智能家居的软硬件架构技术详细分析

随着物联网技术的发展，智能家居领域越来越火，成为互联网巨头及家电大佬们争相深耕的“肥沃土壤”，本文主要是针对智能家居的软硬件架构技术做详细分析。

HOW-想清楚要做哪些事情

以一款智能插座为例，我讲的主题就是这个插座该怎么样来生产、怎么样来研发。第一步，我们先要把它分解。插座有很多结构件，比如五金件这些东西，所以我们要搭建一个团队，包括做工业设计、结构设计的人，硬件工程师、电子类工程师、软件的工程师，以及生活端的，甚至是运营和销售的。如下图所示。
 
我们从传统的一个设备到智能设备转变的过程中，这一个东西非常重要，即WiFi模块。这个地方决定了这个设备到底能不能跟我们的App进行交互以及交互的效率如何。

大家可以看一下我们大概要做的事情，包括元器件选型、原理图、结构、工业设计、PCBA、打手板、开模，这些东西完成的话代表着传统的部分完成了，这里不再赘述。比较重要的是智能设备要怎样实现通讯。现在ZigBee、WiFi、Z-Wave、BLE，这四种用得比较普遍，还有433、315等设备。谷歌也有一套协议，但是应用得稍微少一点。我今天主要是从WiFi设备方面来讲，看到底一个WiFi设备到底要怎么样来做。

WiFi联网的难题

WiFi设备面临一个很大的难题，比如说我做一个智能的水杯、一个智能的插座，这个水杯和插座是没有交互界面的。但是我们必须解决一个问题，即这个设备一定要联网，要连路由器。大家想到最直接的办法是手机连路由器，打开手机的设置，进入WiFi列表，然后再输入密码。但是智能硬件里面没有办法进行操作，这就是要面临的第一个难题了，所以很多人内心是非常忧伤的。

这里介绍几种给WiFi设备配置的方法。第一种是AP，AP是最传统的方式，在AP里面主要是让智能设备首先进入AP模式里面，这样能够共享一个热点出来。我们的手机直接连到这个设备里面，然后再把路由器的SSID推送给那个设备，那个设备可以在线连路由器。这里面AP有一个很麻烦的事情，就是它的交互特别复杂，特别是在iOS手机里面不允许手机的App直接调用WiFi的设置或是直接切换过去，我们可能要先退出后台，然后切换到苹果的那一套设置里面，设置好了之后又要切换回来，这样特别麻烦。所以在演进过程中就进入了WPS。

WPS解决了第一步的问题，可以在路由器里面有一个按键，智能设备里面也有一个按键，可以根据WPS的协议交换它的密钥。但是这里面有一个很大的问题，WPS需要进行专门的认证，而且现在支持的路由器非常少，所以用WPS技术来做的话可能会比较差一点。

再接下来又出了一个Smart Config，这一款应用非常多，因为它非常简单，直接在手机上面向路由器发送SSID和密钥，这个芯片再去抓路由器的包，抓到这个包之后再解密，解密出来之后就知道了路由器的SSID和密钥，然后就可以去连。在这个基础上微信也出了air kiss和另外的Smart link，也这个原理。
接下来又出现了光配置，屏幕按照一定的亮变把信息传输过去，但是这个应用比较少一点，问题也比较多。

再接下来是声波配置，AA付款和面对面收款里面就用到这个技术。

总体来说，AP和第三个稍微比较好一点，但是我们在实际产品应用里面也会发现，这一类技术面临很多问题，就是对路由器的一些芯片、兼容性都会有比较高得要求。我们以前出现很多这样的例子，测试的时候拿了几十款、上百种路由器测得没有问题，到了用户家里，那一款路由器我们没有测试过，结果发现不行，这是一方面的限制。为了解决这种限制，后面又改成了不抓路由器的包，就抓手机发出来的包。抓手机发出来的包之后又带来更大的问题，正常手机的包是OK的，没有那么多兼容性的问题。去年iOS包出来的之后，苹果的iPhone6会有一个问题，连上WiFi离开一段时间再回来WiFi就会丢失了，这时候不重启手机就永远连不上WiFi了。苹果为了解决这个问题又更新部件，然后对这个又没有用了，又抓不了包了，所以对传统应有还是有限制。还有一些跟技术没有关系的限制，比如说现在比较好一点的路由器是支持2.5G和4G的。现在我们使用的模块都是只有2.4G的，如果手机是双频、路由器是双频的默认是是5G。所以我们又回到最原始的AP模式来，因为我们不用跟用户解释那么多东西，也没有很多兼容性的问题。

软件架构的选择

这是一个软件架构要怎么样选择的问题，就是我们现在智能设备联网最基本的需求是什么。我们来看一下这个图，智能设备联网之后要实现跟手机APP的交互，一方面APP如果要去控制它，它必须能够接收到APP发过来的控制信号。另一方面，如果直接在上面按，按完了之后这里面的状态要能够反馈到APP里面来。所以，我们在做技术选型的时候，最基本要实现这两个需求。


控制命令的上传和下发的问题，这里面决定了到底我们怎么来架构的问题。这是我昨天提出的问题，就是为了解释刚刚提出的需求。比如说我在QQ上发布信息说插座开一下灯，然后它说已经开了。我问它是什么状态，然后它告诉我它已经关了。我们要对智能设备进行控制，这里面基本的需求一个是数据，我要把想要的数据控制命令发给它，控制了之后又发回给我，这个做的事情其实就是IM的事情。我们做服务器端的架构的时候，最初考虑的方案就是选择了IM的方案。

物联网跟互联网实际上看起来有很大的差异，真正我们在做的时候还是殊途同归，我们还是都选择了IM的方案。

看一下最简单的IM架构，这里面要保持长连接，接下来做一些业务处理，下面是存储，如果App要去控制Device的时候，发到业务层处理完了之后，这里面有一个推送的，可以找到Device到底连了哪一台机，然后再把数据推送过来。如果Device自己的状态发生变化，它的数据要推送给APP，基本上是这样的工作流。如果App是黑莓等设备的，我们可能要专门推送到APNS里面来。


通信协议的选择

接下来我们还需要一个好的通信协议，现在很多通信协议是XMPP，很多社交软件都个在用，因为它开源做得比较好。MQTT是专门用来做物联网的协议。另外，PROTOBUF是谷歌的，这三个比较的话，MQTT和PROTOBUF是最适合做物联网通信协议的，因为这两个协议对数据量利用率非常高，不会带来额外的开销的。

快速构建云服务

再回到上图，如果我们要做这样一个系统，为了要简单快速的出这样一个产品，要利用很多开源的组件，比如说负载均衡这里，传统的里面是比较难做的，我们用的比较多硬件负载均衡是F5或者是淘宝的LVS，我认为LVS对于目前做硬件的来说肯定是够的。再下面Connect Server现在也有很现成的开源技术，如果采用XMPP协议的话可能要用F5，像很多也完完全全做好了，如果在TTP这一层优化比较好，做到八十到一百万长连接也没有问题，而且会特别简单。像很多轨道函数都写的非常好，我们都不用关心怎么管理这些线程质量、怎么管理连接，只要在上面写我们的业务代码就行了。另外，我们这里面要做集群，我们有很多服务的时候直接在上面注册，后面调用的时候不用关心今天多了一台机器、明天少了一台机器以及这个机器的ID是什么。另外，服务要远程交易，我们要考虑IPC框架，像淘宝和Facebook的一些，都是开源领域利用的非常好的。

我们肯定还要用到很多缓存，缓存方面我们用的比较多的。如果我们对开源的框架用得比较好，简单的这个系统很快就可以完成了，不需要我们写很多东西，只需要在上面写业务代码就能够直接做好了。

这里面就是刚刚说到的，如果你用Netty，只要在这里面写业务代码，当你接收到数据的时候这里面应该怎么做，包括这里面出了异常的时候要怎么做。如果选用Netty还要考虑到一个情况，高并发的时候需要对数据包做拆包的事情。我们经常发现这里接收到的数据并不是一个完整的数据，比如说我们发了大概2K左右的数据，它给到你的可能只有很少。如果这里面不完整，把组包放进来就可以了。具体的拆包、组包也提供了编码性和解码性，最重要的是在这个函数里面写你的业务代码。

嵌入式开发

我们要在设备端也实现接入，还要考虑嵌入式的开发。嵌入式也有一个问题，我们的设备都是需要成本的，不像写服务代码一样，服务器资源非常多，给到你很好的服务器可以用。在嵌入式方面，我们必须用最低的成本、最少的资源做最多的事情。每一个产品研发出来，第一代选用的芯片可能比较好一点，第二代为了这个产品能够卖得更好，可能会做更改，对我们来说可用的资源更多。通常我们用单片机，我们比较常用FreeRTOS，它没有TCPP协议的。做嵌入式开发的时候我们还会遇到更多的问题，像LWIP之类的，写这个协议站的人可能并没有用到很多产品，所以里面还是残留了很多BUG。这里面举了两个非常明显而且一定会遇到的问题，一个是TIME_WAIT，还有一个是CLOSE_WAIT，如果对方没有按照正常流程关闭，假如说我们的APP直接刷了，可能就会产生这个CLOSE_WAIT，它一直在那里等，我们可能只开放十多个端口接入，如果一直在等待，可能它就认为这个请求还是正常的，就不会把它释放出来。等我们给它分配的端口满了之后，下一个请求就再也接不进来了。一般有三次握手，如果断开了标志着有四次握手，我们发现它没有按照正常的四次握手，导致断开的时候少发了一些命令，所以就一直在等待，等待的时候数据怎么发也发不出来了。

还有我们经常可能会遇到一些问题，比如说这里面可用的只有10几K、64K，我们要在上面写代码，如果写了多线程，又是单核的CPU，这里面用的时间长了会产生很多的内存碎片。当内存碎片产生了之后，多线程再申请内存做其他事情的时候，比如说有一个线程需要申请的资源比较大的时候会申请不到，就会一直在那里等，就会发现是怎么回事，这个地方本来十几毫秒就可以处理完的，可能等了一秒钟或者两秒钟甚至时间更长时间才能处理，这就是时间用了长了之后产生了内存碎片。我们回收内存也做不了，所以经常要做被动的事情，要软重启一下，所有的线程再重新跑起来。

事情是否已经结束

回到接下来的一个问题，我们按照刚才的思路，我们把样品做好了，模块也开发好了，APP也做好了，是不是所有事情都完成了呢？举个例子，某手机厂商说要做“东半球最好的手机”，这等于是他的情怀，为什么呢？做硬件和软件非常大的区别是，纯互联网的硬件把程序代码写好就可以使用了，但是硬件来说的话还会涉及到很多生产工艺，还要做一些认证。比如说像我们的插座，我们要经过3C认证等等，如果过不了这个东西就不能卖。像这个手机当时出了一个问题，它那个表面的玻璃像普通的安卓手机一样，下面开了几个孔，苹果只开了五个孔，它开了三个孔，在生产里面要求的工艺非常高，开三个孔的情况下可能真正的良品率只能达到30%、40%，大部分开孔的时候会导致这个玻璃碎了。像这种情况下，我们会把一个产品设计的非常好，认为这个东西非常漂亮、工艺非常好，但实际上也要考虑我们的生产能不能做。

我们现在做出来一个整体的架构，上面是一些产品，下面是模块这里面是为了解决家里面的很多设备，所以有一个ZigBee的网关，通过网关再来连接。

这是我们的一个系统构架，比较复杂一点，因为这里面整个系统涉及到的业务特别多，它的产品也特别多。这里面接入的时候，其实整体上来说也都差不多，一个是设备层的接入，还有一些业务层，里面做了一些报表、数据分析，还有一些OTA，可能还有一块没有画出来，就是我们在做商业智能的时候实际上是刚刚那位朋友问了一个问题，就是我们有没有尝试做一些更加智能的分析之类的，实际上我们在根据用户的需求在梳理一些模型，我们希望这些数据能够帮我们分析用户现在是在做什么。一个最简单的例子，当某一个开关，可能是它每天晚上一点钟都会亮一下，亮一两分钟又灭了，这可能意味着那个用户有一个生物钟，因为生物钟时间非常准，他每天都是这个时间点做这个动作，比如说上厕所之类的，这个时候非常需要把房间的灯打开，包括走廊的灯、洗手间的灯都要打开。

我们把这个事件分析出来，到了这个时间点之后就不用摸黑按这个开关了，我们会把这个几个开关打开，这就是他的路线。如果要能够做的更细致化一点的化，我们还会发现，如果我们在睡觉的时候突然之间醒过来，然后灯亮了，实际上是非常刺眼、非常难受的事情，我们在打开灯的时候，是不是把灯的亮度只调出一点点，有一点微弱的光，不会刺眼，又有足够的亮度可以照明，让他走过去。这是我们做的更深层次的分析。