物聯(lián)網(wǎng)操作系統的研究與實(shí)踐

潘愛(ài)民? （杭州指令集智能科技有限公司CEO，浙江?杭州?310012）

摘要：物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的系統技術(shù)是當前的一個(gè)熱點(diǎn)，既有基于云計算的物聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)，也有物聯(lián)網(wǎng)設備 采用的操作系統技術(shù)，還有邊緣計算所用到的系統軟件技術(shù)等。本文首先闡述了在物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中所需要的系統軟件，并回顧了物聯(lián)網(wǎng)設備常用的操作系統，然后提出了本文對于物聯(lián)網(wǎng)操作系統的定義，它是特指在物聯(lián)網(wǎng)設備的使用場(chǎng)景中，能夠將各種物聯(lián)網(wǎng)設備集合起來(lái)發(fā)揮作用、管理此場(chǎng)景中軟硬件資源的系統軟件。最后介紹了一個(gè)工業(yè)界實(shí)踐中的物聯(lián)網(wǎng)操作系統—指令集智能操作系統。

關(guān)鍵詞：操作系統；物聯(lián)網(wǎng)；智能設備；物聯(lián)網(wǎng)操作系統

1  操作系統的演進(jìn)

       操作系統經(jīng)過(guò)了幾代的發(fā)展，從最早期的多任務(wù)操作系統，如Multics和UNIX，到適用于個(gè)人電腦的多處理器操作系統，如Linux和Windows，再到最近10多年廣泛流行的移動(dòng)操作系統，如iOS和Android，其核心技術(shù)已經(jīng)非常成熟，軟件復雜度也達到了上億行代碼的規模。操作系統的每一次大發(fā)展必定跟計算機硬件的發(fā)展密切相關(guān)。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）時(shí)代的到來(lái)，操作系統也必將迎來(lái)新的發(fā)展。

       表1 總結了每一代操作系統的特征。

2  物聯(lián)網(wǎng)需要什么樣的基礎軟件

　　物聯(lián)網(wǎng)的核心是各種物體連接到互聯(lián)網(wǎng)：互聯(lián)網(wǎng)仍然是基礎，物聯(lián)網(wǎng)并沒(méi)有再造出一個(gè)獨立的網(wǎng)絡(luò )，但是對互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了擴展和延伸，允許各種物體通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)交換信息和通信。大量的物體都連接到了網(wǎng)絡(luò )，最直接的效果是，這些物體都可以被遠程操控，例如，物體的狀態(tài)顯示在任何一個(gè)屏幕上，物體上的開(kāi)關(guān)可以由遠端的軟件來(lái)控制。譬如，在圖1中，體重計是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設備，它能夠連接到后臺服務(wù)器，上報數據和狀態(tài)，遠程用戶(hù)可以通過(guò)連接服務(wù)器來(lái)獲得體重計的數據和狀態(tài)。

　　在這樣的環(huán)境下，我們可以看到有三個(gè)地方需要軟件：一是體重計上的軟件；二是服務(wù)器上的軟件，完成體重計設備的狀態(tài)監測以及數據記錄和報告；三是客戶(hù)端的軟件，顯示所需要的信息或者接受用戶(hù)的指令。

　　首先，體重計需要一個(gè)操作系統來(lái)完成基本硬件的能力，包括連接網(wǎng)絡(luò )的能力。這樣的系統很成熟，門(mén)檻也不高，對于體重計，用一個(gè)單片機（MCU）就可以讓它工作起來(lái)，或者也可以用一個(gè)嵌入式系統，功能更強大。其次，在后臺服務(wù)器需要一個(gè)服務(wù)軟件，一方面與體重計進(jìn)行連接與通信，另一方面也允許遠程用戶(hù)連接上來(lái)并指定相應的體重計設備，以便查看信息或者對它進(jìn)行控制。客戶(hù)端的功能通常用瀏覽器來(lái)完成，不需要額外安裝軟件；也可以用移動(dòng)應用或者各種形態(tài)的小程序的形式來(lái)跟服務(wù)器通信。

　　幾乎每一種物聯(lián)網(wǎng)設備，為了讓它們以聯(lián)網(wǎng)的方式工作起來(lái)，都需要像體重計這樣的軟件架構。概括起來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)設備的軟件分如下兩部分（如圖2）。

　　? 在設備硬件上，用一個(gè)軟件程序讓設備工作起來(lái)，并且具備連接網(wǎng)絡(luò )的能力；

　　? 需要有一個(gè)服務(wù)軟件能夠為這個(gè)設備提供各種便利的服務(wù)。

　　在某些特定情況下，可以把以上兩方面的軟件功能都放在設備上完成，這樣就不需要后臺服務(wù)器，因而客戶(hù)端可以直接連接設備。但這通常僅限于一些計算和存儲能力較強的設備，并且對部署方式也有要求（比如智能路由器）。本文不討論這樣的設備實(shí)例和軟件架構。

       操作系統的意義在于，對硬件的基本功能進(jìn)行抽象，從而做到各種應用軟件無(wú)需直接跟硬件打交道就可以操控硬件。針對如圖2所示的軟件劃分，我們可以抽象出下面的操作系統來(lái)協(xié)同工作。

       ? 物聯(lián)網(wǎng)設備操作系統。這是運行在設備上的軟件，常見(jiàn)的是嵌入式操作系統，用恰當的軟件把設備驅動(dòng)起來(lái)，讓它們正常地工作；

       ? 物聯(lián)網(wǎng)操作系統。這是工作在設備之外的服務(wù)器上的軟件，它提供了設備功能之外的擴展或延伸能力，譬如遠程訪(fǎng)問(wèn)能力、歷史數據記錄和分析能力、多個(gè)設備的協(xié)同功能，等等。

      物聯(lián)網(wǎng)設備操作系統很容易理解，有大量的教科書(shū)或專(zhuān)著(zhù)來(lái)詳細講解現代操作系統的軟件結構和相應 的資源調度算法^[1]。物聯(lián)網(wǎng)操作系統是一個(gè)相對比較新的概念，但事實(shí)上又廣泛存在著(zhù)大量的軟件在完成這些功能。很多設備廠(chǎng)商需要搭建一個(gè)后臺服務(wù)系統，甚至還有不少廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)了客戶(hù)端移動(dòng)APP。這就是典型的、在操作系統缺位的情況下，硬件廠(chǎng)商不得不自己研發(fā)軟件系統的情形。而理想的情況是：存在通用的物聯(lián)網(wǎng)操作系統，可以讓設備廠(chǎng)商專(zhuān)注于設備 研發(fā)，設備廠(chǎng)商只需開(kāi)發(fā)驅動(dòng)軟件以及簡(jiǎn)單的應用軟件就可以讓設備用起來(lái)。

3  物聯(lián)網(wǎng)設備操作系統

　　物聯(lián)網(wǎng)設備所在的硬件環(huán)境往往有以下特點(diǎn)。

　　? 連接。這是物聯(lián)網(wǎng)設備的必要功能，以特定的方式連接到計算機網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)而連接到互聯(lián)網(wǎng)。常 見(jiàn)的接入協(xié)議有Zigbee、藍牙、Wi-Fi、NB-IoT或RoLa等。

　　? 低功耗。這些設備需要長(cháng)時(shí)間（幾個(gè)月，甚至幾年）運行，對電量的消耗有苛刻的要求，通常只能靠電池供電。

　　? 安全。設備要能報告自己的狀態(tài)，并且有一定糾錯和保密的能力，還要避免被仿冒和入侵。

　　? 標準。每一種設備都隸屬于特定的行業(yè)，而成熟的行業(yè)往往已經(jīng)形成了相應的工業(yè)標準，最起碼也有事實(shí)上的參考標準。

　  　 運行在物聯(lián)網(wǎng)設備上的操作系統往往有多種選擇，取決于設備本身的計算和存儲能力，一般地，可分為微控制器（MCU）和中央處理器兩大類(lèi)。典型的有以下一些操作系統。

　　? ARM Mbed OS^[2]。Arm公司專(zhuān)門(mén)針對IoT設備的開(kāi)源操作系統，主要支持Cortex-M微處理器。

　　? FreeRTOS^[3]。針對嵌入式設備的開(kāi)源實(shí)時(shí)操作系統，支持眾多的微處理器。FreeRTOS有三個(gè)商業(yè)性質(zhì)的衍生版本：SafeRTOS、Amazon RTOS及 OpenRTOS。

　　? RT-Thread^[4]。類(lèi)似于FreeRTOS的設備側實(shí)時(shí)操作系統，支持大量的微處理器架構。這是難得的國內成長(cháng)起來(lái)的操作系統，且經(jīng)營(yíng)了良好的社區氛圍。

　　? LiteOS^[5]。是華為研發(fā)的輕量級開(kāi)源實(shí)時(shí)操作系統，在設計上支持Arm、x86和RISC-V微處理器。

　　? Zephyr^[6]。是Linux基金會(huì )的一個(gè)項目，針對資源受限和嵌入設備的實(shí)時(shí)操作系統，支持多種主流的微處理器架構。

　　? 嵌入式Linux。是Linux操作系統的一個(gè)剪裁版本，它繼承了Linux的優(yōu)勢和大量的社區資源，又具有嵌入式操作系統的特性。OpenWRT是嵌入式Linux 的一個(gè)發(fā)行版，廣泛應用于諸如智能路由器、智能家居等設備。

　　? Android Things^[7]。Google針對物聯(lián)網(wǎng)設備的開(kāi)源操作系統，它是在A(yíng)ndroid基礎上進(jìn)行剪裁形成的，對系統資源的要求比Android低很多。

　　? VxWorks^[8]。是一個(gè)老牌的實(shí)時(shí)操作系統，支持眾多處理器架構，廣泛應用于軍事、航空、航天等高精和對實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域，最經(jīng)典的莫過(guò)于NASA 的火星探測車(chē)上裝載了VxWorks操作系統（如圖3）。

　　以上列舉的設備操作系統，除了VxWorks外，代碼都是開(kāi)源的，并且有相應的開(kāi)發(fā)者工具和社區，背后有商業(yè)公司在支持?？梢哉f(shuō)，這些實(shí)時(shí)操作系統為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代設備的繁榮提供了最核心的軟件支撐，它們一方面吸收了操作系統領(lǐng)域的研究成果，另一方面也針對嵌入式設備或物聯(lián)網(wǎng)設備進(jìn)行了優(yōu)化和剪裁。

　　順便提一下，很多文獻資料把設備操作系統稱(chēng)為物聯(lián)網(wǎng)操作系統^[9-11]，甚至提出未來(lái)可否有一個(gè)統一的物聯(lián)網(wǎng)操作系統。筆者認為，由于物聯(lián)網(wǎng)設備的多樣性和差異性，用一個(gè)系統來(lái)統一驅動(dòng)各種設備是不合理的，也是不現實(shí)的，但是這種努力會(huì )對設備操作系統的架構演進(jìn)有幫助，使架構更靈活，在不同計算能力的設備上有更好的伸縮性，并且可沉淀出高質(zhì)量的可復用軟件模塊（譬如連接協(xié)議、渲染引擎、執行引擎等）。

4  物聯(lián)網(wǎng)操作系統

       設備操作系統解決的是設備怎么聯(lián)網(wǎng)、如何更方 便地聯(lián)網(wǎng)的問(wèn)題，但沒(méi)有解決聯(lián)網(wǎng)之后做什么以及如何做的問(wèn)題。從長(cháng)遠發(fā)展來(lái)看，后者無(wú)疑更為重要。這就是前文提到的物聯(lián)網(wǎng)操作系統，它特指在物聯(lián)網(wǎng)設備的使用場(chǎng)景中，能夠將各種物聯(lián)網(wǎng)設備集合起來(lái)發(fā)揮作用，并管理此場(chǎng)景中軟硬件資源的系統軟件。

       我們來(lái)看一些場(chǎng)景（如圖4）。

       ? 一組智能燈的協(xié)同。單個(gè)智能燈可以具備開(kāi)、關(guān)、調節燈光等基本功能，若跟具體場(chǎng)景結合起來(lái)， 可以讓這種聯(lián)網(wǎng)控制能力具有更大的價(jià)值。譬如，在家庭場(chǎng)景，可以根據生活習性和作息時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)調節；在野外路燈場(chǎng)景，可以根據戶(hù)外光線(xiàn)做到自適應環(huán)境；等等。

        ? 酒店房間智能化。目前越來(lái)越多的酒店配備了智能設備，包括電視、燈控、空調、鏡子，甚至窗簾、馬桶等。單個(gè)設備若獨立工作，聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值只是取代了遙控器或者墻面開(kāi)關(guān)，而智能化真正的目標是為住客提供舒適、貼心的室內環(huán)境。

       ? 建筑體的健康檢測。拿橋梁來(lái)舉例，一座大橋的檢測系統會(huì )有大量的傳感器來(lái)采集數據，然后再通過(guò)專(zhuān)業(yè)的模型來(lái)分析橋梁的健康狀況。單個(gè)傳感器只反映一個(gè)局部狀態(tài)，所有傳感器集合起來(lái)進(jìn)行分析可以獲得關(guān)于橋梁的健康評價(jià)。

　　   以上列舉的這些場(chǎng)景都需要數量眾多的物聯(lián)網(wǎng)設備協(xié)同起來(lái)發(fā)揮作用，不同的場(chǎng)景目前有各自獨立的解決辦法。有的開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的應用系統來(lái)解決場(chǎng)景中的設備協(xié)同工作需求，例如橋梁檢測系統、燈光控制系統等。還有一種解決辦法是用云服務(wù)平臺來(lái)連接所有的設備，然后利用云服務(wù)平臺的功能來(lái)開(kāi)發(fā)相應的場(chǎng)景智能系統。例如，針對智能家居的場(chǎng)景，可以通過(guò)云服務(wù)平臺來(lái)實(shí)現設備之間的協(xié)同。有些智能音箱廠(chǎng)商通過(guò)這種方式來(lái)實(shí)現語(yǔ)音控制電器。

　　這就回到本節開(kāi)始提到的問(wèn)題：物聯(lián)網(wǎng)設備連接以后做什么和如何做的問(wèn)題。本質(zhì)上，這需要一個(gè)軟件系統，我們根據對各種場(chǎng)景進(jìn)行抽象，按照兩層架構來(lái)實(shí)現這樣的軟件系統：最基礎的一層軟件是通用的，可適用于各種物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，包括設備連接和管理、數據采集和處理等；另一層是應用軟件，用于實(shí)現各個(gè)場(chǎng)景中需要的功能邏輯。前者正是物聯(lián)網(wǎng)操作系統，后者是物聯(lián)網(wǎng)操作系統之上的應用軟件。這與本文第二節講到的軟件劃分是一致的，如圖5所示。

　　物聯(lián)網(wǎng)操作系統承載的是通用的能力，包括但不限于以下功能。

　　? 設備接入。使得各種不同類(lèi)型的設備通過(guò)局部的模塊（驅動(dòng)程序）連接到操作系統中，從而操作系統可以獲取設備的狀態(tài)信息。

　　? 反向控制設備。操作系統可以向設備發(fā)送命令，達到控制設備的目的。

　　? 設備管理。對于連接到一個(gè)操作系統上的設備進(jìn)行管理，包括查看它們的狀態(tài)、設置報警條件、設置位置、診斷驅動(dòng)程序，等等。

　　? 數據采集。采集來(lái)自于物聯(lián)網(wǎng)設備的數據，可定制表結構和數據目錄。作為系統完整性，也要有擴展能力，可接受外部的數據。

　　? 數據分析和檢索。操作系統提供功能對采集到的數據進(jìn)行分析，并更新指標值。指標是一個(gè)業(yè)務(wù)相關(guān)的衡量單位或特征，有名稱(chēng)和值。指標的計算既可以實(shí)時(shí)完成，也可以定時(shí)完成，或者通過(guò)事件或應用層命令來(lái)觸發(fā)。操作系統也提供數據檢索的能力，方便應用層引用或者搜索數據。

　　? 數據展示。操作系統提供常見(jiàn)的數據展示能力，包括結構化和非結構化數據的圖形化顯示，各種指標的統計圖表等。

　　? 日志。日志是一個(gè)操作系統的基本能力，在物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中尤為重要。完善的日志能力可便于診斷各個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設備的異常情形。

　　? 算法。操作系統提供一個(gè)基礎的算法庫，包括統計分析算法、AI算法等，便于應用程序實(shí)現各種業(yè)務(wù)邏輯。在物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中，這相當于一個(gè)數據武器庫。

      ? 系統服務(wù)。操作系統以系統服務(wù)的形式將能力提供給上層應用程序，系統服務(wù)的集合涵蓋各種基礎的功能，并且理想情況下，允許應用廠(chǎng)商擴展定義更多系統服務(wù)。

      ? 安全性。作為物聯(lián)網(wǎng)操作系統，涉及各個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設備連接到系統中，安全性尤為重要，包括系統安全、設備安全、數據安全以及無(wú)線(xiàn)安全。

      ? 擴展功能。物聯(lián)網(wǎng)操作系統的擴展性體現在多個(gè)方面：提供接入規范，允許非原生支持的設備也能夠接入進(jìn)來(lái)；系統服務(wù)可以擴展；數據采集格式可定制；數據處理和展示可擴展；算法庫可以擴展，等等。

      ? 開(kāi)發(fā)工具。需要應用程序樣例和相應的開(kāi)發(fā)工具，來(lái)幫助應用程序開(kāi)發(fā)者理解和學(xué)習物聯(lián)網(wǎng)操作系統。

      圖6顯示了物聯(lián)網(wǎng)操作系統的基礎模塊。

　　對于一個(gè)具體的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，僅僅以上的通用功能往往不足以支撐這個(gè)場(chǎng)景中的基本需求，譬如，辦公室環(huán)境還需要門(mén)禁和無(wú)線(xiàn)投屏的能力，酒店環(huán)境需要智能燈光調節、服務(wù)呼叫等功能。因此，物聯(lián)網(wǎng)操作系統的定制和擴展能力非常重要，針對特定類(lèi)型的場(chǎng)景，可以在基礎系統之上疊加擴展包，形成針對場(chǎng)景的智能操作系統（比如智慧辦公操作系統、智慧酒店操作系統等）。

　　而從物聯(lián)網(wǎng)操作系統的角度，它存在的價(jià)值是：將設備與服務(wù)軟件解除了耦合，不同類(lèi)型或不同數量 的設備可以動(dòng)態(tài)鏈接進(jìn)來(lái)，即使在不重新安裝或啟動(dòng)操作系統的情況下，也能適應設備增刪的變化。對于 截然不同功能的場(chǎng)景，可以使用同一個(gè)操作系統來(lái)提供基礎服務(wù)。另一方面，從物聯(lián)網(wǎng)應用的角度，應用開(kāi)發(fā)可基于統一的一層服務(wù)，再輔助以操作系統的開(kāi)發(fā)工具，可以極大地提高開(kāi)發(fā)效率。

5  指令集智能操作系統

　　杭州指令集智能科技有限公司提出了商業(yè)智能操作系統（BI-OS，Business Intelligence Operating System）來(lái)實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)設備的互聯(lián)互通，完全符合上 一節介紹的物聯(lián)網(wǎng)操作系統的要求。圖7顯示了BI-OS 的總體技術(shù)架構^[12]。

       BI-OS運行系統分五層，由底向上分別是設備子 系統、設備層、數據層、服務(wù)層，以及應用層。其中設備子系統是由設備廠(chǎng)商提供的，本質(zhì)上是運行物聯(lián)網(wǎng)設備操作系統的那個(gè)設備側軟件；應用層是指建立在BI-OS上的應用軟件，它們調用BI-OS所提供的系統服務(wù)，來(lái)滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。而中間的三層是BI-OS的核心。

       ? 設備層：利用智能數字網(wǎng)關(guān)技術(shù)，將各種物聯(lián)網(wǎng)設備采集的數據上傳到數據層，與其他數據進(jìn)行融合計算。

　　? 數據層：這一層包括數據中心、計算中心和算法模型庫。

　　? 服務(wù)層：將不同場(chǎng)景中應用共有的基礎性和關(guān)鍵性的服務(wù)進(jìn)行抽象，統一在服務(wù)層夯實(shí)。

　　BI-OS作為一個(gè)通用的物聯(lián)網(wǎng)操作系統，可以應用到各種商業(yè)場(chǎng)景中。一個(gè)典型的商業(yè)場(chǎng)景是智慧樓宇，通過(guò)BI-OS將一個(gè)大樓內的所有聯(lián)網(wǎng)設備連接到一個(gè)系統中，這樣不僅做到更高效的自動(dòng)化管理，而且隨著(zhù)大樓運營(yíng)一段時(shí)間，數據累積起來(lái)，可以?xún)?yōu)化運營(yíng)策略（譬如節省能耗、人流引導、堵住安全缺陷，等等）。

參考文獻

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作者簡(jiǎn)介：

       潘愛(ài)民（1970-），男，博士，主要研究方向：移動(dòng)操作系統、信息安全、大數據、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

（注：本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第8期第35頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。）