物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的新進展

摘要：文章介紹了以微軟、ARM、Micrium、華為和慶科為代表的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的最新發(fā)展情況，作者預計開源軟件依然會在物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)中發(fā)揮主導作用。本文網(wǎng)絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/280685.htm

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式軟件；開源軟件；Linux和FreeRTOS

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.9.008

引言

物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)（以下簡稱物聯(lián)網(wǎng)OS）最近很熱鬧，2015年5月20日華為發(fā)布開拓物聯(lián)網(wǎng)領域的“敏捷網(wǎng)絡3.O”戰(zhàn)略，包括物聯(lián)網(wǎng)OS LiteOS、敏捷物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、敏捷控制器三部分，5月28日谷歌在舊金山宣布物聯(lián)網(wǎng)軟件BriloOS和IoT協(xié)議We ave。7月29日微軟發(fā)布了Windows 10的同時發(fā)布了Windows 10 IoT Core，8月20日慶科在北京舉辦了盛大的開發(fā)者大會，發(fā)布了最新的MiC0 2.O，這距MiCO2014年7月22日首發(fā)，剛剛過去一年的時間，各大公司如此密集地發(fā)布新的物聯(lián)網(wǎng)OS，國內(nèi)企業(yè)在爭搶萬物互聯(lián)的新的風口，由此可見，一場物聯(lián)網(wǎng)OS的激烈競賽已經(jīng)拉開序幕。

物聯(lián)網(wǎng)OS的元年

物聯(lián)網(wǎng)OS最初起源于傳感網(wǎng)的兩個開源OS，一個是TinyOS，另一個是ContiH。TinyOS項目是由加州大學伯克利分校、Intel和Crossbow技術(shù)等公司2000年發(fā)起的開源項目，2012年2.1.2版本以后就停止更新。Contiki項目的作者是dam Dunkels博士，Dunkels博士原來在瑞典工學院計算機研究所工作，現(xiàn)是Thingsqure創(chuàng)始人，也是uIP/LWIP作者。Contiki項目很活躍，尤其是網(wǎng)絡協(xié)議方面，Contiki采用uIP協(xié)議，已經(jīng)擴充支持IPv6和低功耗6LoWPAN路由協(xié)議。

方方面面的原因，之前的傳感器OS只是在學術(shù)屆稍有影響，在產(chǎn)業(yè)界沒有太多的反響，2014年才是物聯(lián)網(wǎng)OS的元年。2014年10月ARM推出mbed物聯(lián)網(wǎng)設備平臺和操作系統(tǒng)mbed OS。ARM物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)部門總經(jīng)理Krisztian Flautner是這樣介紹mbedOS的開發(fā)背景：“目前物聯(lián)網(wǎng)設備多半仍處于孤立狀態(tài)并未互相連接，這就意味著還無法實現(xiàn)一個真正全面互連的世界，并讓所有設備都能互通并提供各種云端服務”。mbed OS正是為了改善這樣的現(xiàn)狀而誕生的。

ARM mbed物聯(lián)網(wǎng)設備平臺由mbed OS、mbed設備服務器（mbedDevice Server）和mbed社區(qū)（mbed.org）三部分組成。mbed OS是一個專為基于ARM Cortex-M的設備所設計的免費操作系統(tǒng)。mbed Device Server是一套授權(quán)（收費）軟件，提供物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)必需的服務器端技術(shù)，以便安全地連接并管理設備，可作為物聯(lián)網(wǎng)設備專用通信協(xié)議與網(wǎng)絡開發(fā)商所使用的應用程序編程接口間的橋梁。mbedSDK開發(fā)工具和mbed.org社區(qū)是一個開源嵌入式開發(fā)平臺和開發(fā)者網(wǎng)絡社區(qū)，見下圖l。

mbed OS發(fā)布的時候，當時頗為吸引眼球，業(yè)界的感覺是：難道物聯(lián)網(wǎng)的Android來了嗎？想趕風口的人更是躍躍欲試。但是之后幾個月，ARMmbed OS聲音逐漸變得小了，直到2015年3月紐倫堡嵌入式世界展覽上ARM宣布與IBM和飛思卡爾合作推出了一款“物聯(lián)網(wǎng)入門套件”。最新的信息是mbed OS 3.0將在2015年11月10日美國硅谷ARM TechCon正式發(fā)布，12月8日在中國深圳發(fā)布，屆時全球的開發(fā)者或許可以拿到一個二進制版本。

物聯(lián)網(wǎng)OS競賽才剛剛開始

在這場物聯(lián)網(wǎng)OS的競賽中，中國企業(yè)信心滿滿，而國外的企業(yè)卻顯得保守和猶豫。讓我們先看看市場上已經(jīng)發(fā)布的國外的幾款產(chǎn)品吧。

微軟的Windows 10 IoT Core。它是Windows 10家族中企業(yè)、手機和IoT三個版本一個成員，系統(tǒng)占用256K RAM 2G Flash，目前支持IntelEdison和樹莓派Pi2 （ARM架構(gòu)）兩款高端處理器。Windows 10 IoT Core的優(yōu)點：放棄了以前WinCE方式，沒有入門費也沒有版稅，集成了微軟Aurze云服務，開發(fā)者熟悉的VS2015開發(fā)環(huán)境以及微軟20年嵌入式開發(fā)和設備維護經(jīng)驗。缺點：256K RAM 2GFlash，不能支持在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)占領主流地位的MCU：不開源，這一點也會讓微軟在與開源Linux競爭中失分不少。在智能終端OS市場競爭中，微軟的市場已經(jīng)喪失殆盡，基于Linux內(nèi)核的Android牢牢占了上風。

Micrium的Spectrum物聯(lián)網(wǎng)OS。以開發(fā)μC/OS而著名的Micrium在2014年10月發(fā)表了Spectrum物聯(lián)網(wǎng)OS，今年5月聯(lián)合瑞薩、高通和艾睿推出Wireless Demonstration Kit，如圖2。kit包括了Renesas RX111 MCU開發(fā)板，Qualcomm QCA4002 LongsysGT202 PMOD Wi-Fi模塊、Renesas El調(diào)試器和Micrium Spectrum軟件。 Micrium產(chǎn)品在工業(yè)、醫(yī)療和航空航天領域里面有著廣泛的應用基礎，全球的市場份額接近30%，μC/OS通過第三方認證機構(gòu)可以獲得航空、醫(yī)療和工業(yè)安全認證，比如EC61508.EN62304和FDA 510（k）等。技術(shù)上μC/OS的實時陛、可擴展性和健壯性很好。MCU支持近60家公司140種MCU和嵌入式微處理器。云端通過“中介層”支持包括亞馬遜在內(nèi)的多種云服務。

Spectrum物聯(lián)網(wǎng)軟件是一個完全商業(yè)化嵌入式軟件，據(jù)了解，用戶在開發(fā)和量產(chǎn)的時候都要支付費用，這樣高門檻的軟件會將中小規(guī)模的客戶拒之門外。

其他的相似技術(shù)和商業(yè)模式的產(chǎn)品還有Express Logic公司推出的針對基于ARM物聯(lián)網(wǎng)設備的X-Wave平臺，該公司的RTOS內(nèi)核是ThreadX。Wind River（風河）IDP智能設備平臺，它是Intel物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的軟件中間件，支持企業(yè)以Intel物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)為基礎來開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)解決方案，英特爾的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的優(yōu)勢是快速創(chuàng)新并且保持與傳統(tǒng)設備的互操作性，它把網(wǎng)絡、嵌入式控制、企業(yè)級安全性和易管理性完整地集成起來，把傳感器和云端數(shù)據(jù)中心服務器整合起來，形成完整的物聯(lián)網(wǎng)基礎設施。該方案的缺點是開放性差。風河最新推出的物聯(lián)網(wǎng)解決方案- Helix有望將其技術(shù)覆蓋物聯(lián)網(wǎng)從智能傳感到云平臺的整個系統(tǒng)開發(fā)過程，詳情還待進一步研究了解。

相比國外企業(yè)的謹慎和保守，國內(nèi)企業(yè)做得有聲有色。上海慶科是一家名不見經(jīng)傳的小公司，以嵌入式開發(fā)板和芯片銷售起家，近幾年開始研發(fā)和銷售Wi-Fi模塊進入物聯(lián)網(wǎng)和智能硬件市場，據(jù)悉慶科2014年獲得了阿里系的投資。慶科的MiCO （Micro-controller based Internet ConnectivityOS）是一個面向智能硬件優(yōu)化設計的、運行在微控制器上的、高度可移植的操作系統(tǒng)和中間件平臺，據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析，基層軟件是在開源軟件技術(shù)修改而成。慶科云（FogCloud）是專門為智能硬件平臺，提供數(shù)據(jù)云存儲、云分發(fā)、軟件OTA升級、微信接入等支持服務，既然慶科是阿里系，慶科云肯定是附在阿里云平臺上。目前看，F(xiàn)ogCloud是一個面向物聯(lián)網(wǎng)的PaaS架構(gòu)加上幾個小的SaaS應用。比較前面討論過的幾個國外產(chǎn)品，包括華為LiteOS，MiCO是目前開放程度最高的物聯(lián)OS。華為LiteOS項目的網(wǎng)站http：//www.oiotc.cc/上目前也只有一個簡單的內(nèi)核開發(fā)文檔，論壇里面有消息稱源代碼要12月才能發(fā)布。

MiCO OS已經(jīng)上線，開發(fā)者進入http：//mico.10開發(fā)者中心可以下載SDK和全部文檔，最新的版本是2.3.O。MiCO支持各種MCU芯片，現(xiàn)在有幾種開發(fā)套件，比如ST的MiCOkit-3288、Atmel的SAMG55、NXP的LPC54102和飛思卡爾的K22等，圖3是MiCOkit的一個開發(fā)過程范例。MiCO的最大亮點是MiCO OS、移動App和云服務全部免費。MiCOOS是一個新的技術(shù)，目前還是在愛好者試用階段。但是使用了MiCO技術(shù)的慶科公司W(wǎng)i-Fi模塊產(chǎn)品已經(jīng)遍及智能硬件各個領域的應用，已經(jīng)有一定的應用基層。

開源依然會唱主旋律

在這場物聯(lián)網(wǎng)OS比武中，開源依然唱著主旋律。2014年-2015年市場調(diào)查顯示18%的嵌入式OS依然是用戶自己開發(fā)的，（2000年以前這個數(shù)字高達50%以上）。原因是什么呢？商業(yè)和開源軟件產(chǎn)品無法滿足用戶要求，在物聯(lián)網(wǎng)OS的世界里，這個比率還會更大，原因是什么呢？物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的需求不明確、商業(yè)模式不成熟、加上物聯(lián)網(wǎng)OS技術(shù)還在發(fā)展之中，用戶只好選擇基于開源軟件去開發(fā)適合自己物聯(lián)網(wǎng)應用的軟件系統(tǒng)。

開源社區(qū)和芯片公司為物聯(lián)網(wǎng)OS的開發(fā)者準備了大量的資源和工具，比如博通的WICED-SDK-3.1.2是一套基于Wi-Fi智能硬件開發(fā)套件，除了商業(yè)的嵌入式OS和協(xié)議外，套件里面有一套移植好的開源FreeRTOS和LwIP嵌入式軟件。適合于可穿戴設備應用的STM32 Nucleo的Cube軟件庫，它也加入開源FreeRTOS和LwIP中間件，還有一個已經(jīng)獲得商業(yè)授權(quán)的emWin圖形開發(fā)庫。

FreeRTOS是基于MCU的物聯(lián)網(wǎng)應用采用最廣泛的開源的RTOS，著名的智能手表Pebble OS的內(nèi)核使用了FreeRTOS。FreeRTOS內(nèi)核采用的是GPL授權(quán)方式，但它是一個修改后的GPL協(xié)議。FreeRTOS的GPL授權(quán)給了這樣一個例外條件：即這些獨立模塊如果它們使用的是FreeRTOS API與FreeRTOS進行通信，并且這些獨立模塊不涉及內(nèi)核和內(nèi)核調(diào)度，也沒有對任務、任務通信和信號量等內(nèi)核功能作出改動，這些模塊可以不按照GPL方式公開源代碼。

FreeRTOS還有一種商業(yè)授權(quán)版本OpenRTOS可供用戶選擇，OpenRTOS由英國WITTENSTEIN highintegrity systems公司提供授權(quán)和技術(shù)支持。

有消息稱MiCO OS內(nèi)核使用了FreeRTOS，做了修改，且在其上封裝了API。但是目前還沒得到官方的證實。智能手表Pebble網(wǎng)站聲明了Pebble OS使用了FreeRTOS內(nèi)核，有他們修改的FreeRTOS內(nèi)核代碼和相關(guān)文檔說明。

與FreeRTOS相似的有LwIP，它采用開源的修改后的BSD授權(quán)。此外，開源的contiki IoT OS，網(wǎng)站http：//www.contiki-os.org，也是一個很活躍的項目，據(jù)悉Lite OS思路與contiki很接近，并使用了其中的uIP的協(xié)議。

基于開源硬件的Ardunio和樹莓派Pi的開源的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和云服務很多，Arduino是基于MCU面向傳感器和控制部件編程的平臺，樹莓派Pi是基于Linux的嵌入式計算平臺，上面可以承載各種標準服務和應用，適合物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設計。國內(nèi)外的物聯(lián)網(wǎng)云平臺發(fā)展很快，比如Ayla network、Xively. DreamFactory.機智云、Ye elink和中國移動提供的物聯(lián)網(wǎng)云平臺服務。

騰訊微信物聯(lián)網(wǎng)硬件平臺（http：//iot.weixin.qq.com）是一種物聯(lián)網(wǎng)云平臺和應用服務，它使用一種微信硬件公共帳號和物聯(lián)網(wǎng)設備對接，實現(xiàn)在微信上管理你的設備。微信硬件近期發(fā)展很快，支持微信運動（智能手環(huán)和手機）、智能家居、電視、玩具、血壓計和微信相框等各種智能硬件，微信硬件平臺通過支持芯片公司的Wi-Fi和藍牙模塊內(nèi)嵌AirSync和AirKiss協(xié)議，以方便硬件開發(fā)人員快速地將微信與智能設備進行互聯(lián)。AirSyne和AirKiss協(xié)議用于藍牙和Wi-Fi技術(shù)的基礎支持框架和硬『牛JSAPI等。騰訊已經(jīng)聯(lián)合Marvell、ST、TI和博通等芯片公司，Broadlink和慶科Wi-Fi模塊共同支持微信硬件協(xié)議，目的是讓智能硬件很方便的接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)萬物互聯(lián)的夢想。

小結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)處在發(fā)展初期，碎片化特點必將導致物聯(lián)網(wǎng)時代對軟件的多樣性需求。一種操作系統(tǒng)和開發(fā)工具很難支持物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的所有設備，短時間內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)OS很難形成像智能手機中Android和iOS兩家獨占市場的局面。以安全性和集成化為代表的物聯(lián)網(wǎng)新需要給傳統(tǒng)嵌入式軟件帶來挑戰(zhàn)，也給以互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)為代表的產(chǎn)業(yè)新人帶機遇。