物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用原型開發(fā)的快速解決方案

在物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用中，用戶將能夠即時訪問有關(guān)健康、環(huán)境和機(jī)器的詳細(xì)信息。但是，對于開發(fā)人員而言，物聯(lián)網(wǎng)提出了眾多要求，涉及到多個專業(yè)，包括無線傳感器設(shè)計、安全通信和基于云的軟件開發(fā)。

隨著需求的快速變化和新機(jī)會的不斷出現(xiàn)，開發(fā)人員面臨的挑戰(zhàn)更加嚴(yán)峻，用于將概念轉(zhuǎn)化為實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的時間越來越短。

本文將討論物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計。本文還將闡述 Renesas 物聯(lián)網(wǎng)沙箱和 Renesas Synergy S3A7 物聯(lián)網(wǎng)快速原型開發(fā)套件組成的全面的平臺如何幫助設(shè)計人員避免漫長的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)過程。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用要求

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用向設(shè)計人員提出了極其多樣化的苛刻要求。與傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)計或后端軟件系統(tǒng)不同，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要涵蓋各個系統(tǒng)和服務(wù)的復(fù)雜層級結(jié)構(gòu)的專業(yè)知識（圖 1）。

圖 1： 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是基于復(fù)雜層級架構(gòu)來構(gòu)建的，這種架構(gòu)是將從多個可信來源獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有意義信息所必需的。然后，這些信息可以直接提供給用戶，或者在企業(yè)中進(jìn)一步使用。（圖片來源： Microsoft Corp。）

在外圍，開發(fā)人員需要從眾多傳感器節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高度精確的傳感器數(shù)據(jù)采集，這些節(jié)點(diǎn)可能包括利用合適的客戶端軟件升級的現(xiàn)有設(shè)備、僅依賴電池電源長期工作的定制設(shè)備。很多情況下，系統(tǒng)架構(gòu)師使用中間網(wǎng)關(guān)到達(dá)終端節(jié)點(diǎn)，該網(wǎng)關(guān)設(shè)計用于聚合數(shù)據(jù)，特別是來自物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)，采用了短程無線技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)使用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，需要安全、快速、可靠地將數(shù)據(jù)有效負(fù)載傳輸?shù)綉?yīng)用。如圖 1 所示，物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員需要協(xié)調(diào)大量基于云的服務(wù)以處理基本任務(wù)，例如調(diào)配新設(shè)備和服務(wù)、驗(yàn)證授權(quán)設(shè)備的身份、維護(hù)數(shù)據(jù)流、存儲數(shù)據(jù)等。最后，用于數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的特定應(yīng)用服務(wù)幫助軟件工程師將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對最終用戶有意義的信息。

快速物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)

雖然物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員可以快速找到實(shí)施復(fù)雜分層物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的各個部件，但對于新開發(fā)人員而言，要將物聯(lián)網(wǎng)的所有這些部件集成在一起，仍然是一項令人生畏的任務(wù)，即便對于經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，也要消耗大量時間。Renesas 物聯(lián)網(wǎng)沙箱的設(shè)計目的是簡化物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)，它提供了一整套軟件組件，這些組件是將數(shù)據(jù)從終端節(jié)點(diǎn)移動至云、再將信息提供給最終用戶所必需的。

物聯(lián)網(wǎng)沙箱可與 Renesas Synergy S3A7 物聯(lián)網(wǎng)快速原型開發(fā)套件配合使用，它提供了完整的端到端開發(fā)平臺，讓開發(fā)人員能夠快速部署物聯(lián)網(wǎng)原型，而只需少量開發(fā)工作。開發(fā)人員可使用一系列菜單來配置沙箱，通過基于云的處理服務(wù)來傳輸傳感器數(shù)據(jù)，這些服務(wù)能夠快速響應(yīng)事件，與其他云服務(wù)交互，提供詳細(xì)分析，并且支持用戶的移動設(shè)備（圖 2）。

圖 2： Renesas 物聯(lián)網(wǎng)快速原型開發(fā)套件和物聯(lián)網(wǎng)沙箱配合使用，提供完整的開發(fā)平臺，用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速原型開發(fā)。（圖片來源： Medium One）

Renesas Synergy S3A7 物聯(lián)網(wǎng)快速原型開發(fā)套件是一種高性能的實(shí)時平臺，基于 Renesas R7FS3A77C MCU，用于設(shè)計和評估物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計。S3A7 MCU 板包括 32 MB 閃存、2.4 GHz Wi-Fi 模塊 (802.11a/b/g/n)、LCD 顯示屏、LED 以及用于簡單交互的用戶按鈕。S3A7 內(nèi)核處理單元基于 32 位 ARM Cortex-M4 內(nèi)核。MCU 集成了片上閃存、192 KB SRAM、14 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，還提供多個連接選項和多種安全功能，包括片上加密。

S3A7 MCU 板提供 4 個 Pmod 連接器和 4 個 Grove 連接器（圖 3），讓開發(fā)人員能夠在添加擴(kuò)展板時輕松進(jìn)行配置。此外，這個物聯(lián)網(wǎng)快速原型開發(fā)套件附帶兩個 Pmod 傳感器模塊，一個是 6 軸運(yùn)動傳感器模塊，另一個是環(huán)境模塊，包括光照、濕度/溫度、空氣質(zhì)量、顏色/接近傳感器。除了 S3A7 MCU 板和 Pmod 傳感器之外，這個物聯(lián)網(wǎng)快速原型開發(fā)套件還包括了功能全面的軟件應(yīng)用程序，旨在演示使用物聯(lián)網(wǎng)沙箱的整個物聯(lián)網(wǎng)流程。

圖 3： 除了 32 位 MCU、32 MB 閃存、Wi-Fi 和 LCD 之外，S3A7 MCU 板還包括 4 個 Pmod 連接器（底部的一行黑色連接器)和 4 個 Grove 連接器（Pmod 連接器上方的白色連接器）。（圖片來源： Renesas）

物聯(lián)網(wǎng)沙箱

Renesas 物聯(lián)網(wǎng)沙箱使用簡單的 Web 連接協(xié)議，提供必不可少的服務(wù)，包括安全、數(shù)據(jù)處理、分析、實(shí)時傳感器的圖形化顯示。同時，開發(fā)人員可以基于樣例應(yīng)用程序進(jìn)行開發(fā)，以便通過一系列菜單快速配置這些服務(wù)，而只需很少的編程工作。

開始使用物聯(lián)網(wǎng)沙箱時，開發(fā)人員通過物聯(lián)網(wǎng)沙箱的 Web 界面，手動創(chuàng)建 API 密鑰和授權(quán)用戶。API 密鑰和 API 基本用戶身份用于為沙箱的后續(xù)事務(wù)處理進(jìn)行授權(quán)。

在開發(fā)新物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的過程中，最初的事務(wù)之一可能包括將樣本數(shù)據(jù)包發(fā)送至云。這個簡單操作既可展示連接協(xié)議，又為物聯(lián)網(wǎng)沙箱中的后續(xù)數(shù)據(jù)處理奠定基礎(chǔ)。

物聯(lián)網(wǎng)器件（例如 S3A7 MCU 板）使用 JSON 格式將事件數(shù)據(jù)發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)沙箱。每個事件的數(shù)據(jù)有效負(fù)載包括事件發(fā)生時間的鍵值對 (observed_at)，以及數(shù)據(jù)集本身的鍵值對 (event_data)，此外還可能有多個鍵值對。例如，在特定時間發(fā)現(xiàn)的某個事件具有兩個關(guān)聯(lián)值，它們將使用 JSON 格式進(jìn)行傳輸，如下所示：

{"observed_at":"2017-01-01T12:00:00.0-0600", "event_data": {"force_strength":67, "level":"apprentice"}}

對于數(shù)據(jù)流式傳輸和其他交互，物聯(lián)網(wǎng)沙箱支持兩個簡單的連接協(xié)議。設(shè)備使用 MQTT（消息隊列遙測傳輸）或 REST 操作，與物聯(lián)網(wǎng)沙箱進(jìn)行通信。基于 TCP/IP 開發(fā)的 MQTT 是一種 ISO 標(biāo)準(zhǔn)輕量級協(xié)議，用于定序的無損消息傳輸。MQTT 基于靈活的發(fā)布/訂閱模式開發(fā)，可以使用很簡短的代碼實(shí)施。因此，對于存儲器空間或帶寬有限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備而言，MQTT 尤其具有吸引力，但它需要可靠的數(shù)據(jù)通信。

MQTT 需要中間的消息代理，用于協(xié)調(diào)它的發(fā)布/訂閱模式。作為其服務(wù)的一部分，物聯(lián)網(wǎng)沙箱提供了代理，另外提供 Python 庫，設(shè)備使用該庫將數(shù)據(jù)發(fā)送至云。與其他沙箱 API 調(diào)用相同，MQTT 庫將數(shù)據(jù)發(fā)布抽象為基本調(diào)用。例如，通過沙箱 MQTT 代理，將以上所示的數(shù)據(jù)有效負(fù)載發(fā)布至某些特定設(shè)備非常簡單：

MQTT.publish_event_to_client(device, payload)

另外，開發(fā)人員可以使用受支持的 REST API，以任何語言為交互編程。在這一方面，程序員使用他們熟悉的 Web 協(xié)議，例如 GET、PUT 和 POST，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴诚洌ùa列表 1），或者從沙箱接收數(shù)據(jù)（代碼列表 2）。正如這些代碼列表所示，每個會話都從一個使用 API 密鑰、API 用戶 ID 和密碼的登錄事務(wù)開始。后續(xù)的寫入或讀取使用基本的 http POST 方法來發(fā)送數(shù)據(jù)有效負(fù)載，或使用 GET 方法來接收數(shù)據(jù)有效負(fù)載，數(shù)據(jù)為 JSON 格式。

import requests

import json

headers = {'Content-Type': 'application/json', 'Accept': 'application/json'}

data = {'login_id': 'john.doe@renesas.com', 'password': '12345', 'api_key': 'ABCDEFGHIJKLmnopabcdefghijklmnop1234567890'}

session = requests.session()

response = session.post('https://api-renesas-na-sandbox.mediumone.comv2/login', data=json.dumps(data), headers=headers)

url = 'https://api-renesas-na-sandbox.mediumone.com/v2/events/raw/john.doe@renesas.com'

data = {'observed_at': '2015-01-10T00:00:00.000-0800', 'event_data': {'sensor1' : 38.6}}

response = session.post(url=url, data=json.dumps(data), headers=headers)

列表 1： Renesas 物聯(lián)網(wǎng)沙箱 API 在“Medium One”云上提供專門端點(diǎn)，用于會話登錄，還用于將數(shù)據(jù)添加到特定用戶的“原始”數(shù)據(jù)流（使用標(biāo)準(zhǔn) http POST 方法）。（代碼來源： Renesas/Medium One）

import requests

import json

headers = {'Content-Type': 'application/json', 'Accept': 'application/json'}

data = {'login_id': 'john.doe@renesas.com', 'password': '12345', 'api_key': 'ABCDEFGHIJKLmnopabcdefghijklmnop1234567890'}

# Login

session = requests.session()

response = session.post('https://api-renesas-na-sandbox.mediumone.com/v2/login', data=json.dumps(data), headers=headers)

url = 'https://api-renesas-na-sandbox.mediumone.com/v2/events/raw/john.doe@renesas.com'

headers = {'Accept': 'application/json'}

params = {"since":"2015-01-10T00:00:00.000-0800", "until":"2015-01-17T00:00:00.000-0800", "limit":100, "include":"$.event_data.tagname"}

# GET

response = session.get(url=url, params=params, headers=headers)

列表 2： 開發(fā)人員使用大多數(shù)編程語言都支持的標(biāo)準(zhǔn) http 庫（例如此處所示的 Python），執(zhí)行簡單的 GET 事務(wù)，從“原始”數(shù)據(jù)流拉取具有請求的特征的 JSON 格式數(shù)據(jù)。（代碼來源： Renesas/Medium One）

云處理

對于原始數(shù)據(jù)流，物聯(lián)網(wǎng)沙箱首先建立處理步驟，稱為“工作流”，它們圍繞名為“標(biāo)記”的鍵建立，這些標(biāo)記在數(shù)據(jù)流內(nèi)部的數(shù)據(jù)有效負(fù)載中定義。工作流代表了基本的數(shù)據(jù)處理步驟，例如篩選、轉(zhuǎn)換或?qū)?shù)據(jù)流執(zhí)行的其他操作。

使用比較傳統(tǒng)的方法，開發(fā)人員經(jīng)常需要識別和維護(hù)在代碼中使用的參數(shù)與來自外部設(shè)備的一組特定數(shù)據(jù)流之間的綁定。相反，物聯(lián)網(wǎng)沙箱則可自動識別標(biāo)記，并允許開發(fā)人員將標(biāo)記用作工作流的輸入，工作流對與每個標(biāo)記關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)值執(zhí)行代碼。例如，如果開發(fā)人員發(fā)送了數(shù)據(jù)有效負(fù)載，例如上文描述的有效負(fù)載，系統(tǒng)將自動識別關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)類型（例如數(shù)字或字符串），并且建立數(shù)據(jù)流，其中包含這些標(biāo)記的時序數(shù)據(jù)。開發(fā)人員使用物聯(lián)網(wǎng)沙箱的 Web 界面，確認(rèn)或修改沙箱自動生成的架構(gòu)（圖 4）。

圖 4： 物聯(lián)網(wǎng)沙箱自動識別新有效負(fù)載內(nèi)部的數(shù)據(jù)類型，從而為開發(fā)人員提供了創(chuàng)建新物聯(lián)網(wǎng)處理流的簡單專用方法。（圖片來源： Renesas/Medium One）

此外，沙箱還為開發(fā)人員使用直觀的圖形化方法，用于將標(biāo)記綁定到代碼參數(shù)。在上例中，開發(fā)人員使用沙箱提供的基于 Web 的 Workflow Studio，為工作流代碼生成輸入和輸出。在輸入端，開發(fā)人員使用 Workflow Studio，將來自從外部設(shè)備接收的“原始”數(shù)據(jù)流的標(biāo)記值拖放至代碼模塊的特定輸入?yún)?shù)。同樣，他們還將工作流代碼的輸出連接到“已處理”數(shù)據(jù)流（圖 5）。

圖 5： 使用物聯(lián)網(wǎng)沙箱提供的基于 Web 的 Workflow Studio，開發(fā)人員能夠通過圖形化方式，將標(biāo)記（例如 raw.force_strength）拖放至工作流，并連接每個標(biāo)記作為命名輸入?yún)?shù)（例如 in1），以便在與每個工作流關(guān)聯(lián)的代碼模塊內(nèi)部使用。（圖片來源： Renesas/Medium One）

在工作流的代碼模塊中，物聯(lián)網(wǎng)沙箱的內(nèi)置 IONode 模塊提供了幾個簡單的類方法，用于獲取和設(shè)置標(biāo)記值。例如，IONode.get_input('in1') 返回一個 Python 字典（鍵和值的關(guān)聯(lián)陣列，類似 JSON 有效負(fù)載），其中包含值和元數(shù)據(jù)（屬于從 in1 輸入到代碼模塊的數(shù)據(jù)的當(dāng)前實(shí)例）。使用這種方法，開發(fā)人員能夠?qū)⑤敵鲋?(out1) 設(shè)置為輸入變量的一些經(jīng)過處理的組合（代碼列表 3）。

new_strength = IONode.get_input('in1')['event_data']['value'] + 100

new_level = "expert"

output = IONode.set_output('out1', {'new_strength': new_strength, 'new_level': new_level})

列表 3： Renesas 物聯(lián)網(wǎng)沙箱提供了多個高級別庫，例如內(nèi)置的 IONode Python 模塊，它可將工作流 I/O 精簡為簡單方法，以便讀取 (get_input) 和寫入 (set_output) 數(shù)據(jù)。（代碼來源： Renesas/Medium One）

經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)流可以進(jìn)一步連接到一個或多個后續(xù)工作流，以實(shí)施復(fù)雜的信號處理、分析或業(yè)務(wù)邏輯。例如，開發(fā)人員可以使用單獨(dú)的工作流來監(jiān)控數(shù)據(jù)流。如果發(fā)生嚴(yán)重事件，來自主工作流的輸出會被定向到第二個工作流，后者使用物聯(lián)網(wǎng)沙箱 Python 模塊，向用戶發(fā)送 SMS 警報。每次當(dāng)工作流在原始數(shù)據(jù)流中查找新事件時，它會自動啟動和執(zhí)行其代碼包。因此，它能夠接近實(shí)時地對數(shù)據(jù)流進(jìn)行自動處理。開發(fā)人員可在不同工作流之間共享輸出和輸出，以構(gòu)建包含多個連續(xù)和并發(fā)處理步驟的復(fù)雜處理流。

但是，對于任何物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，都有一個重要目標(biāo)：向用戶呈現(xiàn)經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)流的結(jié)果。物聯(lián)網(wǎng)沙箱提供了一系列連接到數(shù)據(jù)流的圖形化小工具，從而簡化了這種開發(fā)要求。使用物聯(lián)網(wǎng)沙箱的 Web 界面，開發(fā)人員能夠?qū)⑾鄳?yīng)小工具放置在儀表板上，以創(chuàng)建易于理解的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)果快照。例如，物聯(lián)網(wǎng)沙箱實(shí)時儀表小工具可以顯示特定標(biāo)記的當(dāng)前值，從而自動更新該值及其最小值/最大值范圍。開發(fā)人員可以使用多個儀表來構(gòu)建儀表板，采用簡潔的格式呈現(xiàn)來自多個數(shù)據(jù)源的結(jié)果（圖 6）。

圖 6： 物聯(lián)網(wǎng)沙箱提供了圖形化儀表，用于顯示原始數(shù)據(jù)流或已處理數(shù)據(jù)流的當(dāng)前值和趨勢。（圖片來源： Renesas/Medium One）

Renesas Synergy S3A7 物聯(lián)網(wǎng)快速原型開發(fā)套件附帶了 Renesas Smart Chef 物聯(lián)網(wǎng)演示，利用該套件附帶的全套傳感器，演示端到端物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。Renesas 還提供其他多個樣例應(yīng)用程序，用于演示其他使用場景，包括使用低功耗藍(lán)牙或 Lora 的連接。開發(fā)人員只需通過 MCU 板的 JLink 連接器，將以 srec (S record) 格式提供的鏡像刷入S3A7 MCU 板。開發(fā)人員可以使用 Renesas e2 Studio 軟件開發(fā)環(huán)境，來擴(kuò)展這些樣例應(yīng)用程序，或者從頭開始構(gòu)建新應(yīng)用程序，使用 J-Link 閃存實(shí)用工具加載最終 srec 鏡像。

總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)需要依賴于多種不同的技術(shù)和方法來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和通信，通過云處理從傳感器硬件采集的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶的移動設(shè)備。因此，開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)他們面臨著兩難處境，既要滿足眾多開發(fā)要求，又承受著更快速交付物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的壓力。

為了幫助加快開發(fā)速度，Renesas Synergy S3A7 物聯(lián)網(wǎng)快速原型開發(fā)工具和 Renesas 物聯(lián)網(wǎng)沙箱的組合提供了完整的端到端開發(fā)環(huán)境。開發(fā)人員能夠使用基于 Web 的界面來配置物聯(lián)網(wǎng)沙箱，以支持基于云的處理流，且只需很少的額外編程工作。