物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的研究與實踐

作者：潘愛民時間：2019-08-12 來源：電子產(chǎn)品世界

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潘愛民? （杭州指令集智能科技有限公司CEO，浙江?杭州?310012）

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201908/403609.htm

摘要：物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的系統(tǒng)技術(shù)是當前的一個熱點，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(tǒng)技術(shù)，還有邊緣計算所用到的系統(tǒng)軟件技術(shù)等。本文首先闡述了在物聯(lián)網(wǎng)場景中所需要的系統(tǒng)軟件，并回顧了物聯(lián)網(wǎng)設備常用的操作系統(tǒng)，然后提出了本文對于物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的定義，它是特指在物聯(lián)網(wǎng)設備的使用場景中，能夠?qū)⒏鞣N物聯(lián)網(wǎng)設備集合起來發(fā)揮作用、管理此場景中軟硬件資源的系統(tǒng)軟件。最后介紹了一個工業(yè)界實踐中的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)—指令集智能操作系統(tǒng)。

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

1 操作系統(tǒng)的演進

操作系統(tǒng)經(jīng)過了幾代的發(fā)展，從最早期的多任務操作系統(tǒng)，如Multics和UNIX，到適用于個人電腦的多處理器操作系統(tǒng)，如Linux和Windows，再到最近10多年廣泛流行的移動操作系統(tǒng)，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(guī)模。操作系統(tǒng)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)。隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）時代的到來，操作系統(tǒng)也必將迎來新的發(fā)展。

表1 總結(jié)了每一代操作系統(tǒng)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)并沒有再造出一個獨立的網(wǎng)絡，但是對互聯(lián)網(wǎng)進行了擴展和延伸，允許各種物體通過互聯(lián)網(wǎng)交換信息和通信。大量的物體都連接到了網(wǎng)絡，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)顯示在任何一個屏幕上，物體上的開關(guān)可以由遠端的軟件來控制。譬如，在圖1中，體重計是一個物聯(lián)網(wǎng)設備，它能夠連接到后臺服務器，上報數(shù)據(jù)和狀態(tài)，遠程用戶可以通過連接服務器來獲得體重計的數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

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

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

　　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，都需要像體重計這樣的軟件架構(gòu)。概括起來，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，用一個軟件程序讓設備工作起來，并且具備連接網(wǎng)絡的能力；

　　? 需要有一個服務軟件能夠為這個設備提供各種便利的服務。

　　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器，因而客戶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例和軟件架構(gòu)。

操作系統(tǒng)的意義在于，對硬件的基本功能進行抽象，從而做到各種應用軟件無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(tǒng)來協(xié)同工作。

? 物聯(lián)網(wǎng)設備操作系統(tǒng)。這是運行在設備上的軟件，常見的是嵌入式操作系統(tǒng)，用恰當?shù)能浖言O備驅(qū)動起來，讓它們正常地工作；

? 物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。這是工作在設備之外的服務器上的軟件，它提供了設備功能之外的擴展或延伸能力，譬如遠程訪問能力、歷史數(shù)據(jù)記錄和分析能力、多個設備的協(xié)同功能，等等。

物聯(lián)網(wǎng)設備操作系統(tǒng)很容易理解，有大量的教科書或?qū)Ｖ鴣碓敿氈v解現(xiàn)代操作系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)和相應的資源調(diào)度算法^[1]。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)是一個相對比較新的概念，但事實上又廣泛存在著大量的軟件在完成這些功能。很多設備廠商需要搭建一個后臺服務系統(tǒng)，甚至還有不少廠商開發(fā)了客戶端移動APP。這就是典型的、在操作系統(tǒng)缺位的情況下，硬件廠商不得不自己研發(fā)軟件系統(tǒng)的情形。而理想的情況是：存在通用的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，可以讓設備廠商專注于設備研發(fā)，設備廠商只需開發(fā)驅(qū)動軟件以及簡單的應用軟件就可以讓設備用起來。

3 物聯(lián)網(wǎng)設備操作系統(tǒng)

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

　　? 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，進而連接到互聯(lián)網(wǎng)。常見的接入?yún)f(xié)議有Zigbee、藍牙、Wi-Fi、NB-IoT或RoLa等。

　　? 低功耗。這些設備需要長時間（幾個月，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，最起碼也有事實上的參考標準。

　　運行在物聯(lián)網(wǎng)設備上的操作系統(tǒng)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。典型的有以下一些操作系統(tǒng)。

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

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

　　? RT-Thread^[4]。類似于FreeRTOS的設備側(cè)實時操作系統(tǒng)，支持大量的微處理器架構(gòu)。這是難得的國內(nèi)成長起來的操作系統(tǒng)，且經(jīng)營了良好的社區(qū)氛圍。

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

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

　　? 嵌入式Linux。是Linux操作系統(tǒng)的一個剪裁版本，它繼承了Linux的優(yōu)勢和大量的社區(qū)資源，又具有嵌入式操作系統(tǒng)的特性。OpenWRT是嵌入式Linux 的一個發(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)設備的開源操作系統(tǒng)，它是在Android基礎上進行剪裁形成的，對系統(tǒng)資源的要求比Android低很多。

　　? VxWorks^[8]。是一個老牌的實時操作系統(tǒng)，支持眾多處理器架構(gòu)，廣泛應用于軍事、航空、航天等高精和對實時性要求極高的領域，最經(jīng)典的莫過于NASA 的火星探測車上裝載了VxWorks操作系統(tǒng)（如圖3）。

　　以上列舉的設備操作系統(tǒng)，除了VxWorks外，代碼都是開源的，并且有相應的開發(fā)者工具和社區(qū)，背后有商業(yè)公司在支持?？梢哉f，這些實時操作系統(tǒng)為物聯(lián)網(wǎng)時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(tǒng)領域的研究成果，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(tǒng)稱為物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)^[9-11]，甚至提出未來可否有一個統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。筆者認為，由于物聯(lián)網(wǎng)設備的多樣性和差異性，用一個系統(tǒng)來統(tǒng)一驅(qū)動各種設備是不合理的，也是不現(xiàn)實的，但是這種努力會對設備操作系統(tǒng)的架構(gòu)演進有幫助，使架構(gòu)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(zhí)行引擎等）。

4 物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)

設備操作系統(tǒng)解決的是設備怎么聯(lián)網(wǎng)、如何更方便地聯(lián)網(wǎng)的問題，但沒有解決聯(lián)網(wǎng)之后做什么以及如何做的問題。從長遠發(fā)展來看，后者無疑更為重要。這就是前文提到的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，它特指在物聯(lián)網(wǎng)設備的使用場景中，能夠?qū)⒏鞣N物聯(lián)網(wǎng)設備集合起來發(fā)揮作用，并管理此場景中軟硬件資源的系統(tǒng)軟件。

我們來看一些場景（如圖4）。

? 一組智能燈的協(xié)同。單個智能燈可以具備開、關(guān)、調(diào)節(jié)燈光等基本功能，若跟具體場景結(jié)合起來，可以讓這種聯(lián)網(wǎng)控制能力具有更大的價值。譬如，在家庭場景，可以根據(jù)生活習性和作息時間進行自動調(diào)節(jié)；在野外路燈場景，可以根據(jù)戶外光線做到自適應環(huán)境；等等。

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

? 建筑體的健康檢測。拿橋梁來舉例，一座大橋的檢測系統(tǒng)會有大量的傳感器來采集數(shù)據(jù)，然后再通過專業(yè)的模型來分析橋梁的健康狀況。單個傳感器只反映一個局部狀態(tài)，所有傳感器集合起來進行分析可以獲得關(guān)于橋梁的健康評價。

　　以上列舉的這些場景都需要數(shù)量眾多的物聯(lián)網(wǎng)設備協(xié)同起來發(fā)揮作用，不同的場景目前有各自獨立的解決辦法。有的開發(fā)專門的應用系統(tǒng)來解決場景中的設備協(xié)同工作需求，例如橋梁檢測系統(tǒng)、燈光控制系統(tǒng)等。還有一種解決辦法是用云服務平臺來連接所有的設備，然后利用云服務平臺的功能來開發(fā)相應的場景智能系統(tǒng)。例如，針對智能家居的場景，可以通過云服務平臺來實現(xiàn)設備之間的協(xié)同。有些智能音箱廠商通過這種方式來實現(xiàn)語音控制電器。

　　這就回到本節(jié)開始提到的問題：物聯(lián)網(wǎng)設備連接以后做什么和如何做的問題。本質(zhì)上，這需要一個軟件系統(tǒng)，我們根據(jù)對各種場景進行抽象，按照兩層架構(gòu)來實現(xiàn)這樣的軟件系統(tǒng)：最基礎的一層軟件是通用的，可適用于各種物聯(lián)網(wǎng)場景，包括設備連接和管理、數(shù)據(jù)采集和處理等；另一層是應用軟件，用于實現(xiàn)各個場景中需要的功能邏輯。前者正是物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，后者是物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)之上的應用軟件。這與本文第二節(jié)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(tǒng)承載的是通用的能力，包括但不限于以下功能。

　　? 設備接入。使得各種不同類型的設備通過局部的模塊（驅(qū)動程序）連接到操作系統(tǒng)中，從而操作系統(tǒng)可以獲取設備的狀態(tài)信息。

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

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

　　? 數(shù)據(jù)采集。采集來自于物聯(lián)網(wǎng)設備的數(shù)據(jù)，可定制表結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)目錄。作為系統(tǒng)完整性，也要有擴展能力，可接受外部的數(shù)據(jù)。

　　? 數(shù)據(jù)分析和檢索。操作系統(tǒng)提供功能對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，并更新指標值。指標是一個業(yè)務相關(guān)的衡量單位或特征，有名稱和值。指標的計算既可以實時完成，也可以定時完成，或者通過事件或應用層命令來觸發(fā)。操作系統(tǒng)也提供數(shù)據(jù)檢索的能力，方便應用層引用或者搜索數(shù)據(jù)。

　　? 數(shù)據(jù)展示。操作系統(tǒng)提供常見的數(shù)據(jù)展示能力，包括結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的圖形化顯示，各種指標的統(tǒng)計圖表等。

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

　　? 算法。操作系統(tǒng)提供一個基礎的算法庫，包括統(tǒng)計分析算法、AI算法等，便于應用程序?qū)崿F(xiàn)各種業(yè)務邏輯。在物聯(lián)網(wǎng)場景中，這相當于一個數(shù)據(jù)武器庫。

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

? 安全性。作為物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，涉及各個物聯(lián)網(wǎng)設備連接到系統(tǒng)中，安全性尤為重要，包括系統(tǒng)安全、設備安全、數(shù)據(jù)安全以及無線安全。

? 擴展功能。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的擴展性體現(xiàn)在多個方面：提供接入規(guī)范，允許非原生支持的設備也能夠接入進來；系統(tǒng)服務可以擴展；數(shù)據(jù)采集格式可定制；數(shù)據(jù)處理和展示可擴展；算法庫可以擴展，等等。

? 開發(fā)工具。需要應用程序樣例和相應的開發(fā)工具，來幫助應用程序開發(fā)者理解和學習物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。

圖6顯示了物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的基礎模塊。

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

　　而從物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的角度，它存在的價值是：將設備與服務軟件解除了耦合，不同類型或不同數(shù)量的設備可以動態(tài)鏈接進來，即使在不重新安裝或啟動操作系統(tǒng)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景，可以使用同一個操作系統(tǒng)來提供基礎服務。另一方面，從物聯(lián)網(wǎng)應用的角度，應用開發(fā)可基于統(tǒng)一的一層服務，再輔助以操作系統(tǒng)的開發(fā)工具，可以極大地提高開發(fā)效率。

5 指令集智能操作系統(tǒng)

　　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(tǒng)（BI-OS，Business Intelligence Operating System）來實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設備的互聯(lián)互通，完全符合上一節(jié)介紹的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的要求。圖7顯示了BI-OS 的總體技術(shù)架構(gòu)^[12]。

BI-OS運行系統(tǒng)分五層，由底向上分別是設備子系統(tǒng)、設備層、數(shù)據(jù)層、服務層，以及應用層。其中設備子系統(tǒng)是由設備廠商提供的，本質(zhì)上是運行物聯(lián)網(wǎng)設備操作系統(tǒng)的那個設備側(cè)軟件；應用層是指建立在BI-OS上的應用軟件，它們調(diào)用BI-OS所提供的系統(tǒng)服務，來滿足客戶的需求。而中間的三層是BI-OS的核心。

? 設備層：利用智能數(shù)字網(wǎng)關(guān)技術(shù)，將各種物聯(lián)網(wǎng)設備采集的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)層，與其他數(shù)據(jù)進行融合計算。

　　? 數(shù)據(jù)層：這一層包括數(shù)據(jù)中心、計算中心和算法模型庫。

　　? 服務層：將不同場景中應用共有的基礎性和關(guān)鍵性的服務進行抽象，統(tǒng)一在服務層夯實。

　　BI-OS作為一個通用的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，可以應用到各種商業(yè)場景中。一個典型的商業(yè)場景是智慧樓宇，通過BI-OS將一個大樓內(nèi)的所有聯(lián)網(wǎng)設備連接到一個系統(tǒng)中，這樣不僅做到更高效的自動化管理，而且隨著大樓運營一段時間，數(shù)據(jù)累積起來，可以優(yōu)化運營策略（譬如節(jié)省能耗、人流引導、堵住安全缺陷，等等）。