## 游历 JavaScript IoT 应用开发平台

文/郑晔

物联网（Internet of Things，简称  IoT）时代的脚步声已经越来越响亮，每个程序员都希望跟上时代的步伐，不为时代浪潮所淘汰。面对 IoT 这个纷争初起的领域，程序员们该何去何从？本文将带领诸位进行一次 IoT 应用开发平台的游历之旅，帮助大家了解该领域当今的发展状态，尤其是基于 JavaScript 的 IoT 应用开发平台，为各位搭车 IoT 奠定一些基础。

开启行程之前，我们先明确讨论范围，在行业里，谈到 IoT 开发平台，有人说的是云，如各大云厂商；有人说的是硬件端，如各家硬件厂商；在这里我们将讨论是，硬件端的开发平台，对于大多数软件开发人员而言，这是一个更加陌生的领域。

###  IoT 应用开发平台简介

在 IoT 应用开发领域中，大家熟知的开发平台主要有如下几类：

1. 嵌入式操作系统，包括 VxWorks、FreeRTOS、LiteOS 等；
2. 极客硬件平台，包括树莓派、Arduino 等；
3. JavaScript  IoT 应用开发平台，包括 Ruff、Tessel、JerryScript、Johnny-Five 等。

嵌入式操作系统，从功能的角度上来说，能够满足目前的绝大多数需求。但是：

1. 其入门门槛极高，开发者想要成为优秀的嵌入式开发工程师，需要学习大量软硬件知识。相较于软件行业，嵌入式领域的人才数量受到了限制。
2. 嵌入式领域在开发方法上已经大幅度落后于整个行业的发展。敏捷软件开发方法以及精益创业的理念，受到工具所限，在嵌入式领域极少得到应用，所以该领域在工程方法上发展缓慢。
3. 这些操作系统的编程概念通常属于专用领域，所以知识很难在行业中共享，开发者在行业中流动也相对困难，造成的结果是，嵌入式领域对于现代软件开发理念的理解也整体上落后于软件行业。

极客硬件平台，其初衷是降低开发门槛，让更多开发者得以进入到硬件开发领域中。但是：
1. 它只是在操作方面的入门难度上在努力，而开发真正困难的部分在编程概念。对于大多数软件开发者而言，难点在于硬件中的编程概念。各种各样的接口及参数，这是软件开发者难于理解和掌握的。
2. 更关键的因素是，这些平台只解决了原型开发的问题。开发者即便能够通过它实现了一个产品原型，也很难将它用到真正的产品中。应用到产品中，往往要重新设计硬件，这些平台的优势就荡然无存了。

二者最本质的复杂度在于其编程模型，对于软件开发者来说，GPIO、I²C 之类硬件接口完全是另一种语言，除了要了解接口的编程方法，还要针对每个硬件，阅读其数据手册，了解参数细节。

目前为止，诸位会想， IoT 行业对软件工程师简直犹如另一个世界，一点都不友好。是的，很多人都是这么想的，于是，有人想用更高级的语言改变这个世界，这其中最为活跃的便是 JavaScript 社区。

###  JavaScript IoT 应用开发平台

JavaScript   IoT 应用开发平台，其建设初衷是让开发者能够用 JavaScript 开发 IoT 应用，一方面可以更好地构建抽象，另一方面，可以将比较现代的开发方式引入到硬件研发中。 JavaScript IoT 应用开发平台目前主要分为几大类：

1. 在硬件上运行 JavaScript ，如 JerryScript、Espruino 等；
2. 提供硬件抽象能力，比如 Tessel、Johnny-Five、Cylon.js 等；
3. 面向生产的能力，如 Ruff。

#### 在硬件上运行 JavaScript 的平台
该类平台主要解决的问题是让硬件平台具有运行 JavaScript 程序的能力，主要是在资源受限的硬件上，比如 MCU（Microcontroller Unit，微控制器，又称单片机），你可以把 MCU 理解成内存很小的芯片，时至今日，谈及单片机，内存通常以 K 为单位。

**Espruino**

网站：<a href='https://www.espruino.com '>https://www.espruino.com</a>

Espruino 是将 JavaScript 与硬件开发连接起来的先驱，其设计目标就是能够在单片机上运行  JavaScript 。除了提供引擎之外，Espruino 还提供了一些访问底层设备的程序库，下面是一段代码示例：

```
function toggle() {
   on = !on;
   digitalWrite(LED1, on);
   digitalWrite(LED2, !on);
}
```
其中，digitalWrite 是 Espruino 提供的方法。由于出现的比较早，其程序与今天行业里的主流编程风格有一些差异，偏向于传统的 C 代码风格。

从架构上说，Espruino 做得也差强人意，它将解释器、程序库、底层系统混在了一起，移植起来有一定难度。

**JerryScript**

网站：<a href=' http://jerryscript.net'>http://jerryscript.net</a>

JerryScript 是三星打造的一款 JavaScript 引擎，它可以运行在 64K 的 MCU上，其相对比较年轻，对于 JavaScript 标准支持得比较好，能够完整支持ECMAScript 5.1。JerryScript 只是一个 JavaScript 引擎，而真正提供设备访问能力是 IoT .js。

**IoT .js**

网站：<a href='http:// IoT js.net/ '>http:// IoT js.net/</a>

 IoT .js 的本意是打造一个类似于 Node.js 的运行时，所以，它提供 Buffer、net、timer 等一些标准模块。当然，最主要的是它提供的设备访问能力，下面是一段示例代码：

```
var i2c = require('i2c');
var wire = new i2c(0x23, {device: '/dev/i2c-1'});
 
wire.scan(function(err, data) {
  ...
});
```

这段代码是一段访问 I²C 接口的代码，如果你不了解硬件接口，这段代码理解起来还是有些难度的。但不难看出，其代码风格已经接近于今天行业里的主流编程风格。

仅仅提供在硬件上运行的 JavaScript 能力是不够的，严格来说，其暴露的依旧是底层的编程接口，面临与传统硬件开发所面对的问题一致，即编程模型无法让软件开发者很好的理解。所以，提供硬件抽象，成为了 IoT 应用开发平台另一个重要的探索方向。

#### 提供硬件抽象的 JavaScript   IoT 应用开发平台
该类平台提供软件抽象能力，让更多的软件开发人员使用他们熟悉的语言进入到在 IoT 领域。有了硬件抽象，软件开发者面对不再是 GPIO、I²C 之类的底层接口，而变成了具有开关功能的 LED、能够监测按键按下松开的按钮。这是一个极大的进步，硬件世界的大门对软件开发人员打开了。

**Tessel**

网站：<a href='https://tessel.io '>https://tessel.io</a>

Tessel 是一个稳定的 IoT 和机器人开发平台，利用 Node.js 所有的程序库创建有用的设备。下面是一段示例代码，定期将声级上报到一个地方。

```
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 自身除了出品软件，也提供硬件开发板，不过，Tessel 程序也只能运行于 Tessel 开发板上。

**Johnny-Five**

网站：<a href='http://johnny-five.io '>http://johnny-five.io</a>

Johnny-Five 是一个 JavaScript 机器人和 IoT 平台，由 Bocoup 公司于2012年发布。下面这段示例代码，让 LED 定期闪烁：
```

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 不生产开发板，它的程序可以运行于多款开发板上，其缺省支持的是 Ardunio，如果需要其他开发板，可以在 Board 初始化的时候指定，比如下面这段代码就使用了 Edison 开发板。

```
var Edison = require("edison-io");
var board = new five.Board({
  io: new Edison()
});
```
**Cylon.js**

网站：<a href='https://cylonjs.com '>https://cylonjs.com</a>

Cylon.js 是一个为机器人、物理计算以及 IoT 而设计的 JavaScript 框架，其目的是让控制机器人和设备变得容易。下面这段示例代码让 LED 每秒闪烁一次：
```
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();
```
与 Johnny-Five 类似，Cylon.js 也是依赖于别人的开发板。

Tessel、Johnny-Five、Cylon.js 三者有着类似的努力方向，即提供软件抽象，这是很好的做法，也让许多软件开发人员看到了 IoT 的曙光。但是，其基础上的一些问题，决定了他们只能是作为开发者的玩具：

1. 在硬件上运行的能力，这几个平台实际上都是在电脑上运行，然后发送命令控制硬件，也就是用它们开发的应用，需要一个控制端。
2. 更重要的的是，其运行 JavaScript 的基础是 Node.js，这是一种用于电脑上的 JavaScript 运行时，它无法运行于一个资源受限的硬件上，而真实环境中，资源受限硬件才是行业主流。这意味着，这些框架即便未来希望做改造，难度也是很大的。
3. 这些平台虽然在代码级别提供了抽象，但仍然有许多硬件配置的内容，比如 pin、port 之类，对于软件开发人员而言，理解起来还是有门槛的。

由此可见，这些平台的现状只是解决了编程接口的抽象，并没有真正的实现软硬件的隔离。所以，有平台开始了进一步的探索，提供面向生产的能力。

#### 面向生产的 JavaScript   IoT 应用开发平台 
Ruff

网站：<a href='https://ruff.io '>https://ruff.io</a>

Ruff 是一个支持 JavaScript 应用开发的物联网操作系统，其目标是打造一个 IoT 版本的 Android。下面是一段 Ruff 示例代码，按下按键，点亮 LED，松开之后，灯熄灭。

```
'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();
});
```
这段代码已经没有任何与硬件配置相关的代码，完全是应用的逻辑。即只要提供不同的硬件配置，代码就可以运行在不同的硬件上。

事实上，Ruff 也确实做到了这点，它既可以支持像树莓派这样能够运行 Linux 系统的硬件上，也支持像 TM4C1924 这样的 MCU。做到跨硬件，需要从架构设计上有很好的支持，这也是 Ruff 的一大优势。

从 Ruff 提供的特性上看，其企图不止于将引入抽象，更试图将现代软件开发理念带入到 IoT 应用研发之中：

1. 彻底地分离硬件、系统与应用，使三者可以用不同的节奏发布，让 IoT 应用的迭代开发成为可能；
2. 设计测试框架，让开发者可以在开发机上测试应用逻辑，无需部署到真实硬件，大幅度节省了开发调试的时间，从而降低了开发成本；
3. 采用软件包的方式管理各种模块，尤其是驱动，使得模块得以在共享，知识得以流动；
4. 采用命令行的方式进行对相关内容进行管理，比如，板卡、外设驱动、系统升级等等，便于与第三方工具集成。

Ruff 正试图建立一个全新的 IoT 应用开发平台，所以，它支持的硬件数量相对前期发展时间比较长的平台来说，还是相当有限的。但其架构展现的扩展性是足够的，对于开发者而言入门门槛也足够低，如果有更多开发者进入，其未来发展是值得期待的。

### 衡量 IoT 应用开发平台

从前面一系列介绍，我们已经了解了许多 IoT 应用开发平台，尤其是基于 JavaScript 的 IoT 应用开发平台，作为开发者，我们该如何选择呢？我们不妨梳理出一个 IoT 应用平台的衡量标准，然后，根据实际场景自行选择。

#### 采用 JavaScript 语言
传统嵌入式开发采用 C/C++ 作为主流的程序设计语言，对于现代软件开发而言，这种做法存在一些问题：
1. 缺少自动化内存管理能力，普通程序员经常会犯一些低级错误，造成程序崩溃；
2. 缺少标准库，开发者浪费了大量的时间，在构建基础设施；
3. 缺少可移植标准，每次面对不同的硬件，都需要花费大量时间，让代码在新平台上运行起来；
4. 缺少包管理能力，不同的程序员会反复构建类似的代码，造成行业的浪费；
5. 对于测试缺少内建的支持，测试的编译运行会随着代码规模而不断增长，没有小步开发的基础。

JavaScript 作为行业里唯一一门全栈式开发语言，拥有着广泛的开发人员基础，随着 Node.js 的兴起，配套的基础设施也得到长足的进步，完全可以称之为一门合格的现代开发语言：
1. 支持 GC，开发者无需顾忌内存；
2. 支持面向对象和函数式编程等多种现代编程范式，开发者可以根据需要自行选择；
3. 程序可移植，底层差异由运行时屏蔽；
4. NPM 软件仓库，几十万个软件模块，开发者按需取用，无需重复造轮子；
5. 有多种测试框架，开发者可以很容易在开发环节中进行测试。

作为其他高级语言的开发者，你或许会有疑问，其他语言这些特性似乎也可以支持。还有如下几点让 JavaScript 脱颖而出：
1. 运行时，如 Python、Java 之类的语言，很少有能对 MCU 进行支持的运行时，这使得它们顶多能做到原型级别开发，而无法深入。
2. 流行程度，类似于 Lua 这种本身运行时很小的语言在嵌入式环境中也有应用，也确实有一些项目做到了，比如 NodeMCU，但 Lua 目前属小众语言，其前景取决于行业发展状况。

#### 设计硬件抽象
传统的嵌入式开发平台存在极高的门槛，一个非常重要的原因在于，其系统及应用是一体的，任何一个开发者都需要学习很多的知识，才能成为一个合格的嵌入式开发者。
引入硬件抽象，将实现系统与应用的分离，应用开发者会像使用普通的程序库一样操作硬件，而无需关注底层实现细节，这样可以更好地把注意力放在应用上。

硬件抽象也分为不同的级别：

1. 编程接口，让开发者使用软件抽象，屏蔽底层硬件接口，这是很多提供硬件抽象的平台几乎都能做到的。
2. 硬件配置，将硬件配置进行隔离，让开发者不必关注配置细节，面对做不到这点的平台，开发者还是要了解很多细节。

总的来说，硬件抽象也大幅度降低了门槛，软件开发者可以从应用的角度理解 IoT 应用，无需学习底层细节，从而让更多开发者得以进入到 IoT 研发领域中。从人数上说，软件开发者的数量远大于专攻硬件研发的开发者。降低门槛，将软件开发者引入到一个全新领域所带来的变化，我们已经在移动开发领域看过了一遍。有了好的 IoT 应用开发平台，相信同样的戏码会在 IoT 领域重演。

#### 面向生产
如果只是构建一个原型，其难度与构建一个真实的应用不可同日而语。软件开发者理解这一点并不困难。在 IoT 领域，问题是一样的。真实的 IoT 应用，会面对功耗、价格、性能等诸多问题，这也是在今天，计算资源极大丰富的情况下，在 IoT 领域依然对资源斤斤计较的原因，资源受限的硬件才会大行其道。无论如何，能够运行在资源受限的硬件上，是成为一个真正的 IoT 应用开发平台的前提。

在传统的嵌入式开发中，应用与硬件是紧密耦合在一起的，如果能够实现应用与硬件配置相分离，将带来极大的改变：

1. 应用开发者无需关注硬件如何配置，可以将更多的将注意力放在应用逻辑本身；
2. 硬件具体的配置方式可以在具体的部署时实施。
这样做还会带来一些额外的好处：
      - 应用与硬件配置分离，让应用的移植成为可能。应用在开发时可以不知道具体实施的硬件，只要在具体交付时，将应用部署在硬件上即可；
      - 二者的分离实现了研发与生产相分离，双方可以各自独立发展，由此可以实现更好地分工；
      - 分离让研发和生产可以采用不同的硬件，这会对研发流程带来一些改变，在研发期采用既有硬件进行测试，在完成需求验证之后，再根据情况生产实际的硬件；
      - 硬件、系统与应用将成为三个独立的概念，可以用不同的节奏发布，迭代开发成为可能。

### 总结
现如今， IoT 行业主流的开发方式依旧是采用传统的 C/C++ 进行嵌入式开发。但从行业发展的状况不难看出，这种方式已经阻碍了更多人才的进入，更进一步阻碍 IoT 的普及，工具的升级已经迫在眉睫。新近的 JavaScript   IoT 应用开发平台已经逐渐展现出其未来的发展前景，但是，所有的 JavaScript   IoT 应用开发平台都面临着一个问题：缺乏成熟的行业解决方案。从时间上来说，它们都处于早期，被行业选择和接收需要一个过程。但 IoT 要发展，工具要升级， JavaScript   IoT 应用平台是目前最有力的竞争者。

基于此，我们共同游历了当今的 IoT 应用开发平台，尤其是基于 JavaScript 的 IoT 应用开发平台。并了解了 IoT 应用平台的衡量标准，希望这些内容在大家进入 IoT 领域时，会有所帮助。

让我们共同迎接这曙光乍现的 IoT 时代吧！