智能家居的軟硬件架構(gòu)技術(shù)詳細(xì)分析

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能家居領(lǐng)域越來越火，成為互聯(lián)網(wǎng)巨頭及家電大佬們爭(zhēng)相深耕的“肥沃土壤”，本文主要是針對(duì)智能家居的軟硬件架構(gòu)技術(shù)做詳細(xì)分析。

　　HOW-想清楚要做哪些事情

　　以一款智能插座為例，我講的主題就是這個(gè)插座該怎么樣來生產(chǎn)、怎么樣來研發(fā)。第一步，我們先要把它分解。插座有很多結(jié)構(gòu)件，比如五金件這些東西，所以我們要搭建一個(gè)團(tuán)隊(duì)，包括做工業(yè)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的人，硬件工程師、電子類工程師、軟件的工程師，以及生活端的，甚至是運(yùn)營和銷售的。如下圖所示。

　　我們從傳統(tǒng)的一個(gè)設(shè)備到智能設(shè)備轉(zhuǎn)變的過程中，這一個(gè)東西非常重要，即WiFi模塊。這個(gè)地方?jīng)Q定了這個(gè)設(shè)備到底能不能跟我們的App進(jìn)行交互以及交互的效率如何。

　　大家可以看一下我們大概要做的事情，包括元器件選型、原理圖、結(jié)構(gòu)、工業(yè)設(shè)計(jì)、PCBA、打手板、開模，這些東西完成的話代表著傳統(tǒng)的部分完成了，這里不再贅述。比較重要的是智能設(shè)備要怎樣實(shí)現(xiàn)通訊。現(xiàn)在ZigBee、WiFi、Z-Wave、BLE，這四種用得比較普遍，還有433、315等設(shè)備。谷歌也有一套協(xié)議，但是應(yīng)用得稍微少一點(diǎn)。我今天主要是從WiFi設(shè)備方面來講，看到底一個(gè)WiFi設(shè)備到底要怎么樣來做。

　　WiFi聯(lián)網(wǎng)的難題

　　WiFi設(shè)備面臨一個(gè)很大的難題，比如說我做一個(gè)智能的水杯、一個(gè)智能的插座，這個(gè)水杯和插座是沒有交互界面的。但是我們必須解決一個(gè)問題，即這個(gè)設(shè)備一定要聯(lián)網(wǎng)，要連路由器。大家想到最直接的辦法是手機(jī)連路由器，打開手機(jī)的設(shè)置，進(jìn)入WiFi列表，然后再輸入密碼。但是智能硬件里面沒有辦法進(jìn)行操作，這就是要面臨的第一個(gè)難題了，所以很多人內(nèi)心是非常憂傷的。

　　這里介紹幾種給WiFi設(shè)備配置的方法。第一種是AP，AP是最傳統(tǒng)的方式，在AP里面主要是讓智能設(shè)備首先進(jìn)入AP模式里面，這樣能夠共享一個(gè)熱點(diǎn)出來。我們的手機(jī)直接連到這個(gè)設(shè)備里面，然后再把路由器的SSID推送給那個(gè)設(shè)備，那個(gè)設(shè)備可以在線連路由器。這里面AP有一個(gè)很麻煩的事情，就是它的交互特別復(fù)雜，特別是在iOS手機(jī)里面不允許手機(jī)的App直接調(diào)用WiFi的設(shè)置或是直接切換過去，我們可能要先退出后臺(tái)，然后切換到蘋果的那一套設(shè)置里面，設(shè)置好了之后又要切換回來，這樣特別麻煩。所以在演進(jìn)過程中就進(jìn)入了WPS。

　　WPS解決了第一步的問題，可以在路由器里面有一個(gè)按鍵，智能設(shè)備里面也有一個(gè)按鍵，可以根據(jù)WPS的協(xié)議交換它的密鑰。但是這里面有一個(gè)很大的問題，WPS需要進(jìn)行專門的認(rèn)證，而且現(xiàn)在支持的路由器非常少，所以用WPS技術(shù)來做的話可能會(huì)比較差一點(diǎn)。

　　再接下來又出了一個(gè)SmartConfig，這一款應(yīng)用非常多，因?yàn)樗浅：?jiǎn)單，直接在手機(jī)上面向路由器發(fā)送SSID和密鑰，這個(gè)芯片再去抓路由器的包，抓到這個(gè)包之后再解密，解密出來之后就知道了路由器的SSID和密鑰，然后就可以去連。在這個(gè)基礎(chǔ)上微信也出了airkiss和另外的Smartlink，也這個(gè)原理。

　　接下來又出現(xiàn)了光配置，屏幕按照一定的亮變把信息傳輸過去，但是這個(gè)應(yīng)用比較少一點(diǎn)，問題也比較多。

　　再接下來是聲波配置，AA付款和面對(duì)面收款里面就用到這個(gè)技術(shù)。

　　總體來說，AP和第三個(gè)稍微比較好一點(diǎn)，但是我們?cè)趯?shí)際產(chǎn)品應(yīng)用里面也會(huì)發(fā)現(xiàn)，這一類技術(shù)面臨很多問題，就是對(duì)路由器的一些芯片、兼容性都會(huì)有比較高得要求。我們以前出現(xiàn)很多這樣的例子，測(cè)試的時(shí)候拿了幾十款、上百種路由器測(cè)得沒有問題，到了用戶家里，那一款路由器我們沒有測(cè)試過，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不行，這是一方面的限制。為了解決這種限制，后面又改成了不抓路由器的包，就抓手機(jī)發(fā)出來的包。抓手機(jī)發(fā)出來的包之后又帶來更大的問題，正常手機(jī)的包是OK的，沒有那么多兼容性的問題。去年iOS包出來的之后，蘋果的iPhone6會(huì)有一個(gè)問題，連上WiFi離開一段時(shí)間再回來WiFi就會(huì)丟失了，這時(shí)候不重啟手機(jī)就永遠(yuǎn)連不上WiFi了。蘋果為了解決這個(gè)問題又更新部件，然后對(duì)這個(gè)又沒有用了，又抓不了包了，所以對(duì)傳統(tǒng)應(yīng)有還是有限制。還有一些跟技術(shù)沒有關(guān)系的限制，比如說現(xiàn)在比較好一點(diǎn)的路由器是支持2.5G和4G的?，F(xiàn)在我們使用的模塊都是只有2.4G的，如果手機(jī)是雙頻、路由器是雙頻的默認(rèn)是是5G。所以我們又回到最原始的AP模式來，因?yàn)槲覀儾挥酶脩艚忉屇敲炊鄸|西，也沒有很多兼容性的問題。

　　軟件架構(gòu)的選擇

　　這是一個(gè)軟件架構(gòu)要怎么樣選擇的問題，就是我們現(xiàn)在智能設(shè)備聯(lián)網(wǎng)最基本的需求是什么。我們來看一下這個(gè)圖，智能設(shè)備聯(lián)網(wǎng)之后要實(shí)現(xiàn)跟手機(jī)APP的交互，一方面APP如果要去控制它，它必須能夠接收到APP發(fā)過來的控制信號(hào)。另一方面，如果直接在上面按，按完了之后這里面的狀態(tài)要能夠反饋到APP里面來。所以，我們?cè)谧黾夹g(shù)選型的時(shí)候，最基本要實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)需求。

　　控制命令的上傳和下發(fā)的問題，這里面決定了到底我們?cè)趺磥砑軜?gòu)的問題。這是我昨天提出的問題，就是為了解釋剛剛提出的需求。比如說我在QQ上發(fā)布信息說插座開一下燈，然后它說已經(jīng)開了。我問它是什么狀態(tài)，然后它告訴我它已經(jīng)關(guān)了。我們要對(duì)智能設(shè)備進(jìn)行控制，這里面基本的需求一個(gè)是數(shù)據(jù)，我要把想要的數(shù)據(jù)控制命令發(fā)給它，控制了之后又發(fā)回給我，這個(gè)做的事情其實(shí)就是IM的事情。我們做服務(wù)器端的架構(gòu)的時(shí)候，最初考慮的方案就是選擇了IM的方案。

　　物聯(lián)網(wǎng)跟互聯(lián)網(wǎng)實(shí)際上看起來有很大的差異，真正我們?cè)谧龅臅r(shí)候還是殊途同歸，我們還是都選擇了IM的方案。

　　看一下最簡(jiǎn)單的IM架構(gòu)，這里面要保持長連接，接下來做一些業(yè)務(wù)處理，下面是存儲(chǔ)，如果App要去控制Device的時(shí)候，發(fā)到業(yè)務(wù)層處理完了之后，這里面有一個(gè)推送的，可以找到Device到底連了哪一臺(tái)機(jī)，然后再把數(shù)據(jù)推送過來。如果Device自己的狀態(tài)發(fā)生變化，它的數(shù)據(jù)要推送給APP，基本上是這樣的工作流。如果App是黑莓等設(shè)備的，我們可能要專門推送到APNS里面來。

　　接下來我們還需要一個(gè)好的通信協(xié)議，現(xiàn)在很多通信協(xié)議是XMPP，很多社交軟件都個(gè)在用，因?yàn)樗_源做得比較好。MQTT是專門用來做物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議。另外，PROTOBUF是谷歌的，這三個(gè)比較的話，MQTT和PROTOBUF是最適合做物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的，因?yàn)檫@兩個(gè)協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)量利用率非常高，不會(huì)帶來額外的開銷的。

　　快速構(gòu)建云服務(wù)

　　再回到上圖，如果我們要做這樣一個(gè)系統(tǒng)，為了要簡(jiǎn)單快速的出這樣一個(gè)產(chǎn)品，要利用很多開源的組件，比如說負(fù)載均衡這里，傳統(tǒng)的里面是比較難做的，我們用的比較多硬件負(fù)載均衡是F5或者是淘寶的LVS，我認(rèn)為LVS對(duì)于目前做硬件的來說肯定是夠的。再下面ConnectServer現(xiàn)在也有很現(xiàn)成的開源技術(shù)，如果采用XMPP協(xié)議的話可能要用F5，像很多也完完全全做好了，如果在TTP這一層優(yōu)化比較好，做到八十到一百萬長連接也沒有問題，而且會(huì)特別簡(jiǎn)單。像很多軌道函數(shù)都寫的非常好，我們都不用關(guān)心怎么管理這些線程質(zhì)量、怎么管理連接，只要在上面寫我們的業(yè)務(wù)代碼就行了。另外，我們這里面要做集群，我們有很多服務(wù)的時(shí)候直接在上面注冊(cè)，后面調(diào)用的時(shí)候不用關(guān)心今天多了一臺(tái)機(jī)器、明天少了一臺(tái)機(jī)器以及這個(gè)機(jī)器的ID是什么。另外，服務(wù)要遠(yuǎn)程交易，我們要考慮IPC框架，像淘寶和Facebook的一些，都是開源領(lǐng)域利用的非常好的。

　　我們肯定還要用到很多緩存，緩存方面我們用的比較多的。如果我們對(duì)開源的框架用得比較好，簡(jiǎn)單的這個(gè)系統(tǒng)很快就可以完成了，不需要我們寫很多東西，只需要在上面寫業(yè)務(wù)代碼就能夠直接做好了。

　　這里面就是剛剛說到的，如果你用Netty，只要在這里面寫業(yè)務(wù)代碼，當(dāng)你接收到數(shù)據(jù)的時(shí)候這里面應(yīng)該怎么做，包括這里面出了異常的時(shí)候要怎么做。如果選用Netty還要考慮到一個(gè)情況，高并發(fā)的時(shí)候需要對(duì)數(shù)據(jù)包做拆包的事情。我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)這里接收到的數(shù)據(jù)并不是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)，比如說我們發(fā)了大概2K左右的數(shù)據(jù)，它給到你的可能只有很少。如果這里面不完整，把組包放進(jìn)來就可以了。具體的拆包、組包也提供了編碼性和解碼性，最重要的是在這個(gè)函數(shù)里面寫你的業(yè)務(wù)代碼。

　　嵌入式開發(fā)

　　我們要在設(shè)備端也實(shí)現(xiàn)接入，還要考慮嵌入式的開發(fā)。嵌入式也有一個(gè)問題，我們的設(shè)備都是需要成本的，不像寫服務(wù)代碼一樣，服務(wù)器資源非常多，給到你很好的服務(wù)器可以用。在嵌入式方面，我們必須用最低的成本、最少的資源做最多的事情。每一個(gè)產(chǎn)品研發(fā)出來，第一代選用的芯片可能比較好一點(diǎn)，第二代為了這個(gè)產(chǎn)品能夠賣得更好，可能會(huì)做更改，對(duì)我們來說可用的資源更多。通常我們用單片機(jī)，我們比較常用FreeRTOS，它沒有TCPP協(xié)議的。做嵌入式開發(fā)的時(shí)候我們還會(huì)遇到更多的問題，像LWIP之類的，寫這個(gè)協(xié)議站的人可能并沒有用到很多產(chǎn)品，所以里面還是殘留了很多BUG。這里面舉了兩個(gè)非常明顯而且一定會(huì)遇到的問題，一個(gè)是TIME_WAIT，還有一個(gè)是CLOSE_WAIT，如果對(duì)方?jīng)]有按照正常流程關(guān)閉，假如說我們的APP直接刷了，可能就會(huì)產(chǎn)生這個(gè)CLOSE_WAIT，它一直在那里等，我們可能只開放十多個(gè)端口接入，如果一直在等待，可能它就認(rèn)為這個(gè)請(qǐng)求還是正常的，就不會(huì)把它釋放出來。等我們給它分配的端口滿了之后，下一個(gè)請(qǐng)求就再也接不進(jìn)來了。一般有三次握手，如果斷開了標(biāo)志著有四次握手，我們發(fā)現(xiàn)它沒有按照正常的四次握手，導(dǎo)致斷開的時(shí)候少發(fā)了一些命令，所以就一直在等待，等待的時(shí)候數(shù)據(jù)怎么發(fā)也發(fā)不出來了。

　　還有我們經(jīng)?？赡軙?huì)遇到一些問題，比如說這里面可用的只有10幾K、64K，我們要在上面寫代碼，如果寫了多線程，又是單核的CPU，這里面用的時(shí)間長了會(huì)產(chǎn)生很多的內(nèi)存碎片。當(dāng)內(nèi)存碎片產(chǎn)生了之后，多線程再申請(qǐng)內(nèi)存做其他事情的時(shí)候，比如說有一個(gè)線程需要申請(qǐng)的資源比較大的時(shí)候會(huì)申請(qǐng)不到，就會(huì)一直在那里等，就會(huì)發(fā)現(xiàn)是怎么回事，這個(gè)地方本來十幾毫秒就可以處理完的，可能等了一秒鐘或者兩秒鐘甚至?xí)r間更長時(shí)間才能處理，這就是時(shí)間用了長了之后產(chǎn)生了內(nèi)存碎片。我們回收內(nèi)存也做不了，所以經(jīng)常要做被動(dòng)的事情，要軟重啟一下，所有的線程再重新跑起來。

　　事情是否已經(jīng)結(jié)束

　　回到接下來的一個(gè)問題，我們按照剛才的思路，我們把樣品做好了，模塊也開發(fā)好了，APP也做好了，是不是所有事情都完成了呢?舉個(gè)例子，某手機(jī)廠商說要做“東半球最好的手機(jī)”，這等于是他的情懷，為什么呢?做硬件和軟件非常大的區(qū)別是，純互聯(lián)網(wǎng)的硬件把程序代碼寫好就可以使用了，但是硬件來說的話還會(huì)涉及到很多生產(chǎn)工藝，還要做一些認(rèn)證。比如說像我們的插座，我們要經(jīng)過3C認(rèn)證等等，如果過不了這個(gè)東西就不能賣。像這個(gè)手機(jī)當(dāng)時(shí)出了一個(gè)問題，它那個(gè)表面的玻璃像普通的安卓手機(jī)一樣，下面開了幾個(gè)孔，蘋果只開了五個(gè)孔，它開了三個(gè)孔，在生產(chǎn)里面要求的工藝非常高，開三個(gè)孔的情況下可能真正的良品率只能達(dá)到30%、40%，大部分開孔的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致這個(gè)玻璃碎了。像這種情況下，我們會(huì)把一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的非常好，認(rèn)為這個(gè)東西非常漂亮、工藝非常好，但實(shí)際上也要考慮我們的生產(chǎn)能不能做。

　　我們現(xiàn)在做出來一個(gè)整體的架構(gòu)，上面是一些產(chǎn)品，下面是模塊這里面是為了解決家里面的很多設(shè)備，所以有一個(gè)ZigBee的網(wǎng)關(guān)，通過網(wǎng)關(guān)再來連接。

　　這是我們的一個(gè)系統(tǒng)構(gòu)架，比較復(fù)雜一點(diǎn)，因?yàn)檫@里面整個(gè)系統(tǒng)涉及到的業(yè)務(wù)特別多，它的產(chǎn)品也特別多。這里面接入的時(shí)候，其實(shí)整體上來說也都差不多，一個(gè)是設(shè)備層的接入，還有一些業(yè)務(wù)層，里面做了一些報(bào)表、數(shù)據(jù)分析，還有一些OTA，可能還有一塊沒有畫出來，就是我們?cè)谧錾虡I(yè)智能的時(shí)候?qū)嶋H上是剛剛那位朋友問了一個(gè)問題，就是我們有沒有嘗試做一些更加智能的分析之類的，實(shí)際上我們?cè)诟鶕?jù)用戶的需求在梳理一些模型，我們希望這些數(shù)據(jù)能夠幫我們分析用戶現(xiàn)在是在做什么。一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，當(dāng)某一個(gè)開關(guān)，可能是它每天晚上一點(diǎn)鐘都會(huì)亮一下，亮一兩分鐘又滅了，這可能意味著那個(gè)用戶有一個(gè)生物鐘，因?yàn)樯镧姇r(shí)間非常準(zhǔn)，他每天都是這個(gè)時(shí)間點(diǎn)做這個(gè)動(dòng)作，比如說上廁所之類的，這個(gè)時(shí)候非常需要把房間的燈打開，包括走廊的燈、洗手間的燈都要打開。我們把這個(gè)事件分析出來，到了這個(gè)時(shí)間點(diǎn)之后就不用摸黑按這個(gè)開關(guān)了，我們會(huì)把這個(gè)幾個(gè)開關(guān)打開，這就是他的路線。如果要能夠做的更細(xì)致化一點(diǎn)的化，我們還會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果我們?cè)谒X的時(shí)候突然之間醒過來，然后燈亮了，實(shí)際上是非常刺眼、非常難受的事情，我們?cè)诖蜷_燈的時(shí)候，是不是把燈的亮度只調(diào)出一點(diǎn)點(diǎn)，有一點(diǎn)微弱的光，不會(huì)刺眼，又有足夠的亮度可以照明，讓他走過去。這是我們做的更深層次的分析。