物联网操作系统的体系架构

2023-06-09 11:30:02物联网0101

物联网操作系统的体系架构,第1张

物联网操作系统由内核、辅助外围模块(文件系统、图形用户界面、通信协议栈、各类常见设备的驱动程序等)、集成开发环境等组成，基于此，可衍生出一系列面向行业的特定应用。

物联网操作系统与传统的个人计算机操作系统和智能手机类操作系统不同，它具备物联网应用领域内的一些独特特点，现说明如下。

物联网操作系统内核的特点

1、内核尺寸伸缩性强，能够适应不同配置的硬件平台。比如，一个极端的情况下，内核尺寸必须维持在10K以内，以支撑内存和CPU性能都很受限的传感器，这时候内核具备基本的任务调度和通信功能即可。在另外一个极端的情况下，内核必须具备完善的线程调度、内存管理、本地存储、复杂的网络协议、图形用户界面等功能，以满足高配置的智能物联网终端的要求。这时候的内核尺寸，不可避免的会大大增加，可以达到几百K，甚至M级。这种内核尺寸的伸缩性，可以通过两个层面的措施来实现：重新编译和二进制模块选择加载。重新编译措施很简单，只需要根据不同的应用目标，选择所需的功能模块，然后对内核进行重新编译即可。这个措施应用于内核定制非常深入的情况下，比如要求内核的尺寸达到10K以下的场合。而二进制模块选择加载，则用在对内核定制不是很深入的情况。这时候维持一个操作系统配置文件，文件里列举了操作系统需要加载的所有二进制模块。在内核初始化完成后，会根据配置文件，加载所需的二进制模块。这需要终端设备要有外部存储器(比如硬盘、Flash等)，以存储要加载的二进制模块;

2、内核的实时性必须足够强，以满足关键应用的需要。大多数的物联网设备，要求操作系统内核要具备实时性，因为很多的关键性动作，必须在有限的时间内完成，否则将失去意义。内核的实时性包涵很多层面的意思，首先是中断响应的实时性，一旦外部中断发生，操作系统必须在足够短的时间内响应中断并做出处理。其次是线程或任务调度的实时性，一旦任务或线程所需的资源或进一步运行的条件准备就绪，必须能够马上得到调度。显然，基于非抢占式调度方式的内核很难满足这些实时性要求;

3、内核架构可扩展性强。物联网操作系统的内核，应该设计成一个框架，这个框架定义了一些接口和规范，只要遵循这些接口和规范，就可以很容易的在操作系统内核上增加新的功能的新的硬件支持。因为物联网的应用环境具备广谱特性，要求操作系统必须能够扩展以适应新的应用环境。内核应该有一个基于总线或树结构的设备管理机制，可以动态加载设备驱动程序或其它核心模块。同时内核应该具备外部二进制模块或应用程序的动态加载功能，这些应用程序存储在外部介质上，这样就无需修改内核，只需要开发新的应用程序，就可满足特定的行业需求;

4、内核应足够安全和可靠。可靠性就不用说了，物联网应用环境具备自动化程度高、人为干预少的特点，这要求内核必须足够可靠，以支撑长时间的独立运行。安全对物联网来说更加关键，甚至关系到国家命脉。比如一个不安全的内核被应用到国家电网控制当中，一旦被外部侵入，造成的影响将无法估量。为了加强安全性，内核应支持内存保护(VMM等机制)、异常管理等机制，以在必要时隔离错误的代码。另外一个安全策略，就是不开放源代码，或者不开放关键部分的内核源代码。不公开源代码只是一种安全策略，并不代表不能免费适用内核;

5、节能省电，以支持足够的电源续航能力。操作系统内核应该在CPU空闲的时候，降低CPU运行频率，或干脆关闭 CPU。对于周边设备，也应该实时判断其运行状态，一旦进入空闲状态，则切换到省电模式。同时，操作系统内核应最大程度的降低中断发生频率，比如在不影响实时性的情况下，把系统的时钟频率调到最低，以最大可能的节约电源。

物联网操作系外围模块的特点

外围模块指为了适应物联网的应用特点，操作系统应该具备的一些功能特征，比如远程维护和升级等。同时也指为了扩展物联网操作系统内核的功能范围，而开发的一些功能模块，比如文件系统、网络协议栈等。物联网操作系统的外围模块(或外围功能)应该至少具备下列这些：

1、支持操作系统核心、设备驱动程序或应用程序等的远程升级。远程升级是物联网操作系统的最基本特征，这个特性可大大降低维护成本。远程升级完成后，原有的设备配置和数据能够得以继续使用。即使在升级失败的情况下，操作系统也应该能够恢复原有的运行状态。远程升级和维护是支持物联网操作系统大规模部署的主要措施之一;

2、支持常用的文件系统和外部存储。比如支持FAT32/NTFS/DCFS等文件系统，支持硬盘、USB stick、Flash、ROM等常用存储设备。在网络连接中断的情况下，外部存储功能会发挥重要作用。比如可以临时存储采集到的数据，再网络恢复后再上传到数据中心。但文件系统和存储驱动的代码，要与操作系统核心代码有效分离，能够做到非常容易的裁剪;

3、支持远程配置、远程诊断、远程管理等维护功能。这里不仅仅包涵常见的远程操作特性，比如远程修改设备参数、远程查看运行信息等。还应该包涵更深层面的远程操作，比如可以远程查看操作系统内核的状态，远程调试线程或任务，异常时的远程dump内核状态等功能。这些功能不仅仅需要外围应用的支持，更需要内核的天然支持;

4、支持完善的网络功能。物联网操作系统必须支持完善的TCP/IP协议栈，包括对IPv4和IPv6的同时支持。这个协议栈要具备灵活的伸缩性，以适应裁剪需要。比如可以通过裁剪，使得协议栈只支持IP/UDP等协议功能，以降低代码尺寸。同时也支持丰富的IP协议族，比如Telnet/FTP/IPSec/SCTP等协议，以适用智能终端和高安全可靠的应用场合;

5、对物联网常用的无线通信功能要内置支持。比如支持GPRS/3G/HSPA/4G等公共网络的无线通信功能，同时要支持Zigbee/NFC/RFID等近场通信功能，支持WLAN/Ethernet等桌面网络接口功能。这些不同的协议之间，要能够相互转换，能够把从一种协议获取到的数据报文，转换成为另外一种协议的报文发送出去。除此之外，还应支持短信息的接收和发送、语音通信、视频通信等功能;

6、内置支持XML文件解析功能。物联网时代，不同行业之间，甚至相同行业的不同领域之间，会存在严重的信息共享壁垒。而XML格式的数据共享可以打破这个壁垒，因此XML标准在物联网领域会得到更广泛的应用。物联网操作系统要内置对XML解析的支持，所有操作系统的配置数据，统一用XML格式进行存储。同时也可对行业自行定义的XML格式进行解析，以完成行业转换功能;

7、支持完善的GUI功能。图形用户界面一般应用于物联网的智能终端中，完成用户和设备的交互。GUI应该定义一个完整的框架，以方便图形功能的扩展。同时应该实现常用的用户界面元素，比如文本框、按钮、列表等。另外，GUI模块应该与操作系统核心分离，最好支持二进制的动态加载功能，即操作系统核心根据应用程序需要，动态加载或卸载GUI模块。GUI模块的效率要足够高，从用户输入确认，到具体的动作开始执行之间的时间(可以叫做click-launch时间)要足够短，不能出现用户点击了确定、但任务的执行却等待很长时间的情况;

8、支持从外部存储介质中动态加载应用程序。物联网操作系统应提供一组API，供不同应用程序调用，而且这一组 API应该根据操作系统所加载的外围模块实时变化。比如在加载了GUI模块的情况下，需要提供GUI操作的系统调用，但是在没有GUI模块的情况下，就不应该提供GUI功能调用。同时操作系统、GUI等外围模块、应用程序模块应该二进制分离，操作系统能够动态的从外部存储介质上按需加载应用程序。这样的一种结构，就使得整个操作系统具备强大的扩展能力。操作系统内核和外围模块(GUI、网络等)提供基础支持，而各种各样的行业应用，通过应用程序来实现。最后在软件发布的时候，只发布操作系统内核、所需的外围模块、应用程序模块即可。

物联网操作系统集成开发环境的特点

集成开发环境是构筑行业应用的关键工具，物联网操作系统必须提供方便灵活的开发工具，以开发出适合行业应用的应用程序。开发环境必须足够成熟并得到广泛适用，以降低应用程序的上市时间(GTMT)。集成开发环境必须具备如下特点：

1、物联网操作系统要提供丰富灵活的API，供程序员调用，这组API应该能够支持多种语言，比如既支持C/C++，也支持Java、Basic等程序设计语言;

2、最好充分利用已有的集成开发环境。比如可以利用Eclipse、Visual Studio等集成开发环境，这些集成开发工具具备广泛的应用基础，可以在Internet上直接获得良好的技术支持;

3、除配套的集成开发环境外，还应定义和实现一种紧凑的应用程序格式(类似Windows的PE格式)，以适用物联网的特殊需要。通过对集成开发环境进行定制，使得集成开发环境生成的代码，可以遵循这种格式;

4、要提供一组工具，方便应用程序的开发和调试。比如提供应用程序下载工具、远程调试工具等，支撑整个开发过程。

可以看出，上述物联网操作系统内核、外围模块、应用开发环境等，都是支撑平台，支撑更上一层的行业应用。行业应用才是最终产生生产力的软件，但是物联网操作系统是行业应用得以茁壮生长和长期有效生存的基础，只有具备了强大灵活的物联网操作系统，物联网这棵大树才能结出丰硕的果实。

物联网云平台扮演着“物”与IT流程和业务流程之间的中介角色，能够促使企业具备变革性的数字业务创新能力。具体来说，物联网云平台不仅仅是把物联网设备和软件紧密结合在一起，还能优化整个业务流程管理，如业务流程编排、工作流协调、数据交换等，加速解决业务中的实际问题。

为了从物联网中提炼更多的价值，企业应该尝试寻找一个大的、长期存在于市场中的物联网云平台合作伙伴。而机智云作为第三方物联网云平台代表，拥有超过10年、上万方案、千万级设备接入的物联网云平台建设经验，沉淀为工业级稳定、安全的AIoT云平台。平台采用微服务架构，在云端部署可自由组合的应用组件，实现设备接入与管理、海量设备实时数据分析，SLA高达999%，兼容主流通信协议。平台架构灵活，支持公有云、私有云和混合云部署，具备AI边缘计算能力，支持边云协同。平台提供横向扩展的能力，支持设备量的不断增加和设备接入后的各类应用。同时，平台遵循开放设计原则，企业可以基于API接口进行二次开发，平台OPEN API可打通企业管理系统，数据归属厂家。目前，机智云平台服务覆盖消费电子、工业智能、共享设备和智慧渔业等行业，能够根据行业属性为企业提供一站式的智能化解决方案。

物联网操作系统是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是IOT（Internet Of Things）。由此，顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”

这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网与互联网的不同在于，互联网关注的是“人与人”之间的信息交换和共享，而物联网则进一步扩展，实现“物与物”、“人与物”之间的信息交换和共享。物联网大致可分为终端应用层、网络层（进一步分为网络接入层和核心层）、设备管理层、后台应用层等四个层次。其中最能体现物联网特征的，就是物联网的终端应用层。终端应用层由各种各样的传感器、协议转换网关、通信网关、智能终端、刷卡机（POS机）、智能卡等终端设备组成。这些终端大部分都是具备计算能力的微型计算机。物联网操作系统，就是运行在这些终端上，对终端进行控制和管理，并提供统一编程接口的操作系统软件。

与传统的个人计算机或个人智能终端（智能手机、平板电脑等）上的操作系统不同，物联网操作系统有其独特的特征。这些特征是为了更好的服务物联网应用而存在的，运行物联网操作系统的终端设备，能够与物联网的其它层次结合的更加紧密，数据共享更加顺畅，能够大大提升物联网的生产效率。

系统作用

除具备传统操作系统的设备资源管理功能外，物联网操作系统还具备下列功能：

屏蔽物联网碎片化的特征，提供统一的编程接口：所谓碎片化，指的是硬件设备配置多种多样，不同的应用领域差异很大。从小到只有几K内存的低端单片机，到有数百M内存的高端智能设备。传统的操作系统无法适应这种“广谱”的硬件环境，而如果采用多个操作系统（比如低端配置，采用嵌入式操作系统，高端配置设备，采用Linux等通用操作系统），则由于架构的差异，无法提供统一的编程接口和编程环境。正是这种“碎片化”的特征，牵制了物联网的发展和壮大。物联网操作系统则充分考虑这些碎片化的硬件需求，通过合理的架构设计，使得操作系统本身具备很强的伸缩性，很容易的应用到这些硬件上。同时，通过统一的抽象和建模，对不同的底层硬件和功能部件进行抽象，抽象出一个一个的“通用模型”，对上层提供统一的编程接口，屏蔽物理硬件的差异。这样达到的一种效果就是，同一个APP，可以运行在多种不同的硬件平台上，只要这些硬件平台运行物联网操作系统即可。这与智能手机的效果是一样的，同一款APP，比如微信，既可以运行在一个厂商的低端智能手机上，又可以运行在硬件配置完全不同的另一个厂商的高端手机上，只要这些手机都安装了Android操作系统。显然，这样一种独立于硬件的能力，是支撑物联网良好生态环境形成的基础。

物联网生态环境培育：拉通物联网产业的上下游，培育物联网硬件开发、物联网系统软件开发、物联网应用软件开发、物联网业务运营、网络运营、物联网数据挖掘等分离的商业生态环境，为物联网的大发展建立基础。类似于智能终端操作系统（iOS、Andriod等）对移动互联网的生态环境培育作用；

降低物联网应用开发的成本和时间：物联网操作系统是一个公共的业务开发平台，具备丰富完备的物联网基础功能组件和应用开发环境，可大大降低物联网应用的开发时间和开发成本；提升数据共享能力：统一的物联网操作系统具备一致的数据存储和数据访问方式，为不同行业之间的数据共享提供了可能。物联网操作系统可打破行业壁垒，增强不同行业之间的数据共享能力，甚至可以提供“行业服务之上”的服务，比如数据挖掘等；

为物联网统一管理奠定基础：采用统一的远程控制和远程管理接口，即使行业应用不同，也可采用相同的管理软件对物联网进行统一管理，大大提升物联网的可管理性和可维护性，甚至可以做到整个物联网的统一管理和维护。

体系架构

一般来说，物联网操作系统由内核、通信支持（WiFi/蓝牙、2/3/4G等通信支持、NFC、RS232/PLC支持等）、外围组件（文件系统、GUI、Java虚拟机、XML文件解析器等）、集成开发环境等组成，基于此，可衍生出一系列面向行业的特定应用，

当前，物联网（IoT）技术领域充释着各种标准，像NB-IoT、LoRa、SigFox等，他们正通过各自擅长的技术和应用抢夺IoT风口，以争取在这片广阔的市场上取得优势。

这里写描述

NB-IoT是由电信标准延伸而出的，主要是由电信运营商支持，而LoRa则是一个商业运用平台，两者主要区别在于商业运营的模式：NB-IoT基本是由电信运营商来把控运营，所以使用者必须使用它的网关及服务，而LoRa就量对开放一些，有各种不同的组合方式，商业的模式是完全不同的。

技术层面上来看，NB-IoT和LoRa的差异其实并不是很大，属于各有优劣。而相对于某些领域，国内有一些用户在并行使用这两种技术和网络。NB-IoT相对而言是受限于基站的，而LoRa则要加入一个网关相对简单容易，并且总的来说价格要比NB-IOT低廉。用户可以根据需求，增加不同的网关覆盖。所以从覆盖程度上来说LoRa的覆盖程度可能比NB-IoT更广一点。

LPWAN又称LPN，全称为LowPower Wide Area Network或者LowPower Network，指的是一种无线网络。这种无线网络的优势在于低功耗与远距离，通常用于电池供电的传感器节点组网。因为低功耗与低速率的特点，这种网络和其他用于商业，个人数据共享的无线网络(如WiFi，蓝牙等)有着明显的区别。

在广泛应用中，LPWAN可使用集中器组建为私有网络，也可利用网关连到公有网络上去。

LPWAN因为跟LoRaWAN名字类似，再加上最近的LoRaWAN在IoT领域引起的热潮，使得不少人对这两个概念有所混淆。事实上LoRaWAN仅仅是LPWAN的一种，还有几种类似的技术在与LoRaWAN进行竞争。

概括来讲，LPWAN具有如下特点：

• 双向通信，有应答

• 星形拓扑(一般情况下不使用中继器，也不使用Mesh组网，以求简洁)

• 低数据速率

• 低成本

• 非常长的电池使用时间

• 通信距离较远

LPWAN适合的应用:

• IoT，M2M

• 工业自动化

• 低功耗应用

• 电池供电的传感器

• 智慧城市，智慧农业，抄表，街灯控制等等

LoraWAN和Lora之间关系

虽然一样是因为名字类似，很多人会将LoRaWAN与LoRa两个概念混淆。事实上LoRaWAN指的是MAC层的组网协议。而LoRa只是一个物理层的协议。虽然现有的LoRaWAN组网基本上都使用LoRa作为物理层，但是LoRaWAN的协议也列出了在某些频段也可以使用GFSK作为物理层。从网络分层的角度来讲，LoRaWAN可以使用任何物理层的协议，LoRa也可以作为其他组网技术的物理层。事实上有几种与LoRaWAN竞争的技术在物理层也采用了LoRa。

LoraWAN的主要竞争技术

这里写描述

如今市场上存在多个同样使用LoRa作为物理层的LPWAN技术，例如深圳艾森智能（AISenz Inc）的aiCast。aiCast支持单播、多播和组播，比LoRaWAN更加复杂完备。许多LoRaWAN下不可能的应用因此可以实现。

Sigfox使用慢速率的BPSK(300bps)，也有一些较有前景的应用案例。

NB-IoT(Narrow Band-IoT)是电信业基于现有移动通信技术的IoT网络。其特点是使用现有的蜂窝通信硬件与频段。不管是电信商还是硬件商，对这项技术热情不减。

关键技术Lora简介

LoRaWAN的核心技术是LoRa。而LoRa是一种Semtech的私有调制技术(2012收购CycleoSAS公司得来)。所以为了便于不熟悉数字通信技术的人们理解，先介绍两个常见的调制技术FSK与OOK。选用这两个调制方式是因为：

1这两个是最简单、最基础、最常见的数字通信调制方式

2在Semtech的SX127x芯片上与LoRa同时被支持，尤其是FSK经常被用来与LoRa比较性能。

OOK

OOK全称为On-Off Keying。核心思想是用有载波表示一个二进制值(一般是1，也可能反向表示0)，无载波表示另外一个二进制值(正向是0，反向是1)。

在0与1切换时也会插入一个比较短的空的无载波间隔，可以为多径延迟增加一点冗余以便接收端解调。OOK对于低功耗的无线应用很有优势，因为只用传输大约一半的载波，其余时间可以关掉载波以省功耗。缺点是抗噪音性能较差。

这里写描述

FSK

FSK全称为Frequency Shift Keying。LoRaWAN协议也在某些频段写明除LoRa之外也支持(G)FSK。FSK的核心思想是用两种频率的载波分别表示1与0。只要两种频率相差足够大，接收端用简单的滤波器即可完成解调。

对于发送端，简单的做法就是做两个频率发生器，一个频率在Fmark，另一个频率在Fspace。用基带信号的1与0控制输出即可完成FSK调制。但这样的实现中，两个频率源的相位通常不同步，而导致0与1切换时产生不连续，最终对接收器来讲会产生额外的干扰。实际的FSK系统通常只使用一个频率源，在0与1切换时控制频率源发生偏移。

这里写描述

GFSK是基带信号进入调制前加一个高斯(Gaussian)窗口，使得频率的偏移更加平滑。目的是减少边带(Sideband)频率的功率，以降低对相邻频段的干扰。代价是增加了码间干扰。

对于这一方面的研究实验发现：学习Lora调制技术的一些准备及发现

然而，对于“悠久历史积累”和高安全、易部署等综合优势的LoRa阵营来说，最近几年里，在技术和落地方面虽取得了长足的进步，但离真正的规模、解决行业客户的切实问题是有着不小的差距。那么，究竟是技术壁垒突破较难？产业链生态不健全？亦或者是商业模式限制了从业者对市场规模的想象？对于LoRa产业链的广大从业者而言，找到制约LoRa技术大规模发展的瓶颈，并联手产业合力突围对推动产业良性发展至关重要。

洪恩流体物联网消防水泵机组是消防给水成套设备，是按照国际通行原则而设计研发生产的成套设备，解决了消防给水系统的诸多技术问题，提高了系统的整体安全可靠性，具体技术措施如下：

1、系统整体解决方案

本消防给水成套设备的主要组件如下：

1洪恩物联网机组产品的优势

1）机组的各部件，包括消防水泵、控制柜、阀门、仪表、管件都经过洪恩的严格选型，而且公司有全尺寸的试验平台，产品出厂前都经过严格的测试；而且是整机供应，包括消防水泵、控制柜、阀门、仪表、管件、螺栓螺帽、垫片等，不需要甲方或施工方花费大量的人力物力去采购、质检；施工周期短，现场只是简单的人工组装，大大地节省工时；全部配件都是由洪恩提供，部件和整体质量大大高于现有的模式，而且质保和维护只有洪恩一家公司，避免了找不到责任方，各方互相推卸责任；

2）洪恩机组更紧凑，占地更少；控制柜包括七种功能，机械应急、双电源及切换、水泵控制、水泵自动低频、工频巡检、物联网功能，避免了分别设置电源柜、控制柜、巡检柜的情况，占地更少，接线更简单，只要给控制柜供上电、接上信号线、接上网线，就具备了各种规范要求的所有基本功能，同时还增加了更多可靠的、节省人工的、免维护的功能，省时省力，省心放心。

2机械应急启动

现行国家标准《消防给水及消火栓系统技术规范》GB50974-2014 第 11012 条强制要求，消防水泵控制柜应设置机械应急启泵功能。强条

我公司的机械应急启动启动装置在接触器线圈烧毁的情况下，也能启动消防水泵，其他产品在接触器坏掉的时候不能启动消防水泵，不是真正的机械应急启动。而且洪恩的产品已经通过了公安部“CCCF”消防产品认证。

3防护等级

我公司产品控制柜的防护等级为 IP55，符合 GB50974-2014 第 1109 条的强制要求强条。既可以与消防水泵共处一个房间，也可以单独设置房间，灵活方便。

4水泵过热防治

（1）目前的问题

很多系统没有这个基本功能，即使有这个功能，也会影响水枪、喷头的正常出水。

（2）洪恩的优势

符合 GB50974-2014 第 5116 条的要求强标。在不影响水枪、喷头出水的情况下，可以有效地防止消防水泵过热，大大增加了消防水泵的持续运转性能，这是现在的系统和产品做不到的，也更加符合消防部队的使用要求。

5自动低频巡检功能

低频巡检是洪恩控制柜的基本配置，洪恩的机组一个控制柜，就包含了电源柜、控制柜和巡检柜的所有功能，避免了现在三个柜子之间的复杂接线和调试困难，施工周期、调试周期大大缩短。