潘爱民 （杭州指令集智能科技有限公司CEO，浙江 杭州 310012）
摘要：物联网相关的体系技能是当时的一个热门，既有依据云核算的物联网渠道技能，也有物联网设备 选用的操作体系技能，还有边际核算所用到的体系软件技能等。本文首要论述了在物联网场景中所需求的体系软件，并回忆了物联网设备常用的操作体系，然后提出了本文关于物联网操作体系的界说，它是特指在物联网设备的运用场景中，能够将各种物联网设备调集起来发挥作用、办理此场景中软硬件资源的体系软件。最终介绍了一个工业界实践中的物联网操作体系—指令集智能操作体系。
关键词：操作体系；物联网；智能设备；物联网操作体系
1 操作体系的演进
操作体系经过了几代的开展，从最前期的多任务操作体系，如Multics和UNIX，到适用于个人电脑的多处理器操作体系，如Linux和Windows，再到最近10多年广泛盛行的移动操作体系，如iOS和Android，其间心技能现已十分老练，软件复杂度也到达了上亿行代码的规划。操作体系的每一次大开展必定跟核算机硬件的开展密切相关。跟着物联网（IoT）年代的到来，操作体系也必将迎来新的开展。
表1 总结了每一代操作体系的特征。
2 物联网需求什么样的根底软件
物联网的中心是各种物体衔接到互联网：互联网仍然是根底，物联网并没有再造出一个独立的网络，可是对互联网进行了扩展和延伸，答应各种物体经过互联网交流信息和通讯。许多的物体都衔接到了网络，最直接的作用是，这些物体都能够被长途操控，例如，物体的状况显现在任何一个屏幕上，物体上的开关能够由远端的软件来操控。比方，在图1中，体重计是一个物联网设备，它能够衔接到后台服务器，上报数据和状况，长途用户能够经过衔接服务器来获得当重计的数据和状况。
在这样的环境下，咱们能够看到有三个当地需求软件：一是体重计上的软件；二是服务器上的软件，完结体重计设备的状况监测以及数据记载和陈述；三是客户端的软件，显现所需求的信息或许承受用户的指令。
首要，体重计需求一个操作体系来完结根本硬件的才能，包含衔接网络的才能。这样的体系很老练，门槛也不高，关于体重计，用一个单片机（MCU）就能够让它作业起来，或许也能够用一个嵌入式体系，功用更强壮。其次，在后台服务器需求一个服务软件，一方面与体重计进行衔接与通讯，另一方面也允许长途用户衔接上来并指定相应的体重计设备，以便检查信息或许对它进行操控。客户端的功用一般用浏览器来完结，不需求额定装置软件；也能够用移动应用或许各种形状的小程序的方法来跟服务器通讯。
简直每一种物联网设备，为了让它们以联网的方式作业起来，都需求像体重计这样的软件架构。归纳起来，物联网设备的软件分如下两部分（如图2）。
• 在设备硬件上，用一个软件程序让设备作业起来，并且具有衔接网络的才能；
• 需求有一个服务软件能够为这个设备供给各种便当的服务。
在某些特定状况下，能够把以上两方面的软件功能都放在设备上完结，这样就不需求后台服务器，因而客户端能够直接衔接设备。但这一般仅限于一些计算和存储才能较强的设备，并且对布置方法也有要求（比方智能路由器）。本文不评论这样的设备实例和软件架构。
操作体系的含义在于，对硬件的根本功用进行笼统，然后做到各种运用软件无需直接跟硬件打交道就能够操控硬件。针对如图2所示的软件区分，咱们能够笼统出下面的操作体系来协同作业。
• 物联网设备操作体系。这是运转在设备上的软件，常见的是嵌入式操作体系，用恰当的软件把设备驱动起来，让它们正常地作业；
• 物联网操作体系。这是作业在设备之外的服务器上的软件，它供给了设备功用之外的扩展或延伸才能，比方长途拜访才能、前史数据记载和剖析才能、多个设备的协同功用，等等。
物联网设备操作体系很简略了解，有许多的教科书或专著来详细解说现代操作体系的软件结构和相应 的资源调度算法[1]。物联网操作体系是一个相对比较新的概念，但事实上又广泛存在着许多的软件在完结这些功用。许多设备厂商需求建立一个后台服务体系，乃至还有不少厂商开发了客户端移动APP。这便是典型的、在操作体系缺位的状况下，硬件厂商不得不自己研制软件体系的景象。而抱负的状况是：存在通用的物联网操作体系，能够让设备厂商专心于设备 研制，设备厂商只需开发驱动软件以及简略的运用软件就能够让设备用起来。
3 物联网设备操作体系
物联网设备地点的硬件环境往往有以下特色。
• 衔接。这是物联网设备的必要功用，以特定的方法衔接到核算机网络，然后衔接到互联网。常 见的接入协议有Zigbee、蓝牙、Wi-Fi、NB-IoT或RoLa等。
• 低功耗。这些设备需求长期（几个月，乃至几年）运转，对电量的耗费有严苛的要求，一般只能靠电池供电。
• 安全。设备要能陈述自己的状况，并且有必定纠错和保密的才能，还要防止被仿冒和侵略。
• 标准。每一种设备都隶属于特定的职业，而老练的职业往往现已构成了相应的工业标准，最起码也有事实上的参阅标准。
运转在物联网设备上的操作体系往往有多种挑选，取决于设备自身的核算和存储才能，一般地，可分为微操控器（MCU）和中央处理器两大类。典型的有以下一些操作体系。
• ARM Mbed OS[2]。Arm公司专门针对IoT设备的开源操作体系，首要支撑Cortex-M微处理器。
• FreeRTOS[3]。针对嵌入式设备的开源实时操作体系，支撑许多的微处理器。FreeRTOS有三个商业性质的衍生版别：SafeRTOS、Amazon RTOS及 OpenRTOS。
• RT-Thread[4]。类似于FreeRTOS的设备侧实时操作体系，支撑许多的微处理器架构。这是可贵的国内生长起来的操作体系，且运营了杰出的社区气氛。
• LiteOS[5]。是华为研制的轻量级开源实时操作体系，在规划上支撑Arm、x86和RISC-V微处理器。
• Zephyr[6]。是Linux基金会的一个项目，针对资源受限和嵌入设备的实时操作体系，支撑多种干流的微处理器架构。
• 嵌入式Linux。是Linux操作体系的一个取舍版别，它承继了Linux的优势和许多的社区资源，又具有嵌入式操作体系的特性。OpenWRT是嵌入式Linux 的一个发行版，广泛运用于比方智能路由器、智能家居等设备。
• Android Things[7]。Google针对物联网设备的开源操作体系，它是在Android根底上进行取舍构成的，对体系资源的要求比Android低许多。
• VxWorks[8]。是一个老牌的实时操作体系，支撑许多处理器架构，广泛运用于军事、航空、航天等高精和对实时性要求极高的范畴，最经典的莫过于NASA 的火星勘探车上装载了VxWorks操作体系（如图3）。
以上罗列的设备操作体系，除了VxWorks外，代码都是开源的，并且有相应的开发者东西和社区，背面有商业公司在支撑。能够说，这些实时操作体系为物联网年代设备的昌盛供给了最中心的软件支撑，它们一方面吸收了操作体系范畴的研讨成果，另一方面也针对嵌入式设备或物联网设备进行了优化和取舍。
趁便提一下，许多文献资料把设备操作体系称为物联网操作体系[9-11]，乃至提出未来可否有一个共同的物联网操作体系。笔者以为，因为物联网设备的多样性和差异性，用一个体系来共同驱动各种设备是不合理的，也是不现实的，可是这种尽力会对设备操作体系的架构演进有协助，使架构更灵敏，在不同核算才能的设备上有更好的伸缩性，并且可沉积出高质量的可复用软件模块（比方衔接协议、烘托引擎、履行引擎等）。
4 物联网操作体系
设备操作体系处理的是设备怎样联网、怎么更方 便地联网的问题，但没有处理联网之后做什么以及怎么做的问题。从久远开展来看，后者无疑更为重要。这便是前文说到的物联网操作体系，它特指在物联网设备的运用场景中，能够将各种物联网设备调集起来发挥作用，并办理此场景中软硬件资源的体系软件。
咱们来看一些场景（如图4）。
• 一组智能灯的协同。单个智能灯能够具有开、关、调理灯火等根本功用，若跟详细场景结合起来， 能够让这种联网操控才能具有更大的价值。比方，在家庭场景，能够依据日子习性和作息时间进行主动调理；在野外路灯场景，能够依据野外光线做到自适应环境；等等。
• 酒店房间智能化。现在越来越多的酒店装备了智能设备，包含电视、灯控、空调、镜子，乃至窗布、马桶等。单个设备若独立作业，联网的价值只是替代了遥控器或许墙面开关，而智能化真实的方针是为住客供给舒适、交心的室内环境。
• 修建体的健康检测。拿桥梁来举例，一座大桥的检测体系会有许多的传感器来收集数据，然后再经过专业的模型来剖析桥梁的健康状况。单个传感器只反映一个部分状况，一切传感器调集起来进行剖析能够获得关于桥梁的健康点评。
以上罗列的这些场景都需求数量许多的物联网设备协同起来发挥作用，不同的场景现在有各自独立的处理办法。有的开发专门的运用体系来处理场景中的设备协同作业需求，例如桥梁检测体系、灯火操控体系等。还有一种处理办法是用云服务渠道来衔接一切的设备，然后运用云服务渠道的功用来开发相应的场景智能体系。例如，针对智能家居的场景，能够经过云服务渠道来完结设备之间的协同。有些智能音箱厂商经过这种方法来完结语音操控电器。
这就回到本节开端说到的问题：物联网设备衔接今后做什么和怎么做的问题。本质上，这需求一个软件体系，咱们依据对各种场景进行笼统，依照两层架构来完结这样的软件体系：最根底的一层软件是通用的，可适用于各种物联网场景，包含设备衔接和办理、数据收集和处理等；另一层是运用软件，用于完结各个场景中需求的功用逻辑。前者正是物联网操作体系，后者是物联网操作体系之上的运用软件。这与本文第二节讲到的软件区分是共同的，如图5所示。
物联网操作体系承载的是通用的才能，包含但不限于以下功用。
• 设备接入。使得各种不同类型的设备经过部分的模块（驱动程序）衔接到操作体系中，然后操作体系能够获取设备的状况信息。
• 反向操控设备。操作体系能够向设备发送指令，到达操控设备的意图。
• 设备办理。关于衔接到一个操作体系上的设备进行办理，包含检查它们的状况、设置报警条件、设置方位、确诊驱动程序，等等。
• 数据收集。收集来自于物联网设备的数据，可定制表结构和数据目录。作为体系完整性，也要有扩展才能，可承受外部的数据。
• 数据剖析和检索。操作体系供给功用对收集到的数据进行剖析，并更新目标值。目标是一个事务相关的衡量单位或特征，有称号和值。目标的核算既能够实时完结，也能够守时完结，或许经过事情或运用层指令来触发。操作体系也供给数据检索的才能，便利运用层引证或许查找数据。
• 数据展现。操作体系供给常见的数据展现才能，包含结构化和非结构化数据的图形化显现，各种目标的统计图表等。
• 日志。日志是一个操作体系的根本才能，在物联网场景中尤为重要。完善的日志才能可便于确诊各个物联网设备的反常景象。
• 算法。操作体系供给一个根底的算法库，包含统计剖析算法、AI算法等，便于运用程序完结各种事务逻辑。在物联网场景中，这相当于一个数据武器库。
• 体系服务。操作体系以体系服务的方法将才能供给给上层运用程序，体系服务的调集包含各种根底的功用，并且抱负状况下，答应运用厂商扩展界说更多体系服务。
• 安全性。作为物联网操作体系，触及各个物联网设备衔接到体系中，安全性尤为重要，包含体系安全、设备安全、数据安全以及无线安全。
• 扩展功用。物联网操作体系的扩展性体现在多个方面：供给接入标准，答应非原生支撑的设备也能够接入进来；体系服务能够扩展；数据收集格局可定制；数据处理和展现可扩展；算法库能够扩展，等等。
• 开发东西。需求运用程序样例和相应的开发东西，来协助运用程序开发者了解和学习物联网操作体系。
图6显现了物联网操作体系的根底模块。
关于一个详细的物联网场景，只是以上的通用功用往往不足以支撑这个场景中的根本需求，比方，工作室环境还需求门禁和无线投屏的才能，酒店环境需求智能灯火调理、服务呼叫等功用。因而，物联网操作体系的定制和扩展才能十分重要，针对特定类型的场景，能够在根底体系之上叠加扩展包，构成针对场景的智能操作体系（比方才智工作操作体系、才智酒店操作体系等）。
而从物联网操作体系的视点，它存在的价值是：将设备与服务软件解除了耦合，不同类型或不同数量 的设备能够动态链接进来，即便在不重新装置或发动操作体系的状况下，也能适应设备增删的改变。关于 天壤之别功用的场景，能够运用同一个操作体系来提供根底服务。另一方面，从物联网运用的视点，运用开发可依据共同的一层服务，再辅佐以操作体系的开发东西，能够极大地进步开发功率。
5 指令集智能操作体系
杭州指令集智能科技有限公司提出了商业智能操作体系（BI-OS，Business Intelligence Operating System）来完结物联网设备的互联互通，完全符合上 一节介绍的物联网操作体系的要求。图7显现了BI-OS 的整体技能架构[12]。
BI-OS运转体系分五层，由底向上分别是设备子 体系、设备层、数据层、服务层，以及运用层。其间设备子体系是由设备厂商供给的，本质上是运转物联网设备操作体系的那个设备侧软件；运用层是指建立在BI-OS上的运用软件，它们调用BI-OS所供给的体系服务，来满意客户的需求。而中心的三层是BI-OS的中心。
• 设备层：运用智能数字网关技能，将各种物联网设备收集的数据上传到数据层，与其他数据进行交融核算。
• 数据层：这一层包含数据中心、核算中心和算法模型库。
• 服务层：将不同场景中运用共有的根底性和关键性的服务进行笼统，共同在服务层夯实。
BI-OS作为一个通用的物联网操作体系，能够运用到各种商业场景中。一个典型的商业场景是才智楼宇，经过BI-OS将一个大楼内的一切联网设备衔接到一个体系中，这样不只做到更高效的主动化办理，并且跟着大楼运营一段时间，数据累积起来，能够优化运营战略（比方节约能耗、人流引导、堵住安全缺点，等等）。
参阅文献
[1] 何小庆.嵌入式操作体系风云录：前史演进与物联网未来[M].北京：机械工业出版社，2016.
[2] ARM Mbed OS[EB/OL].https://www.mbed.com.
[3] FreeRTOS[EB/OL].https://freertos.org/.
[4] RT-Thread[EB/OL].https://www.rt-thread.org/.
[5] LiteOS[EB/OL].https://www.huawei.com/minisite/liteos/cn/index.html.
[6] Zephyr[EB/OL].https://www.zephyrproject.org/.
[7] Android Things[EB/OL].https://developer.android.com/things/.
[8] VxWorks[EB/OL].https://www.windriver.com/products/vxworks/.
[9] 虞保忠, 郝继锋.物联网操作体系技能研讨[J]. 航空核算技能, 2017(3).
[10] 何小庆.物联网操作体系研讨与考虑[J]. 电子产品世界, 2018(1):27-31.
[11] 彭安妮, 周威, 贾岩,等.物联网操作体系安全研讨总述[J]. 通讯学报, 2018.
[12] 指令集商业智能操作体系[EB/OL].http://www.isyscore.com.
作者简介：
潘爱民（1970-），男，博士，首要研讨方向：移动操作体系、信息安全、大数据、移动互联网和 物联网技能。
（注：本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第8期第35页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。）
