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06 | 物模型：如何定义智能电灯？
你好，我是郭朝斌。
在基础篇最后一讲的智能家居项目里，我们设计了几个小场景，其中就包括智能电灯。如果你只是想自娱自乐，做一个可以用手机 App 控制的电灯，那么只要通过代码实现控制功能就足够了。至于是怎么控制的，电灯有什么状态上报，你自己知道就行了。
但是，如果你想让智能电灯真正成为物联网系统的一部分，那就不仅仅是在封闭的、确定的场景下写几行代码的事儿了。在物联网平台上，可能有其他人开发的应用需要显示你的智能电灯的状态；也可能有别的设备，比如光照传感器、智能音箱，在场景联动中要控制灯的状态。
所以，你需要把控制电灯打开和关闭的方法，告诉这些应用和产品的开发人员。同时，这些开发人员也需要了解，智能电灯的状态信息如何获取和解析。那么，你面临的第一个问题就是，用什么方式提供这些接口信息呢？
另外，市面上不止一款智能电灯，如果要一一适配，那工作量肯定很大，而且扩展起来会很困难。那么，你面临的第二个问题就是，平台应用如何避免针对每款智能灯进行定制开发呢？
计算机领域的软件体系结构采用的是一种层的结构，所以有人说过这么一句名言：“计算机科学领域的任何问题，都可以通过增加一个间接的中间层来解决。”
按照这个思路，我们就可以在智能电灯实体和平台之间，增加一层标准规范来解决这些问题。就像，你使用不同的浏览器访问极客时间的网站，都可以看到课程的文本、音频、视频等内容，因为这些内容都是基于 HTML （HyperText Markup Language，超文本标记语言）等规范组织的。
物联网中的这层规范就是 Thing Specification Language，简称 TSL。使用 TSL 描述的物联网中的实体模型，就是**“物模型”**，或者叫做“产品模型”，也有叫“数据模板”的。不过，我认为“物模型”更有物联网专属的感觉，所以在咱们这门课里我都会用“物模型”这个叫法。
物模型和设备的关系是什么？
物模型是物理世界的实体东西的一个抽象，是进行数字化描述后，用于数字世界的数字模型。这么说可能有点绕，更直接一点说就是，物模型是使用计算机可以理解的语言，说清楚这个产品是什么、能做什么事情，以及可以提供哪些信息。
而抽象就是要提取出产品的共同特征，形成模型。以智能灯为例，不同的灯，尽管规格不同，但它们的属性是相似，比如都有开关状态的属性，功能逻辑也相仿。我们可以将这些特征标准化，形成智能灯的物模型。
反过来，物模型也规约了设备的功能。新增加的设备，如果是同一类型的，在设计、研发中，会遵循相同的功能定义，有相同的特征，实现相同的服务。比如，灯都应该有“开”和“关”两种状态。
为什么要使用物模型？
基于共同的抽象特征，物模型可以让应用程序不再针对一个个的产品设备，而是同一类设备采用相同的处理逻辑。这实际上是应用开发的基础。当烟感传感器的数值触发报警时，即使是不同品牌的烟感产品，应用程序也可以对数值做相同的处理和判断，否则只能分别进行数值分析。
另外，物模型中，设备的功能是明确定义的，可以方便地实现场景联动。比如，光线传感器可以基于光照强度，向智能电灯发送亮度的控制命令，或者开和关的命令。
如何定义物模型？
那么，如何定义智能电灯的物模型呢？这里我想告诉你结论，我们一般是通过属性、事件和动作这三种功能元素来定义。接下来，我就一一和你介绍。
我们知道，智能电灯的状态，要么是打开，要么是关闭；当进行控制时，这两种状态还会相互转换。此外，有些灯还可以根据需求设置不同的亮度、颜色和色温等。
它们的共同点就是，都描述了产品设备运行时的某种状态，我们用**属性（Property）**来表示。
属性的特点是可读可写。也就是说，应用程序可以读取属性，也可以设置设备的属性。我们还可以看到类似的例子，比如环境监测设备的温度、湿度这两个属性等。
如果智能电灯在运行过程中，出现了低电压的情况，或者发生了硬件故障，那么联网的设备可以将这些信息发送出去，通知你来及时作出处理。
这类由产品设备在运行过程中产生的信息、告警和故障等，就是事件（Event）。
一个事件可以包含多个输出参数。事件不同于属性，事件是设备上报的，不能由应用来设置。类似的例子，还有某任务完成时的消息，环境传感器检测到污染物的告警等。
我们再看生活中关于灯的一个使用场景：第一次约会的时候，你希望灯能够烘托出浪漫的气氛，就要调节灯的颜色、亮度和色温。如果分别设置属性，将会非常繁琐，这时你会想到要为灯增加一个场景模式的功能，一个命令就可以设置到浪漫模式。
这种设备可以被调用的能力或者方法，就是动作（Action），也被称作服务（Service）。
动作由应用下发给设备，设备可以返回结果给应用。从执行的流程看，动作还可以进一步分为同步和异步。这取决于动作是否是个耗时的操作，以及其他应用逻辑对于动作执行结果的依赖关系。
你可能想，设置属性也可以改变设备的状态，那它们的区别是什么呢？相比于属性，动作是应用下发到设备的控制命令；动作可通过一条指令实现更复杂的业务逻辑，比如，调低温度 5 度，旋转摄像头 30°等。
到这里，我们定义了属性、事件和动作这三类功能，也就完成了物模型的定义。
接下来，我们要做的是通过数据来描述它们。和编程语言一样，作为一种模型语言，物模型的数据也有不同的数据类型。它们主要包括六种：
- 布尔型（Bool）：非真即假的二值型变量。例如，开关功能只有开、关两种状态。
- 整数型（Int）：可用于线性调节的整数变量。例如，电灯的亮度是一个整数范围。
- 字符串型（String）：以字符串形式表达的功能点。例如，灯的位置。
- 浮点型（Float）：精度为浮点型的功能点。例如，电压值的范围是0.0 - 24.0。
- 枚举型（Enum）：自定义的有限集合值。例如，灯的颜色有白色、红色、黄色等。
- 时间型（Timestamp）：String 类型的 UTC 时间戳。
对于整数型、浮点型的数值，它们的单位可以是百分比、电压、米等。
物模型一般是用 JSON 格式来表述模型元素。JSON 是 Web 开发中，经常使用的数据格式，相比于 XML，它更加简洁、清晰，也更轻量级。
在实践中，你手动写完 JSON 格式的物模型后，可以使用检测工具来验证语法是否正确，比如，在线检测工具 JSON Schema Lint。
接下来，我们就按照属性、事件、动作/服务这三个要素，一起看看如何用JSON格式来定义智能电灯的物模型吧。
定义智能电灯的物模型
智能电灯的开关属性是布尔类型，是必须有的属性。它可以通过 JSON 表述如下：
{
"id": "power_switch", //属性的唯一标识
"name": "电灯开关", //名称
"desc": "控制电灯开灭", //属性的详细描述
"required": true, //表示此属性是否必需包含，是
"mode": "rw", //属性的模式，r代表读，w代表写
"define": { //属性的数值定义
"type": "bool", //数值的类型，布尔
"mapping": { //具体数值的含义
"0": "关", //0表示灯关闭
"1": "开" //1表示灯打开
}
}
}
智能电灯的电压是需要监控的数值，当电压低时，可以上报这个事件。这个事件有一个参数，即电压值，数据类型是浮点类型。JSON 格式的描述如下：
{
"id": "low_voltage", //事件唯一标识
"name": "LowVoltage", //事件名称
"desc": "Alert for device voltage is low", //事件的描述
"type": "alert", //事件的类型，告警
"required": false, //表示此属性是否必需包含，否
"params": [ //事件的参数
{
"id": "voltage", //事件参数的唯一标识
"name": "Voltage", //事件参数的名称
"desc": "Current voltage", //参数的描述
"define": { //参数的数值定义
"type": "float", //数值类型，浮点数
"unit": "V", //数值的单位，伏
"step": "1", //数值变化的步长，1
"min": "0.0", //数值的最小值
"max": "24.0", //数值的最大值
"start": "1" //事件的起始值
}
}
]
}
动作的定义，和属性、事件的定义过程类似，这里我就不再单独解释了。我们直接将所有属性、事件和动作合并，就得到了智能电灯物模型的完整JSON格式：
{
"version": "1.0", //模型版本
"properties": [ //属性列表
{
"id": "power_switch", //电灯开关属性
"name": "电灯开关",
"desc": "控制电灯开灭",
"required": true,
"mode": "rw",
"define": {
"type": "bool",
"mapping": {
"0": "关",
"1": "开"
}
}
},
{
"id": "brightness", //亮度属性
"name": "亮度",
"desc": "灯光亮度",
"mode": "rw",
"define": {
"type": "int",
"unit": "%",
"step": "1",
"min": "0",
"max": "100",
"start": "1"
}
},
{
"id": "color", //电灯颜色属性
"name": "颜色",
"desc": "灯光颜色",
"mode": "rw",
"define": {
"type": "enum",
"mapping": {
"0": "Red",
"1": "Green",
"2": "Blue"
}
}
},
{
"id": "color_temp", //色温属性
"name": "色温",
"desc": "灯光冷暖",
"mode": "rw",
"define": {
"type": "int",
"min": "0",
"max": "100",
"start": "0",
"step": "10",
"unit": "%"
}
}
],
"events": [ //事件列表
{
"id": "status_report", //运行状态报告
"name": "DeviceStatus",
"desc": "Report the device status",
"type": "info",
"required": false,
"params": [ //事件参数列表
{
"id": "status",
"name": "running_state",
"desc": "Report current device running state",
"define": {
"type": "bool",
"mapping": {
"0": "normal",
"1": "fault"
}
}
},
{
"id": "message",
"name": "Message",
"desc": "Some extra message",
"define": {
"type": "string",
"min": "0",
"max": "64"
}
}
]
},
{
"id": "low_voltage", //低电压告警事件
"name": "LowVoltage",
"desc": "Alert for device voltage is low",
"type": "alert",
"required": false,
"params": [
{
"id": "voltage",
"name": "Voltage",
"desc": "Current voltage",
"define": {
"type": "float",
"unit": "V",
"step": "1",
"min": "0.0",
"max": "24.0",
"start": "1"
}
}
]
},
{
"id": "hardware_fault", //硬件错误事件
"name": "Hardware_fault",
"desc": "Report hardware fault",
"type": "fault",
"required": false,
"params": [
{
"id": "name",
"name": "Name",
"desc": "Name like: memory,tf card, censors ...",
"define": {
"type": "string",
"min": "0",
"max": "64"
}
},
{
"id": "error_code",
"name": "Error_Code",
"desc": "Error code for fault",
"define": {
"type": "int",
"unit": "",
"step": "1",
"min": "0",
"max": "2000",
"start": "1"
}
}
]
}
],
"actions": [], //动作列表
"profile": { //产品参数
"ProductId": "8D1GQLE4VA", //产品ID
"CategoryId": "141" //产品分类编号
}
}
每个模型都要从头定义吗？
那我们在创建自己的新模型时，是不是每次都需要从头定义这些属性、事件和动作呢？有没有更简便的方式呢？答案当然是有的。
创建模型的时候，有拷贝和继承两种模式，这两种创建模式的不同主要体现在模型关系上。
“拷贝”模式类似于编程语言中的值拷贝，新建模型与被拷贝模型有完全相同的三元素，两个模型相互独立，模型变更互不影响。
“继承”模式就是面向对象编程中的继承概念，新建模型被定义为“子模型”，被继承的模型定义为“父模型”。
继承的具体特征是：
- 子模型继承父模型的所有要素，且继承的元素无法被修改。
- 子模型可以再被继承，支持多层的继承关系。
- 子模型可以创建独立的要素，但子模型中新增的要素不可以和所有上级父模型中的元素重名。
- 当父模型中的元素发生变更时，子模型中继承自父模型的元素同步变更，保持与父模型一致。
以我们刚刚定义的智能电灯的物模型为例，如果要增加安装位置的属性，可以继承已有的模型，然后再增加安装位置的属性。（注意：下面的 JSON 表述省略了与父模型重复的内容。）
{
...
{
"id": "name", //灯位置属性
"name": "灯位置名称",
"desc": "灯位置名称：书房、客厅等",
"mode": "rw",
"required": false,
"define": {
"type": "string",
"min": "0",
"max": "64"
}
}
...
}
到这里，我们已经了解了物模型，并且完整实践了一遍物模型的创建。接下来，我给你延伸一下，讲两个和物模型相关的概念。
物模型的拓展应用
你也许听到过“设备影子”和“数字孪生”这两个概念，它们和我们这里说的“物模型”是什么关系呢？
设备影子
设备影子用于缓存设备状态。应用程序可以通过设备影子直接获取设备最后一次更新的属性值，而无需每次都访问设备。设备在线时，可以直接获取应用指令；设备离线后，再次上线可以主动拉取应用指令。
我们可以再想象一个场景。如果设备网络稳定，很多应用程序请求获取设备状态，设备需要根据请求响应多次，即使响应的结果是一样的。但是可能设备本身处理能力有限，其实无法负载被请求多次的情况。
使用设备影子机制，设备只需要主动同步状态给设备影子一次，多个应用程序请求设备影子获取设备状态，即可获取设备最新状态，做到应用程序和设备的解耦。
再比如，智能电灯的开关状态这个属性，手机 App 可以远程控制，你也可以在本地通过物理开关改变。如果网络不稳定，那么平台上存储的状态，和电灯设备的真实状态可能会不一致，导致后续操作逻辑错误。
设备影子可以通过双向的同步，实现服务器端和设备端属性的一致，从而解决这个问题。
数字孪生（Digital Twin）
物模型是物理实体的数字化模型，但主要针对的是物联网中应用的开发和设备的互操作。
这个模型如果更进一步，集成了物理实体的各类数据，那就是物理实体的忠实映射。同时，在物理实体的整个生命周期中，它会和实体一起进化，积累各种信息和知识，并且促进物理实体的优化。这样的模型就是物理实体的数字孪生。
在工业物联网领域，这个概念已经有了很多的探讨和应用。
比如，特斯拉公司为其生产的每一辆电动汽车都建立了数字孪生模型，相关的模型数据保存在公司的数据库中，以便在测试中排查故障，为用户提供更好的服务。
小结
总结一下，在这一讲中，我通过智能电灯的例子讲解了物模型。
- 物模型是物理世界中产品设备的数字化模型，它对设备的共同特征进行了抽象，同时规约了设备的设计。
- 物模型一般是使用 TSL 描述的 JSON 格式文件。
- 物模型包括属性、事件和动作三个功能元素。其中，属性可读可写；事件可以包括多个参数；动作包括应用下发的命令，和设备返回的响应信息
在实践中，定义物模型时，你需要注意物模型三个功能元素的区别，尤其要了解属性和动作的联系和不同。不好的定义会给功能实现带来困难，比如，将智能电灯的“开”和“关”，定义为两个不同的动作。
物模型在物联网系统开发中，作用重大，它为应用开发提供了统一的数据模板，方便了场景联动的实现，同时，为平台上实现设备影子提供了基础。
类似地，数字孪生也正是建立在物理实体的数字模型之上的重要技术方向。这里作为一个引子，有兴趣的话，你可以深入了解一下，也许对你在工作中做系统设计有帮助。
思考题
最后，我还是给你留个思考题作为结尾。
物模型是实战开发的基础，咱们最后再通过一个练习来强化下学习效果吧。请你定义一个环境温湿度传感器的物模型。你可以从属性、事件、动作三个元素的角度思考一下，而且一定要动手写一写。
欢迎在留言区写出你的答案，和我一起交流一下。在后面的实战中，我们也会涉及到温湿度传感器的物模型。如果你的朋友对物联网有兴趣，也欢迎你将这个课程分享给他们一起学习进步。