Kotlin与物联网（IoT）：Android Things开发探索

在物联网（IoT）领域，Kotlin 凭借其简洁性、安全性和与 Java 生态的无缝兼容性，逐渐成为 Android Things 开发的有力工具。尽管 Google 已于 2022 年宣布停止对 Android Things 的官方支持，但其技术思想仍值得探索，且相关模式可迁移至其他 IoT 平台。以下从多个维度解析 Kotlin 在 IoT 开发中的实践：

一、为何选择 Kotlin 开发 IoT？

1. 精简代码结构
   Kotlin 的扩展函数（如 GPIO.pinMode）和空安全特性可减少硬件操作中的潜在崩溃：

   val ledPin: Gpio = peripheralManager.openGpio("BCM4").apply {
       setDirection(Gpio.DIRECTION_OUT_INITIALLY_LOW)
   }
   

2. 协程处理异步任务
   避免回调地狱，轻松管理传感器数据流的并发采集：

   suspend fun readTemperature() = withContext(Dispatchers.IO) {
       i2cDevice.readRegByte(TEMP_REGISTER).toFloat()
   }
   

3. 跨平台兼容性
   Kotlin Multiplatform 支持在嵌入式设备与云端服务间共享业务逻辑代码。

二、Android Things 核心开发模式

1. 硬件抽象层（HAL）
   通过 PeripheralManagerService 统一访问 GPIO、I2C、SPI 等接口：

   val manager = PeripheralManager.getInstance()
   val uart = manager.openUartDevice("UART0").apply {
       configure(baudRate = 9600, dataSize = 8)
   }
   

2. 传感器驱动开发
   封装常见传感器（如 BME280）为 Kotlin 类：

   class BME280(private val i2c: I2cDevice) {
       fun readPressure(): Float {
           val data = i2c.readRegBuffer(0xF7, 3)
           return compensatePressure(data) // 传感器校准算法
       }
   }
   

3. 低功耗优化
   利用 WorkManager 调度后台任务，结合设备休眠模式降低能耗。

三、IoT 通信协议实现

1. MQTT 消息推送
   使用 Eclipse Paho 库实现设备到云端的双向通信：

   val client = MqttAndroidClient(context, "tcp://broker.hivemq.com", "kotlin-device")
   client.connect().subscribe {
       client.publish("sensors/temp", "25.6".toByteArray(), 0, false)
   }
   

2. CoAP 资源受限设备通信
   通过 Californium 库实现轻量级 RESTful 交互：

   val coapServer = CoapServer().apply {
       add(CoapResource("led").apply {
           add(CoapPostHandler()) // 处理POST控制指令
       })
       start()
   }
   

四、安全增强策略

1. 硬件级安全

   • 使用 Trusty TEE 隔离敏感操作
   • 借助 Android Keystore 管理设备密钥

2. 通信加密
   强制 TLS 1.3 并实现证书绑定（Certificate Pinning）：

   val okHttpClient = OkHttpClient.Builder()
       .sslSocketFactory(sslContext.socketFactory, trustManager)
       .addInterceptor(CertificatePinningInterceptor())
       .build()
   

3. OTA 安全升级
   基于 Ed25519 签名验证固件包完整性。

五、实战案例：智能农业监控系统

1. 硬件层

   • 树莓派 CM4 + 土壤湿度传感器
   • LoRaWAN 模块实现长距离通信

2. Kotlin 服务逻辑

   fun monitorCrop() = lifecycleScope.launch {
       while (isActive) {
           val moisture = soilSensor.readMoisture()
           val packet = TelemetryPacket().apply {
               put("moisture", moisture)
               timestamp = System.currentTimeMillis()
           }
           cloudService.uploadData(packet)
           delay(300_000) // 每5分钟采样
       }
   }
   

3. 云端集成

   • 通过 Firebase Realtime Database 存储历史数据
   • 利用 ML Kit 实现异常模式检测

六、后 Android Things 时代的技术迁移

1. 替代方案

   • Raspberry Pi OS：直接使用 Linux 驱动 + Kotlin/Native
   • MicroPython/CircuitPython：通过 Koltin 服务端协调设备集群
   • Azure Sphere/Amazon FreeRTOS：企业级安全 IoT 方案

2. 跨平台框架

   // 在 KMM 中共享传感器数据处理逻辑
   expect class TemperatureSensor() {
       fun readValue(): Flow<Float>
   }
   
   // Android 实现
   actual class TemperatureSensor {
       actual fun readValue() = callbackFlow {
           val listener = { temp -> trySend(temp) }
           sensorManager.registerListener(listener)
           awaitClose { unregister() }
       }
   }
   

结语

尽管 Android Things 已退出舞台，但 Kotlin 在 IoT 领域展现出强大生命力。开发者可通过混合架构（如边缘计算 + 云端 AI）结合现代语言特性，构建更健壮的智能设备系统。建议关注新兴标准如 Matter，并探索 Kotlin 在 WebAssembly 等前沿领域的 IoT 应用潜力。