事實上，Ruff也確實做到了這點，它既可以支援像樹莓派這樣能夠執行Linux系統的硬體上，也支援像TM4C1924這樣的MCU。做到跨硬體，需要從架構設計上有很好的支援，這也是Ruff的一大優勢。
從Ruff提供的特性上看，其企圖不止於將引入抽象，更試圖將現代軟體開發理念帶入到IoT應用研發之中：
- 徹底地分離硬體、系統與應用，使三者可以用不同的節奏釋出，讓IoT應用的迭代開發成為可能；
- 設計測試框架，讓開發者可以在開發機上測試應用邏輯，無需部署到真實硬體，大幅度節省了開發除錯的時間，從而降低了開發成本；
- 採用軟體包的方式管理各種模組，尤其是驅動，使得模組得以在共享，知識得以流動；
- 採用命令列的方式進行對相關內容進行管理，比如，板卡、外設驅動、系統升級等等，便於與第三方工具整合。
Ruff正試圖建立一個全新的IoT應用開發平臺，所以，它支援的硬體數量相對前期發展時間比較長的平臺來說，還是相當有限的。但其架構展現的擴充套件性是足夠的，對於開發者而言入門門檻也足夠低，如果有更多開發者進入，其未來發展是值得期待的。
衡量IoT應用開發平臺
從前面一系列介紹，我們已經瞭解了許多IoT應用開發平臺，尤其是基於JavaScript的IoT應用開發平臺，作為開發者，我們該如何選擇呢？我們不妨梳理出一個IoT應用平臺的衡量標準，然後，根據實際場景自行選擇。
採用JavaScript語言
傳統嵌入式開發採用C/C++作為主流的程式設計語言，對於現代軟體開發而言，這種做法存在一些問題：
- 缺少自動化記憶體管理能力，普通程式設計師經常會犯一些低階錯誤，造成程式崩潰；
- 缺少標準庫，開發者浪費了大量的時間，在構建基礎設施；
- 缺少可移植標準，每次面對不同的硬體，都需要花費大量時間，讓程式碼在新平臺上執行起來；
- 缺少包管理能力，不同的程式設計師會反覆構建類似的程式碼，造成行業的浪費；
- 對於測試缺少內建的支援，測試的編譯執行會隨著程式碼規模而不斷增長，沒有小步開發的基礎。
JavaScript作為行業裡唯一一門全棧式開發語言，擁有著廣泛的開發人員基礎，隨著Node.js的興起，配套的基礎設施也得到長足的進步，完全可以稱之為一門合格的現代開發語言：
- 支援GC，開發者無需顧忌記憶體；
- 支援面向物件和函數語言程式設計等多種現代程式設計正規化，開發者可以根據需要自行選擇；
- 程式可移植，底層差異由執行時遮蔽；
- NPM軟體倉庫，幾十萬個軟體模組，開發者按需取用，無需重複造輪子；
- 有多種測試框架，開發者可以很容易在開發環節中進行測試。
作為其他高階語言的開發者，你或許會有疑問，其他語言這些特性似乎也可以支援。還有如下幾點讓JavaScript脫穎而出：
- 執行時，如Python、Java之類的語言，很少有能對MCU進行支援的執行時，這使得它們頂多能做到原型級別開發，而無法深入。
- 流行程度，類似於Lua這種本身執行時很小的語言在嵌入式環境中也有應用，也確實有一些專案做到了，比如NodeMCU，但Lua目前屬小眾語言，其前景取決於行業發展狀況。
設計硬體抽象
傳統的嵌入式開發平臺存在極高的門檻，一個非常重要的原因在於，其系統及應用是一體的，任何一個開發者都需要學習很多的知識，才能成為一個合格的嵌入式開發者。
引入硬體抽象，將實現系統與應用的分離，應用開發者會像使用普通的程式庫一樣操作硬體，而無需關注底層實現細節，這樣可以更好地把注意力放在應用上。
硬體抽象也分為不同的級別：
- 程式設計介面，讓開發者使用軟體抽象，遮蔽底層硬體介面，這是很多提供硬體抽象的平臺幾乎都能做到的。
- 硬體配置，將硬體配置進行隔離，讓開發者不必關注配置細節，面對做不到這點的平臺，開發者還是要了解很多細節。
總的來說，硬體抽象也大幅度降低了門檻，軟體開發者可以從應用的角度理解IoT應用，無需學習底層細節，從而讓更多開發者得以進入到IoT研發領域中。從人數上說，軟體開發者的數量遠大於專攻硬體研發的開發者。降低門檻，將軟體開發者引入到一個全新領域所帶來的變化，我們已經在移動開發領域看過了一遍。有了好的IoT應用開發平臺，相信同樣的戲碼會在IoT領域重演。
面向生產
如果只是構建一個原型，其難度與構建一個真實的應用不可同日而語。軟體開發者理解這一點並不困難。在IoT領域，問題是一樣的。真實的IoT應用，會面對功耗、價格、效能等諸多問題，這也是在今天，計算資源極大豐富的情況下，在IoT領域依然對資源斤斤計較的原因，資源受限的硬體才會大行其道。無論如何，能夠執行在資源受限的硬體上，是成為一個真正的IoT應用開發平臺的前提。
在傳統的嵌入式開發中，應用與硬體是緊密耦合在一起的，如果能夠實現應用與硬體配置相分離，將帶來極大的改變：
- 應用開發者無需關注硬體如何配置，可以將更多的將注意力放在應用邏輯本身；
- 硬體具體的配置方式可以在具體的部署時實施。
這樣做還會帶來一些額外的好處：
- 應用與硬體配置分離，讓應用的移植成為可能。應用在開發時可以不知道具體實施的硬體，只要在具體交付時，將應用部署在硬體上即可；
- 二者的分離實現了研發與生產相分離，雙方可以各自獨立發展，由此可以實現更好地分工；
- 分離讓研發和生產可以採用不同的硬體，這會對研發流程帶來一些改變，在研發期採用既有硬體進行測試，在完成需求驗證之後，再根據情況生產實際的硬體；
- 硬體、系統與應用將成為三個獨立的概念，可以用不同的節奏釋出，迭代開發成為可能。
總結
現如今，IoT行業主流的開發方式依舊是採用傳統的C/C++進行嵌入式開發。但從行業發展的狀況不難看出，這種方式已經阻礙了更多人才的進入，更進一步阻礙IoT的普及，工具的升級已經迫在眉睫。新近的JavaScript IoT應用開發平臺已經逐漸展現出其未來的發展前景，但是，所有的JavaScript IoT應用開發平臺都面臨著一個問題：缺乏成熟的行業解決方案。從時間上來說，它們都處於早期，被行業選擇和接收需要一個過程。但IoT要發展，工具要升級，JavaScript IoT應用平臺是目前最有力的競爭者。
基於此，我們共同遊歷了當今的IoT應用開發平臺，尤其是基於JavaScript的IoT應用開發平臺。並瞭解了IoT應用平臺的衡量標準，希望這些內容在大家進入IoT領域時，會有所幫助。
讓我們共同迎接這曙光乍現的IoT時代吧！
當移動紅利時代結束，人才需求接近飽和的同時，感測技術、雲端計算、大資料、人工智慧的日益成熟，並與智慧家居、智慧城市相融合，將我們帶入了真正智慧化的物聯網時代。那麼，作為開發者的我們，又該如何順勢而為？為此，CSDN 從易於上手、高效的“物聯網全棧開發”著手，集結一線專家，幫助開發者快速掌握物聯網全棧開發之道。其中鄭曄老師從 IoT 平臺的演化開始，對比常見的 IoT 應用開發平臺，並結合例項進行實踐檢驗。
作者：鄭曄，Ruff CTO，Oracle Duke 選擇獎獲獎作品 Moco 創始人，目前投身於硬體開發領域，致力於簡化硬體應用的開發方式。對敏捷軟體開發、軟體設計、領域特定語言等方面有著深刻理解。
責編：屠敏，歡迎技術投稿、約稿、給文章糾錯，請傳送郵件至[email protected]。
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