转战物联网·基础篇03-从JSON数据到短指令谈思维的转变

  了解了物联网项目的大体结构之后，我们先从物联网的联网相关部分说起，这也是物联网项目中的关键环节。在联网环节中，不仅要考虑如何连接上，还要考虑连接后如何传输数据。换句话说数据是以什么格式进行传输，对系统压力和稳定性以及整体项目更有利。在互联网项目开发中，多数情况大家习惯了用JSON数据包来进行网络两端的数据交互。转入到物联网项目中也自然会想到用JSON来交换数据，一些大厂的物联网平台也是这样做的，但是同时又提供了一种自定义字节串（字节流）的方式进行数据交换，这节我们就说这两个的差别。

  字节（Byte），常用的是八位的字节，即它包含八位的二进制数（关于进制将在下一节中讨论），也是互联网传输数据的基本单位。在C语言中就是unsigned char类型，一个8位的无符号整数，数值范围是0-255之间。字节串（也可以理解为字符串，后面会有针对性讨论）也就是一个unsigned char类型的数组。其它编程语言中也有相对应数据类型，如Python语言中的bytes和bytearray、Go语言中的uint8（别名byte）、Java语言中的byte、PHP语言中以字节流方式接收到的字符串等。网络中每传输一组数据，实际就是在传输N多个字节，至于这个字节代表的是什么，是由协议标准来定义的（后面会专门讨论协议相关的），但是传输过程是不需要理会它是代表什么的，只要按照原值传递就可以了。磁盘保存文件也是如此，无论是文本文件，还是图像音频文件，磁盘只是按照每个字节对应的8个位来记录0和1即可，不会去理会这个是什么类型的文件，因为这是数据的最底层数值。

  下面举一个例子，设备要上报给服务端一个烘烤房的室内温度值、工作时长和当前的电热器的开关状态，假设当前室温是126℃，已经工作105分钟，当前电热器状态是开启的。

  常用JSON数据形式如下：

{
	"temp": 126,
	"time":105,
	"status": true
}

  总计37个字节需要传输，这里面最有价值的就是“126”、“105”和“true”，如果按照短指令格式传输则是如下形式：

0xXX 0xXX 0x7E 0x69 0x01 0xXX		//用16进制描述的，用10进制也可以，只是16进制是每个字节等宽书写，便于交流

  总计6个字节需要传输，第一个0xXX是标志头，第二个0xXX是指令代号，第三个0xXX是标志尾，取值在0x00--0xFF之间自己定义（自有协议指定后面会专门讨论）。0x7E就是10进制的126，0x69就是10进制的105，0x01就是10进制的1，三个参数已经携带过去了，只需用顺序位置定义具体代表什么即可。

  在物联网信息交互中，复杂的数据关系嵌套很少用到，所以JSON的优势就没那么明显了，反而造成传输字节变得太长。因为物联网的联网工作环境相对于互联网应用要复杂和不稳定的多，所以就需要尽可能的减少单次数据传输的时间，来提高数据传输的可靠性。那么在数据结构上，使用短指令就有明显的优势。同时也减少了服务器并发的拥堵时间，单位时间内服务端接收的每条指令字节数越少，可接收处理的条数就越多，也相当于并发能力越强，承载能力越强。

  由于传输的是字节值，这个值直接代表了需要上报信息的具体数值，那么代码在获取的时候，直接以字节形式读取即可，不需要编码转换等过程（不同开发语言获取方法不同），也减少了计算量，进一步提高服务器的承载能力。

  在说一下为什么是优选MQTT或CoAP，而不是直接使用HTTP。一个主要原因还是因为数据量的原因，一个HTTP请求无论需要携带的内容有多少，单信息头就会有几百字节，这对物联网要求的简短快速结束一次通信来说，是太多了。而MQTT或CoAP的信息头只有几个字节，显然针对的场景是不同的。大的数据量就会占用长的时间传输，就要求这段时间网络必需保证稳定畅通，否则这一个数据包就会传输失败。再者HTTP是无状态请求，不利于实现服务端向硬件设备发送指令的及时传送。

  写习惯了互联网的WEB项目，可能有人会说使用JSON便于维护，便于数据交换和沟通，这是高可维护的一项啊。之所以本文标题说是谈思维的转变，主要就是体现在这里。前面我强调过，物联网不是单纯的服务器上跑代码，要有硬件设备与之配套运行。而硬件设备往往又是海量存在的，这就是涉及到成本问题。实际上制造硬件设备的企业，对成本控制是很严格的，只要技术性能上能满足，那么能用8位单片机的绝对不用32位单片机，能用小内存的绝不用大内存的，主张够用即可（非量产的产品或抬杠的请忽视这句话，看着就好）。因为成本不同，除非产品是不需要量产普及的。那么单片机的开发中，处理JSON数据虽然有现成的函数库可用，但是对硬件要求就提高了不少，成本自然就上升了。还有处理速度也没有短指令那么快，虽然单片机提高了一个档次，但是因为要处理JSON数据，接收和发送指令时的速度并没有得到显著提升。所以不能因为用习惯了JSON就不顾及其他因素。

  关于可维护性，这个体现在开发过程中相关工具和文档建立的是否够完备，如果为项目中的短指令创建专门的生成和解析工具，并有完备的文档同步更新，这同样会事半功倍，维护性反而更好（后面会介绍如何创建短指令工具）。

  综上所述，想要提高物联网连接服务器性能，尽可能加大单台服务器的接入量（短指令代替JSON数据包的思路进行开发，对服务器承载能力扩大不只几倍，优化好会提升10几倍甚至更高），那么使用短指令是个必要的选择，再配以相适应的开发方法，会是物联网项目整体性能大幅提升。

  本节完，待续......