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？

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：
kotlin 复制代码
```
val ledPin: Gpio = peripheralManager.openGpio("BCM4").apply {
    setDirection(Gpio.DIRECTION_OUT_INITIALLY_LOW)
}
```

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：

kotlin 复制代码

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

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

硬件抽象层（HAL）

通过 PeripheralManagerService 统一访问 GPIO、I2C、SPI 等接口：

kotlin 复制代码

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

传感器驱动开发

封装常见传感器（如 BME280）为 Kotlin 类：

kotlin 复制代码

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
    }
}

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

MQTT 消息推送

使用 Eclipse Paho 库实现设备到云端的双向通信：

kotlin 复制代码

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

CoAP 资源受限设备通信

通过 Californium 库实现轻量级 RESTful 交互：

kotlin 复制代码

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

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

通信加密

强制 TLS 1.3 并实现证书绑定（Certificate Pinning）：

kotlin 复制代码

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

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

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

Kotlin 服务逻辑

kotlin 复制代码

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
    }
}

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

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

跨平台框架

kotlin 复制代码

// 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。