Разработка для «интернета вещей»: языки программирования, операционки и каналы связи

Интернет вещей (Internet of Things, IoT) — это когда вещи и предметы физического мира могут взаимодействовать между собой напрямую, не требуя вмешательства человека.

Простой пример — холодильник, который сам следит за количеством молока и других продуктов и делает заказ в интернет-магазине, когда они заканчиваются. Или умная колонка, которая связана с датчиками протечки, задымления и другими девайсами в вашем доме и способна управлять ими и снимать с них показания.

Архитектуру IoT-решений принято делить на четыре уровня:

• датчики, которые собирают данные: например, датчики протечки, движения, освещения и тому подобные, подключённые к микроконтроллеру;
• локальные шлюзы — устройства, которые передают и обеспечивают обмен данными;
• Edge Servers — граничные серверы, которые хранят, аккумулируют и обрабатывают данные непосредственно там, где информация производится (например, это могут быть производственные помещения);
• облачная инфраструктура.

Компании, которые занимаются разработкой IoT-устройств и решений, нередко разрабатывают как и сами устройства, так и всё ПО для всех четырёх уровней устройств. Исключение — компании, которые собирают отдельные датчики или девайсы для уже готовых экосистем и стандартов, поддерживаемых крупными вендорами. «Железо» и различные архитектуры мы почти не затронем — подробности об этой стороне IoT можно узнать в выпуске нашего подкаста «Люди и код», посвящённом микроконтроллерам.

На чём программируют интернет вещей

Так как архитектура интернета вещей состоит из четырёх уровней, для программирования под каждый из них разработчики выбирают свои технологии. Согласно исследованию Eclipse Foundation от декабря 2021 года, в IoT наибольшей популярностью пользуются такие языки:

• Лидеры на встраиваемых устройствах и микроконтроллерах — C, C++, Java и Python.
• Для программирования шлюзов чаще всего выбирают Python, C++, C и Java.
• Для серверной разработки предпочтение отдают Python, Java, C++ и C.
• В облаках — Python, Java, JavaScript, C++.

Python

Примечательно, что по итогам 2021 года явным лидером стал Python — хотя за год до этого в топе был Java. Это, кстати, интересный тренд: в том же рейтинге популярности языков программирования TIOBE в 2021 году Python наконец-то сумел обойти Java и C — фактически бессменных лидеров последних десятилетий.

Рост популярности Python вполне понятен: это удобный и быстрый с точки зрения написания кода язык с кучей библиотек почти под каждую задачу (особенно силён в сфере машинного обучения и работы с данными), он прекрасно взаимодействует со многими языками программирования (недаром его часто называют «клеем» среди языков программирования). Кроме того, устройства с каждым годом становятся всё мощнее и вопрос оптимизации стоит уже не так остро, как вопрос скорости разработки и поставки ПО.

Если проект простой и не требует больших вычислительных мощностей, можно использовать стандартные библиотеки Python, а вот для микроконтроллеров стоит посмотреть на пакет MicroPython — он подходит для запуска Python на небольших платах с 256 КБ памяти и 16 КБ оперативки и площадью в пару квадратных сантиметров.

Хотя вполне очевидно, почему в нише микроконтроллеров и встроенных устройств позиции Python не так прочны — здесь гораздо выше требования к скорости исполнения, энергосбережению и экономному расходованию памяти. Конечно, в таких условиях Python и MicroPython уступают более скоростным C, C++ и Java.

C++

Второе место можно отдать «плюсам» — всё-таки ещё не перевелись любители пощекотать себе нервишки :) Его часто используют на одноплатных компьютерах типа Raspberry Pi — он быстрый, как C, но при этом разработка на нём, как правило, занимает меньше времени.

Java

Сила Java — в переносимости и принципе write once, run anywhere. Если виртуальная Java-машина (JVM) поддерживает какую-то архитектуру, вы обычно можете быть уверены, что ваш код будет на ней работать так же, как и на других платформах.

Кроме того, Java — это классический ООП-язык, удобный для энтерпрайз-решений, с большим набором библиотек и инструментами для работы с безопасностью, а байт-код и сама Java-машина за долгие годы были оптимизированы и могут исполняться с достаточно хорошей скоростью.

C

Да, этот старичок ещё очень популярен во встраиваемых системах и в качестве средства для системного программирования — где-то в силу традиций и накопленной большой кодовой базы на C, которую пока невозможно (да часто и не нужно) перевести на более современные языки, где-то в силу его скорости и других плюсов. К тому же благодаря C разработчик может напрямую взаимодействовать с памятью и любым «железом» — не зря C называют «переносимым ассемблером».

JavaScript

JavaScript тоже используют в IoT. Причём не только для веб-интерфейса приложений, но и для софта серверов. А в сочетании с фреймворком Node.js — ещё и для датчиков, серверов и шлюзов на ОС Linux. Например, построить софт на Node.js удалось в микроконтроллерах производителей Espruino и Tessel.

LUA

Этого языка (как и последующих) нет в топе исследования, однако он часто упоминается в связи с IoT. Фишка языка — он специально был разработан для поддержки средств описания данных, у него есть особый фреймворк Node.lua, то есть порт, или аналог, Node.js в LUA-мире, к тому же построенный на облегчённом интерпретаторе LUA.

Go

У Go богатая стандартная библиотека, отличная работа с параллелизмом из коробки, и его популярность в мире постоянно растёт.

PHPoC

Это особая версия PHP для работы с чипами. Удобна для тех, кто уже знает PHP и хочет заняться интернетом вещей. Плюс в этом диалекте из коробки есть средства, полезные для разработки под IoT. К тому же более 90% серверов в мире по-прежнему работают на PHP, поэтому этот язык также популярен в интернете вещей и применяется для управления микросервисами на базе Linux.

Swift

Swift используется для создания приложений для умных устройств в экосистеме Apple. У Swift собственные библиотеки для платформы HomeKit, которая обеспечивает поддержку интеграции каналов данных из сети совместимых устройств.

Какие операционные системы и каналы связи используют в IoT

Использование операционных систем, как и в случае языков программирования, определяется тем, с какой частью архитектуры вы работаете (но надо понимать, что для уровня микроконтроллеров и встраиваемых устройств операционная система — необязательный компонент).

Во встраиваемых устройствах, шлюзах и микроконтроллерах самым популярным выбором является Linux (в основном урезанные или специфические версии — из «обычных» линуксов более-менее популярен разве что CentOS). Linux — гибкая и свободная ОС, которую можно «доработать напильником» практически под любые нужды, которая умеет запускаться на множестве разных архитектур. Плюс у него огромное сообщество и куча готового софта почти под любые задачи (разве что с Photoshop и Microsoft Office проблемы — но кому они нужны в IoT).

За Linux следует FreeRTOS — операционка реального времени, созданная специально под микроконтроллеры. А значит, она умеет экономно использовать даже самые скромные ресурсы. Особенность систем реального времени — они заранее гарантируют, что задача будет выполнена в конкретные сроки. То есть работают максимально предсказуемо, что особенно важно для обработки критических запросов в военной или космической промышленности, а также везде, где от точной до миллисекунды обработки задачи зависят жизни людей или работоспособность дорогостоящего оборудования. Кстати, Linux так не умеет.

На третьем месте с большим отрывом — Windows. Все мы работали с терминалами оплаты или банкоматами, в которых нередко используется именно система от Microsoft. Это закрытая и гораздо менее гибкая система, и подходит она только для тех устройств, в которых достаточно много свободных ресурсов.

На четвёртом месте Zephyr — ещё одна свободная операционка реального времени, созданная специально для работы со встраиваемыми устройствами и микроконтроллерами.

А вот на серверах и в облаках ситуация отличается — хотя в рейтинге всё так же присутствуют Linux (лидирует с большим отрывом) и Windows. Кроме того, достаточно популярен майкрософтовский вариант Linux — Azure Sphere. Неудивительно — на ней строится Azure, а это один из лидеров в мире среди облачных платформ. Четвёртое место скромно заняла FreeBSD, ещё одна свободная операционка, которая традиционно считается более надёжной и безопасной, чем Linux.

Среди каналов связи, конечно же, лидирует классический Ethernet — проводной, надёжный, стабильный и предсказуемый. Он обеспечивает самые большие скорости и может быть почти «бесплатным» с точки зрения энергопотребления.

Из беспроводных технологий наибольшей популярностью пользуется Wi-Fi — его можно развернуть относительно дёшево, не нужно использовать базовые станции, привязанные к операторам связи, у него отличная скорость, и он может покрывать относительно неплохое расстояние.

Чуть менее популярны сети сотовой связи. Их плюс — они уже есть на куче смартфонов, могут обеспечить хорошую зону покрытия и работают на больших расстояниях. То есть удобны там, где нет проводов, а Wi-Fi просто «не добивает».

Bluetooth на четвёртом месте — у него достаточно низкая скорость передачи данных, он не так стабилен в работе, и у него серьёзные ограничения по расстоянию между устройствами. Зато он экономнее в потреблении электроэнергии, чем Wi-Fi и сотовые сети связи.

Заключение

Мир IoT — это наше будущее, а значит, разработка ПО для интернета вещей будет всё более востребованным занятием. Если вы уже кодите на Python, PHP, Java, Go или JS — попробуйте вкатиться в эту сферу через них. Python будет лучшим выбором для тех, кто ещё не знаком с программированием. А если вы хотите напрямую поработать с «железом» и памятью — обратите внимание на C/C++.