17、物联网与DevOps：机遇与挑战并存

物联网与DevOps：机遇与挑战并存

1. 物联网的发展现状与未来预测

1.1 行业巨头的预测

不同市场参与者对未来几年物联网设备的连接数量有不同预测：
- 网络巨头思科估计，到2020年，物联网将由500亿台连接到互联网的设备组成。思科更喜欢使用“万物互联”而非“物联网”这个术语，并设想了许多有趣的应用，如智能垃圾桶（通过嵌入式传感器远程感知垃圾桶的满度，改善废物管理物流）、根据需求调整费率的停车计时器、能在用户生病时发出通知的衣服。
- IBM则较为保守地估计，到2020年将有260亿台设备连接到互联网，并给出了一些已部署或正在进行中的应用示例，如汽车制造商通过广泛的传感器网络部署改善物流、医院在医疗场景中实现更智能的物流、铁路旅行中实现更智能的物流和更准确的预测。

1.2 物联网的发展趋势

物联网在未来几年将呈指数级增长，其驱动力之一是机器对机器的通信。工厂正朝着更高程度的自动化发展，随着更多选择的出现，这一趋势将愈发明显。例如，工厂内通过广泛的传感器网络部署和大数据分析可大幅提高物流效率。现代汽车几乎每个功能都使用处理器，下一步将是将汽车连接到互联网，最终实现自动驾驶汽车，将所有传感器数据传输到集中协调服务器。此外，许多形式的旅行也能从物联网中受益。

2. 物联网部署对软件架构和安全的影响

2.1 对软件架构的影响

物联网网络由许多设备组成，这些设备的固件版本可能不同，由于硬件可能无法物理访问等原因，升级可能会分散在不同时间进行。因此，接口级别的兼容性非常重要。对于内存和处理器受限的小型联网传感器，版本化的二进制协议或简单的REST协议可能更受青睐，版本化协议还能让不同硬件版本的设备在不同版本的端点进行通信。大规模传感器部署可受益于简洁的协议和分层消息队列架构，以异步处理事件。

2.2 安全挑战

安全是一个难题，大量设备连接到互联网而非私有网络使情况更加复杂。许多消费硬件设备（如路由器）的升级接口容易被黑客利用，合法的服务设施可能成为后门，增加攻击面会导致潜在攻击向量增多。开发中常见的反模式包括开发者在代码中留“后门”以便后续直接部署代码，以及因开发者未意识到问题而导致的SQL注入等非预期漏洞。解决这些问题的方法分别是进行代码审查和了解相关问题并编写避免问题的代码。

3. DevOps在物联网领域的适用性与挑战

3.1 适用性

DevOps的核心思想是通过让不同学科的人员更紧密合作，实现更快、更正确的发布，将类似生产环境的测试环境更贴近开发者。从这个角度看，DevOps对传统保守行业也有一定作用。

3.2 挑战

• 嵌入式硬件设备的生命周期比传统客户端 - 服务器计算机长，消费者不太可能在每个产品周期都进行升级，工业设备更换成本高。
• 物联网设备的故障模式比桌面计算机更多，测试难度更大。
• 在工业和企业领域，可追溯性和可审计性很重要，物联网端点数量远多于服务器。
• 在传统DevOps中，可对部分用户进行小变更集部署，出现问题可快速修复并重新部署，但单个物联网设备故障可能会造成严重后果。

3.3 应对建议

• 在测试实验室中，允许失败和快速周转。
• 确保测试实验室与生产环境相似。
• 实验室中不仅要有最新版本，还要兼容旧版本。

4. 基于物联网设备的DevOps实践

4.1 项目介绍

为了更直观地了解物联网与DevOps的结合，我们可以制作一个简单的物联网设备，连接到Jenkins服务器并显示构建状态。当构建失败时，状态显示将通过闪烁LED来提示。本项目选用的NodeMCU Amica是一款基于Espressif的ESP8266芯片的小型可编程设备，具有诸多特点：
|特点|详情|
| ---- | ---- |
|CPU|32位RISC CPU，Tensilica Xtensa LX106，运行频率80 MHZ|
|Wi - Fi|具备Wi - Fi芯片，可连接网络和Jenkins服务器|
|USB接口|有USB插座用于编程固件和连接电源适配器，板载USB转串口适配器|
|输入/输出端口|多个输入/输出端口，可连接硬件可视化构建状态，初始可使用板载LED|
|固件|包含默认固件，支持用Lua语言编程，Lua是一种适合快速原型开发的高级语言|
|价格|价格相对便宜，可从电子爱好者商店和互联网经销商处购买|

4.2 操作步骤

4.2.1 准备工作

• 安装串口通信软件，如Linux的Minicom和Windows的Putty。
• 使用串口设置9600 baud，8位，无校验，1个停止位（9600 8N1）。
• 将NodeMCU连接到USB端口，切换到终端，验证是否在终端窗口中获得提示。

4.2.2 固件处理

如果需要，从固件源仓库发布链接（https://github.com/nodemcu/nodemcu - firmware/releases ）下载固件，例如使用以下命令下载整数版本的固件：

wget https://github.com/nodemcu/nodemcu-firmware/releases/download/0.9.6-dev_20150704/nodemcu_integer_0.9.6-dev_20150704.bin

也可以直接从GitHub上的源代码在本地开发机器上构建固件，或使用在线构建服务（http://nodemcu - build.com/ ）根据自己的规格构建固件。

安装固件烧录工具：

git clone https://github.com/themadinventor/esptool.git

按照仓库README文件中的安装说明进行安装。如果不想进行系统范围的安装，可以从发行版安装pyserial依赖项并从git克隆目录运行该工具：

sudo dnf install pyserial

上传固件，例如上传0.9.6版本的固件：

sudo python ./esptool.py --port /dev/ttyUSB0 write_flash 0x00000 nodemcu_integer_0.9.6-dev_20150704.bin

如果连接NodeMCU时串口控制台出现乱码，可能需要提供额外参数：

sudo esptool.py --port=/dev/ttyUSB0 write_flash 0x0 nodemcu_integer_0.9.6-dev_20150704.bin  -fs 32m -fm dio -ff 40m

还可以使用esptool命令的其他功能验证设置：

sudo ./esptool.py read_mac
sudo ./esptool.py flash_id

上传固件后，重置NodeMCU。

4.2.3 代码测试

• 点亮LED：

gpio.write(0, gpio.LOW)  -- turn led on

• 熄灭LED：

gpio.write(0, gpio.HIGH) -- turn led off

• 循环闪烁LED：

while 1 do                     -- loop forever
      gpio.write(0, gpio.HIGH) -- turn led off
      tmr.delay(1000000)       -- wait one second
      gpio.write(0, gpio.LOW)  -- turn led on
      tmr.delay(1000000)       -- wait one second
end

4.2.4 其他操作

连接无线网络：

wifi.setmode(wifi.STATION)
wifi.sta.config("SSID","password")

打印获取的IP地址：

print(wifi.sta.getip())

连接HTTP服务器并打印返回代码：

conn=net.createConnection(net.TCP, false)
conn:on("receive", function(conn, pl) print(pl) end)
conn:connect(80,"121.41.33.127")
conn:send("GET / HTTP/1.1\r\nHost: www.nodemcu.com\r\n"
    .."Connection: keep-alive\r\nAccept: */*\r\n\r\n")

设置定时器：

tmr.alarm(1, 1000, 1, function()
    print("hello world")
end )

停止定时器：

tmr.stop(1)

综上所述，物联网的发展为DevOps带来了新的机遇和挑战。通过了解物联网的发展趋势、应对其对软件架构和安全的影响，以及合理应用DevOps工具和方法，我们可以在物联网领域取得更好的成果。希望读者在实践中不断探索，享受物联网与DevOps结合带来的乐趣和成功！

5. 开发环境的选择与优化

5.1 开发环境的多样性

在进行基于NodeMCU的开发时，有多种开发环境可供选择。虽然可以直接在终端中输入代码，但这种方式比较原始。不同的开发环境能改善开发体验，例如Emacs编辑器的NodeMCU Emacs模式（NodeMCU - mode）就可以从GitHub下载使用，并且Emacs具有内置的串口连接功能。当然，开发者应选择自己最熟悉和舒适的开发环境。

5.2 开发环境的优化建议

• 代码管理 ：使用版本控制系统（如Git）对代码进行管理，方便代码的备份、协作和版本追溯。可以创建一个新的Git仓库来管理NodeMCU项目的代码：

git init nodemcu-project
cd nodemcu-project
git add .
git commit -m "Initial commit"

• 代码调试 ：利用开发环境提供的调试工具，如断点调试、日志输出等，帮助定位和解决代码中的问题。在Lua代码中，可以使用 print 函数输出调试信息。
• 代码复用 ：将常用的功能封装成函数或模块，提高代码的复用性和可维护性。例如，将连接无线网络的代码封装成一个函数：

function connectToWifi(ssid, password)
    wifi.setmode(wifi.STATION)
    wifi.sta.config(ssid, password)
    while (wifi.sta.getip() == nil) do
        tmr.delay(1000000)
    end
    print("Connected to Wi-Fi, IP: " .. wifi.sta.getip())
end

6. 物联网与DevOps结合的应用场景拓展

6.1 工业自动化领域

在工业自动化中，物联网与DevOps的结合可以实现生产过程的实时监控和优化。通过部署大量的传感器，收集设备的运行数据，利用大数据分析和机器学习算法，预测设备故障，提前进行维护，减少停机时间。同时，DevOps的快速迭代和部署能力可以确保新的控制策略和算法能够及时应用到生产系统中。

6.2 智能家居领域

智能家居系统中，各种智能设备（如智能门锁、智能家电、智能照明等）通过物联网连接在一起。DevOps可以帮助实现设备固件的快速更新和功能升级，提高用户体验。例如，当发现智能门锁存在安全漏洞时，可以通过DevOps流程快速推送固件更新，修复漏洞。

6.3 智能交通领域

在智能交通中，物联网与DevOps的结合可以实现交通流量的实时监测和优化。通过在道路上部署传感器和摄像头，收集交通数据，利用数据分析和算法优化交通信号控制，减少拥堵。同时，DevOps可以确保交通管理系统的软件能够及时更新，适应不断变化的交通需求。

7. 总结与展望

7.1 总结

物联网的快速发展为DevOps带来了新的机遇和挑战。不同市场参与者对物联网设备连接数量的预测显示了其巨大的发展潜力。物联网部署对软件架构和安全提出了新的要求，需要我们在接口兼容性、协议选择和安全防护等方面进行深入考虑。DevOps在物联网领域具有一定的适用性，但也面临着嵌入式硬件生命周期长、故障模式多、可追溯性要求高等挑战。通过制作基于NodeMCU的物联网设备，我们可以更直观地体验物联网与DevOps的结合，同时了解到开发过程中的操作步骤和技术细节。

7.2 展望

未来，物联网与DevOps的结合将更加紧密。随着技术的不断进步，物联网设备的性能和功能将不断提升，DevOps工具和方法也将不断完善。我们可以期待在更多的领域看到物联网与DevOps的成功应用，如医疗保健、农业、能源等。同时，也需要关注物联网安全问题，加强安全防护措施，确保物联网系统的稳定运行。希望广大开发者能够积极探索物联网与DevOps的结合，为推动行业的发展做出贡献。

以下是物联网与DevOps结合的应用场景流程图：

graph LR
    A[物联网与DevOps结合] --> B[工业自动化]
    A --> C[智能家居]
    A --> D[智能交通]
    B --> B1[实时监控]
    B --> B2[故障预测]
    B --> B3[策略优化]
    C --> C1[设备升级]
    C --> C2[功能扩展]
    C --> C3[安全防护]
    D --> D1[流量监测]
    D --> D2[信号控制]
    D --> D3[需求适应]

总之，物联网与DevOps的结合是一个充满潜力和挑战的领域。通过不断学习和实践，我们可以充分发挥两者的优势，为各个行业带来更多的创新和价值。希望本文能够为读者在物联网与DevOps的探索中提供一些有益的参考和启示。