从零开始设计环保监测物联网系统(二)

IOT网关，接收sensor数据的总入口，主要是日志，安全防护，流控，协议转换等功能，

图1 IOT网关

之前有提到IOT网关是基于python的twisted框架实现的，初期的时候该IOT网关主要实现的功能是 数据接收和转换功能 和 安全防护 。

数据接收和转换功能 ，这里很简单，拟定好数据交互格式后，IOT网关按照约定好的格式进行解析，然后转发给后端服务进行进一步的处理

安全防护 ，设备的区分主要是依靠烧录到硬件的SN号来实现，SN号包含的信息比较多，如生产批次，设备型号等，受制于厂商我安全防护不能做的非常完善，同时sensor与IOT网关的交互不能非常复杂。安全防护这一块理论上是设备接入要一型一密或者一机一密，协议上还应该启用tls/ssl安全通信协议。

图2 鉴权

安全防护要做ssl这类的安全通信协议的话，要考虑设备厂商实现通信模块能力，设备功耗，设备性能（低端设备cpu性能可能比较差，可考虑对称加密形式），IOT网关也需要引入相应模块。

另外认证从性能方面考虑，后期在设备比较多的情况下，可以加入redis等内存型key-value数据库，缓存设备信息，提高鉴权模块性能。

实践中，我们的sensor基本都是依靠电池供电，因此我们的IOT网关基本是面向短链接（后期我们有监测设备，依靠外部电源直接供电，为长连接），因此在每次发起连接我们都要进行一次鉴权，鉴权通过后，设备方可上传传感器监测数据和设备自身状态。

图3 数据交互流程

这一块的调试工作长达半年左右，才基本稳定下来，主要集中在设备商处除了硬件稳定性，还有在调试中发现传输的字符串乱码（c语言处理问题），沾包（厂商开发人员tcp协议不熟），优化传输效率，关闭cork或者 Nagle 算法（传输包很小）。

因为IOT网关不能主动断连接，理论 *** 作中，IOT网关应该和sensor有心跳协议，保证连接的有效性。设备商在数据流程交互完成后，竟然没有close 连接，直接休眠，导致网关所在服务器的连接的文件描述符一直没有正常释放，后面为了预防这种现象，我开启了 *** 作系统层面的keepalve定时器，回收失效连接（系统默认时间是2小时左右，我缩短了失效时间），理论上来说应该是应用层面去实现心跳协议。

整个IOT网关的设计，是无状态，可伸缩的，单网关在普通型ecs上可轻松达到数百tps。

处于市场验证期

物联网是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等 信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与因特网连接起来，进行信息交换 和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网发 展历史悠久，可分为三个阶段：

物联网连接数超120亿个

根据全球移动通信系统协会(GSMA)统计数据显示，2010-2020年全球物联网设备数量高速增长，复合增长率达19%;2020年，全球物联网设备连接数量高达126亿个。“万物物联”成为全球网络未来发展的重要方向，据GSMA预测，2025年全球物联网设备(包括蜂窝及非蜂窝)联网数量将达到约246亿个。万物互联成为全球网络未来发展的重要方向。

下游制造业/工业占比最大

从下游领域来看，根据IoT Analytics的数据，2020年全球物联网行业下游占比中，制造业/工业占比22%排在首位，其次是交通/车联网，占比15%。智慧能源、智慧零售、智慧城市、智慧医疗和智能物流分别占比14%、12%、12%、9%和7%，排在第3至7位。

2020年物联网链接内容90%属低功耗、广域网领域

2020年整个物联网90%连接属于低功耗、广域网领域。万物互联趋势下，传统移动蜂窝网络的高使用成本和高功耗催生了专为物联网连接设计的低功耗广域连接技术，对应中低速率应用场景，拥有广覆盖、扩展性强等特征，更符合室外、大规模接入的物联网应用。

2026年市场规模接近155万亿美元

根据知名国际信息技术数据公司lDC的测算，2019年全球loT市场规模为6860亿美元，到2022年，这一数字将突破万亿美元;与此同时，2019年全球通过万物互联传输的数据规模已达到14ZB，2025年传输规模则将达到80ZB。在loT行业本身的从全球来看，目前全球物联网相关的技术、标准、产业、应用、服务处于高速发展阶段。整体上物联网核心技术持续发展，标准体系正在构建，产业体系处于建立和完善过程中。移动互联网连接和工业互联网连接是未来发展的主要趋势，根据lDC的测算数据，2020年全球物联网市场规模为7490亿美元，年平均增长率为1220%;预计2026年，全球物联网市场规模将会接近155万亿美元。

—— 以上数据参考前瞻产业研究院《中国物联网行业细分市场需求与投资机会分析报告》

  这本书的出现是件很巧合的事情，当我们尝试在新零售这个领域做一些新的设计探索的时候，这本书被同事推荐了过来，“交互的未来”是一个很有吸引力的噱头，我也很想知道，交互的未来到底发展到何方。
  之所以说是巧合，是因为我们在探索的过程中，发现用户会在新零售的整个框架里面，开始接触一些新鲜的东西，而用户在整个过程中的交互，初步分析，可以划分为“人、物、屏、声” ① 这四类，而这本书，很清晰的告知了我们，人与机器或者屏幕，在未来的交互方式中可以遵循的原则。
  本文的目的，是期望能够通过对这本书的解读，让大家对这个概念有一定的认知和了解。

  早在1995年，“普适计算” ② 之父，马克·维泽与施乐帕克研究中心 ③ 的约翰·史立·布朗 共同了提出“平静技术”的概念。
  其实，在20世纪80年代的时候，这群研究学者就已经预见到，未来是一个充满各种小型设备的时代，当时他们称这些设备为：“垫板”“平板”“直板”，并且在这些小型设备未出现之前，就开始研究这类产品使用体验和最佳的用法。在他们看来，无论技术如何的新型，但是技术给人带来的感受应该是优雅的、人性化的，不显眼的。
  但从今天看来，我们经常讨论某些新型设备的问世，然后静静的看着它们报出一个个让人捧腹的bug，新的设备逐渐增多，但是给人以幸福感的设备却寥寥无几，技术给我们带来了新的产品，但是却并没有给我们平静的生活。
  那么平静技术到底是什么？我个人总结了一下：

  自20世纪40年代，第一台计算机问世以来，计算机的发展从未停止。在书中，作者提出了计算机发展的4个浪潮：

  我们会发现，设备数量的增长速度甚至快过人类，并且逐渐多样化，从大型机时代到移动计算时代，设备的增长呈现出以下几个特点：

  平静技术的提出者们同时提出了一个设想，当世界人口超过100亿时，世界上的设备数量至少超过了500亿。如果我们一方面在增加设备的数量，一方面又保留目前我们跟设备互动的标准，很快我们会被自己设计的各类信息所淹没。
  如何能够让设备在增长的同时，给人带来平静的体验？作者提出了平静技术设计的8大原则，来协助我们review自己的设计。

  在阐述这8项原则之前，我想先抛出一个论点： 注意力守恒 。即大多数人在某个时刻的注意力总量是恒定不变的，所以人们无法同时处理对于注意力要求很高的多个事情，一件事需要的注意力多了，另一件必然不会分配更多的注意力。就如同司机不可能一边开车一边玩游戏一样。
  个人认为， 注意力 是人与设备交互时的 最核心资源 ，尽管需要我们注意的信息已经大大增多，但是我们自身所拥有的注意力的总量始终未变。这就意味着，我们需要对注意力资源有更加合理的分配，设备对于注意力的占用需要更少且更高效。

  作者强调，这里的原则并不是每次设计都需要遵循，而是提供一些思考的方向，供大家每次设计时进行参考。
  下面结合书上的内容，对这8条原则说一下个人的一些理解：

  我们当前很多交互设计的原则或者思维还是来自于 台式机时代 ，在那个时代，人们被要求坐在电脑面前，投入大部分注意力到屏幕上，来处理自己的工作任务。我记得在《About Face 3》以及之前的版本，移动端的设计仅仅是被提及，而在《About Face 4》中则用大篇幅的文章来介绍移动端的设计方法与准则。

  当今时代，大多数人的生活处于 移动、并行、多平台 的环境。在这种环境下，我们可能会在某个瞬间接收到多个设备提供的信息，这就要求我们能够将注意力短暂转移到设备，并在获取信息后，能立刻转移到其他事情上。如果某个设备一直通过某种方式强调注意力资源的占用，而无法提供人们最关注的信息，这种就会对人们形成干扰，甚至会引发人对这个设备的厌恶。
   这种注意力资源的分配矛盾，在当人们有主要任务时，显得尤为突出 ，设备(或产品)应该在尽量不打扰人们完成主要任务的情况下，也能够传递信息。但是目前看到的很多设计过程中，注意力资源仍然不是第一考虑要素，甚至可以说，今天大部分的设备，仍然设计的像台式机，我们不得不倾注大量的注意力资源，才能从其中获取信息。
  虽然视觉是最直观的获取信息的方式，但是在设计时，除了屏幕之外，我们可以利用的还有很多。人的五感之中， 视觉、听觉和触觉都是可以利用，并且花费较低成本就可以获取信息的方式 ，而信息的表达，在某些场景下，可以放弃屏幕，通过灯、声音和震动等方式来替代。
  例如，目前市面上洗衣机的开机、关机、洗衣结束时，都会伴随有不同的声音，来提醒人们洗衣机目前的状态。所以，我们只需要在开启后洗衣功能后，就可以做其他事情直到听到结束的声音。试想如果整个过程，我们需要一直盯着洗衣机完成整个动作，那又会是一个什么场景？

  平静技术会让你明确知道某个系统运转良好并且一切正常，你之所以感到平静，是因为知道如果出现需要你关注的事情，设备会在恰当的时间提醒你。
  生活中这样的正例不胜枚举，例如正在煮饭的电饭煲、烘焙的烤箱、烧水的水壶等等，这些电器的样式千差万别，但是他们工作状态的展示却趋于一致，正是因为他们提供了平静的过程和需要关注的结果，而我们现在看不到不同于这类方式的电器，只不过是因为设计的优胜劣汰所导致的。
  当然，如果有些设备通过粗暴的方式打断你当前的任务，将你的注意力转移到其他事情身上，是因为为了保证你的生命安全，例如火警警报等。

  在《设计师要懂心理学2》这本书中，有三个章节介绍了关于视觉的内容，书中提到了周边视觉与中央视觉的概念，并且强调：

  除了视觉相关的内容，作者还在书中提到了 注意力模型 ，注意力模型分为三个等级：

  从注意力的模型可以看出，注意力不仅限于视觉，还包括触觉、听觉等，人类经过数以万年的进化，已经形成了接收注意范围边缘信息的能力，而我们在设计的过程中，可以进行反思，这些事物需要我们把所有的注意力集中到眼前么？我们能在注意范围的边缘关注它吗？

在开始这部分之前，请各位思考下，设备与人的优势分别在什么我个人对于设备与人的优势总结如下：

结合上述设备与人不同优势的区分与对比，如何能够让设备（或产品）放大自身与人的优势？

  emmm~这里的不需要说话，并不是禁止使用语音，我个人理解，这里更多强调的是对于语音交互的慎用。
  我们会发现，VUI，即以语音为基础的交互行为现在逐渐增多，我们可以在很多app的搜索栏看到麦克风的图标，提示我们可以进行语音输入，甚至一些翻译软件（彩云小译）等直接采用语音交互作为主体交互模式，但是语音是否适用，还是要根据场景来定义。
  《设计心理学3-情感化设计》这本书提到一个很有意思的观点：

人们通常会以人的标准来要求他使用的设备，如果这种情绪放在VUI场景下，如果只是能够让机器说话，而不给他注入语境和人际关系意识，那这些谈话最终还是会总结。
  机器人语音系统最吸引人的地方在于， 他们不会对我们的情感需求和生理需求抱有成见，他们会成为我们忠实的仆人，为我们提供鉴定的情感支持 。
  然而， 正如同需要完全占用视觉注意力的用户界面会干扰我们，让我们无法做其他事情一样，完全占用听觉注意力的方式，对我们的干扰也是一样的 。

我们发现，语音交互同样存在很多的限制：

当我们列举完语音交互的限制时，再回来看设备交流的本质是什么？ 是为了反馈或者展示信息给到人们 ，所以：

  设计师和开发人员往往及其希望能够忽略极端用例，因为有时候，解决这些极端用例所耗费的精力，往往超过常见用例的总和，然而，每个用户都极有可能遇到极端场景， 当极端场景出现时，它们的负面影响会远远超过它们所带来的正面效果 。（想想三星的Note7电池爆炸事件吧）

  这就要求设计师在设计的时候，要考虑到多种人群，经验丰富的用户、初学者、以及遇到问题的用户，一定要保证系统在部分功能出现问题时，仍然可用， 至少能够将设备关闭或者回复到初始状态 。

  如同“电”在当今生活中无处不在一样，如果产品的技术含量使用的恰当好处，那么它会很快的消失于无形，人们会习惯它的存在就好像它本来就应该存在一样。
  每个设计师的目标都是精简的设计，然而实际上，为产品添加功能往往比删减功能要简单的多，这里的原因可能有很多种，比如添加功能而不用斟酌已有功能带来的思考成本要低的多，能够增加功能的人可以有很多，但是有权利(或者敢于)删减功能的人却很少。每个功能的引入，都会带来故障可能性的增加，越复杂的系统，往往越容易出现问题。 而我们对于产品功能的目标，并不是无意义的堆叠和累加，而是希望能够通过产品赋予用户能力，让他们只需要投入少量的注意力就可以实现目标 。
  在技术领域，往往有这样一个趋势： 技术能力往往超过技术的可靠性 ，所以我们经常发现，任何第一代产品，往往是问题最多的产品，即便是产品在面世之前，经历了严格的测试工作，当投入市场后，它将面临的是数以万计的使用场景，各种场景的组合，就会发现新的问题。
  所以这也引入了另外一个指导性原则 除非没有其他选择，否则不要引入会让用户产生依赖感的新技术 。新技术的不可靠性，很容易会使对齐产生依赖感的用户，感受到很大的挫败感和失望感。

  我们所接触到的被人们视为“正常”的技术，实际上是这个技术本身与社会规范相吻合，或者说，是被社会逐渐接受的技术。
  技术被社会所接受的速度是不一样的，有些技术可能在出现的瞬间就被社会所接受，而有些技术则需要经过很长的“代谢”过程才能被社会容纳，同样，有些技术出现了很多年，都可能不被社会所接受，从而被停止或者消亡。
  让技术被社会接受的最简单的方法，就是让人能够视之为常态，这个过程 可以是技术直接用到已经是常态的事情中，让人们逐渐接受，也可以是拓宽人们对于“常态”的定义，将新技术包含在常态的定义里 。
  个人认为，新技术的接受程度受到以下因素的影响：

  如果从上述8项原则中提取关键词，个人的提取是：

  设计平静技术需要我们尊重人的注意力，并认识到注意力是一种宝贵的资源，需要我们确保设计的可靠，在整个设计过程中，可以围绕人体的五感进行多样化的设计，要求我们时刻记得技术所处的使用环境和社会环境。

  个人认为，这8项原则是这本书最核心的部分，而在后续的篇幅中，作者更多的是分场景和案例来介绍如何进行设计，这部分我不做过多的阐述，有兴趣的同学可以查看资料了解下。
  但是在文末，作者提出了一个平静技术评价工具，这个可以贴出来，供大家作为后续设计时的checklist，如下：

我个人对于这篇解读的定位是知识点+个人理解的阐述，这本书出现的时间很近，所以大部分的举证在我看来都很有共鸣，虽然在本文中大量的主语是“设备”，但是在我看来， 无论是硬件设备还是软件产品，很多原则都是可以共通使用的 ，最后，感谢各位耐心看完这篇文章希望我的解读能够给各位带来一些新的思路，谢谢！ _

---