所謂連接，指的是各種各樣的終端設備，都能夠通過某種網絡技術，連接到一個統(tǒng)一的網絡上。任何終端之間都可以相互訪問。下一代的基礎通信網絡，包括未來的5G，通信網絡架構重構等，為物聯網提供泛連接網絡是核心目標。目前也已經有很多廠商推出解決方案，比如Google的thread/wave，華為的Hi-Link，以及NB-IoT等。

 

傳統(tǒng)的物聯網連接，都是指物聯網終端設備與物聯網云平臺之間的連接，如下圖：

 

 

在這種模式下，物聯網設備通過各種各樣的連接技術，比如WiFi，Ethernet，BLE，Zigbee等等技術，連接到位于云端的物聯網平臺上。需要注意的是，這僅僅是一個邏輯結構，在物理上，物聯網設備在接入云平臺之前，很可能需要一個物聯網網關。因為很多連接技術是無法直接連接到位于Internet上的物聯網云平臺的，比如Zigbee，BLE，Z-Wave，NFC等等。這些技術的通信范圍是一個小的局域網，比如一個家庭，一間辦公室等。而連入Internet的技術，則往往是WiFi，Ethernet，2/3/4G等這類網絡技術，大部分物聯網設備并不能提供這種連接的支持能力。因此，需要有一個物聯網網關，來彌補這個GAP，完成不同技術之間的轉換。下圖示意了物聯網網關的功能和網絡位置：

 

 

物聯網網關往往具備相對強大的計算能力，具備豐富的網絡接口，同時具備消息或數據的匯聚和分解功能。

 

在這種連接模式下，物聯網云平臺是所有物聯網終端設備的“大腦”，云平臺統(tǒng)一指揮物聯網終端的行為，如果這種連接一旦斷開，那物聯網終端將無所適從，完全失去控制。

更理想的連接，應該是物聯網設備之間，也實現本地的直接連接，如下圖所示：

 

 

物聯網設備之間也建立連接，同時保留與云平臺的連接。這樣的好處就是，一旦云平臺的連接中斷，物聯網終端可以采用本地之間的終端連接，繼續(xù)提供服務。同時，物聯網設備本地之間的交流和通信，直接通過本地連接完成，而不用再上升到云端。

 

要實現這種“云端連接”加“本地連接”的模型，需要物聯網設備支持消息中繼功能。即物聯網設備可以把另外的物聯網設備的消息或數據，轉發(fā)到云平臺，同時把云平臺發(fā)下來的數據，轉接給另外的物聯網設備。

                     

 

協同，則是指接入網絡的任何設備之間，能夠通過學習，實時的了解自己和對方的能力和狀態(tài)，能夠根據特定的輸入條件，或者特定的環(huán)境狀態(tài)，多種設備實現有效互動，協調工作，完成某種單一設備無法完成的工作。協同是物聯網的核心和本質。協同表現在下面幾個方面：

 

 

 

智能，則是指物聯網設備具備“類似于人”的智慧，比如根據特定條件和環(huán)境的自我調節(jié)能力，能夠通過持續(xù)的學習，不斷優(yōu)化和改進，更“人性化”的為人類服務。

 

如果物聯網設備只是連接在一起，能夠遠程控制，被動的聽從人們的指揮，那不能算是真正的物聯網，只能算是“控制網”。理想的目標是，物聯網設備應該具備自我學習能力，能夠通過積累過往的經驗或數據，能夠對未來進行預判，為人們提供更加智能的服務。這種“機器學習”的能力，我們認為應該屬于物聯網操作系統(tǒng)的一部分，應該能夠抽象成一些基本的服務或API，內置到內核中，供應用開發(fā)者或者設備開發(fā)者調用。

 

而且，這種機器學習的服務，不僅僅只是位于終端操作系統(tǒng)中的一段代碼，還應該有一個龐大的后臺進行支撐。大量的計算和預測功能，在后臺上執(zhí)行。而終端上只是做一些簡單計算和結果的執(zhí)行。這樣終端加后臺軟件，就形成一個分布式的計算網格，有效分工，協同計算，有序執(zhí)行，形成一個支撐物聯網的數字神經。

 

 

物聯網操作系統(tǒng)是支撐物聯網大規(guī)模發(fā)展的最核心軟件。根據上面總結的物聯網的主要特征，結合操作系統(tǒng)的主要功能和分層結構，我們總結出如下的物聯網操作系統(tǒng)整體架構：

 

 

總體來說，物聯網操作系統(tǒng)是由操作系統(tǒng)內核，外圍功能組件，物聯網協同框架，通用智能引擎，集成開發(fā)環(huán)境等幾個大的子系統(tǒng)組成。這些子系統(tǒng)之間相互配合，共同組成一個完整的面向各種各樣物聯網應用場景的軟件基礎平臺。需要說明的是，這些子系統(tǒng)之間有一定的層次依賴關系，比如外圍功能組件需要依賴于物聯網操作系統(tǒng)內核，物聯網協同框架需要依賴于外圍功能組件，而公共智能引擎，需要依賴于下層的內核，外圍功能組件，甚至是物聯網協同框架等。在這個架構圖中，也反映了這種層次化的依賴關系。

 

目前主流的物聯網操作系統(tǒng)，比如Google的Brillo，Linux開放基金會的Ostro項目，以及HelloX項目，都遵循這樣一種框架。下面對這幾個子系統(tǒng)做簡要介紹。

 

 

內核是任何操作系統(tǒng)都有的核心組件，操作系統(tǒng)的核心功能和核心機制，都是在內核中實現的。比如最核心的線程/任務管理，內存管理，內核安全和同步等機制。雖然從功能上說，大部分操作系統(tǒng)的內核都相差不大，但是在這些具體功能的實現上，面向不同領域的操作系統(tǒng)，其實現目標和實現技術都是不同的。

 

比如對傳統(tǒng)的通用個人計算機操作系統(tǒng)來說，內核更加關注用戶交互的響應時間，資源的充分利用，不同應用程序之間的隔離和安全等。這是與其應用場景有關的。而對于面向嵌入式領域的嵌入式操作系統(tǒng)，則更加關注對中斷的響應時間，更加關注線程或任務的調度算法，以使得整個系統(tǒng)能夠在可預知的時間內，完成對外部事件的響應。

 

而物聯網操作系統(tǒng)的內核，又有不同于其它操作系統(tǒng)的特點。最主要的是其伸縮性。物聯網操作系統(tǒng)的內核應該能夠適應各種配置的硬件環(huán)境，從小到幾十K內存的低端嵌入式應用，到高達幾十M內存的復雜應用領域，物聯網操作系統(tǒng)內核都應該可以適應。同時，物聯網操作系統(tǒng)的內核應該足夠節(jié)能，確保在一些能源受限的應用下，能夠持續(xù)足夠長的時間。比如，內核可以提供硬件休眠機制，包括CPU本身的休眠，以便在物聯網設備沒有任務處理的時候，能夠持續(xù)處于休眠狀態(tài)。在需要處理外部事件時，又能夠快速的喚醒。

 

物聯網操作系統(tǒng)的內核也應該具備嵌入式操作系統(tǒng)的一些特征，比如可預知可計算的外部事件響應時間，可預知的中斷響應時間，對多種多樣的外部硬件的控制和管理機制等。當然，物聯網操作系統(tǒng)內核必須足夠可靠和安全，以滿足物聯網對安全性的需求。

 

從功能上說，與其它操作系統(tǒng)基本類似，主要包括任務管理，內存管理，中斷管理，內核同步，安全與權限管理，應用管理等。為了確保內核的正常運行，內核也應提供內核統(tǒng)計與監(jiān)控功能，即監(jiān)視內核的運行狀態(tài)，監(jiān)視內核對象的數量/狀態(tài)等，為維護或開發(fā)人員提供故障定位的工具。在每一個內核子模塊中，都會通過更加具體的機制或者算法，來滿足物聯網應用的需求。同時確保內核的整體安全性和可靠性。

 

內核也是直接與物理設備打交道的軟件，所有對物理設備的管理，包括物理設備檢測，物理設備驅動程序加載和卸載等等功能，也都是在內核中實現的。為了有效的管理物理設備，內核需要定義一套標準的設備管理框架，設備驅動程序需要遵循這一套框架，才能納入內核的管理。為了訪問多種多樣的物理設備，內核同時也會定義一套叫做硬件抽象層的軟件，這本質上是對一些常用硬件操作的抽象，比如讀寫設備配置空間，有的CPU是通過I/O接口來訪問設備空間的，有的則是把設備配置空間直接映射到內存空間，通過常規(guī)內存訪問來讀取設備配置空間。為了適應這種不同的情況，內核一般會定義一個叫做__device_read和__device_write的宏，根據設備類型的不同，這些宏定義的實現代碼會不同，但是對操作系統(tǒng)內核和設備驅動程序來說，只需要調用這兩個一致的宏，即可對設備配置空間進行訪問。這就是一個典型的硬件抽象層的例子。

 

除此之外，物聯網操作系統(tǒng)的內核還提供面向物聯網應用的常用連接功能，比如對藍牙的支持，對Zigbee的支持，對WiFi的支持，等等。各類領域應用可以直接利用物聯網操作系統(tǒng)內核的這些連接功能，實現最基本的通信需求。

 

下圖示意了內核的更進一步的功能結構：

 

 

 

物聯網操作系統(tǒng)內核只是提供最基本的操作系統(tǒng)功能，供物聯網應用程序調用。但只有物聯網操作系統(tǒng)內核是遠遠不夠的，在很多情況下，還需要很多其它功能模塊的支持，比如文件系統(tǒng)，TCP/IP網絡協議棧，數據庫等。我們把這些功能組件從物聯網操作系統(tǒng)內核中獨立出來，組成一個獨立的功能系統(tǒng)，稱為“外圍功能組件”。

 

之所以把這些功能組件稱為“外圍”，是因為在很多情況下，這些功能組件都不是必須的。而且在實際的物聯網應用中，這些外圍組件也不會全部被用到，大部分情況下用到一到兩個就可以滿足需求了，其它的功能組件必須裁剪掉。因為在物聯網應用中，很多情況下的系統(tǒng)硬件資源非常有限，如果保留沒有用到的功能組件，會浪費掉很多資源。同時，保留一些用不到的組件，會對整個系統(tǒng)帶來安全隱患。比如，如果物聯網應用不需要聯網，卻保留了TCP/IP協議棧功能，則TCP/IP協議棧的BUG或漏洞，可能會被利用，從而對系統(tǒng)造成安全影響。這些外圍功能組件都是針對物聯網操作系統(tǒng)進行定制和開發(fā)的，與物聯網操作系統(tǒng)內核之間的接口非常清晰，具備高度的可裁剪性。

 

但通用操作系統(tǒng)中，這些外圍組件的處理方式卻與物聯網操作系統(tǒng)不同，這些組件會被統(tǒng)一歸類到內核中，隨內核一起分發(fā)，作為一個整體提供給用戶。即使應用程序不用這些組件，也不能把這些組件裁剪掉。之所以這樣做，是因為通用操作系統(tǒng)的資源相對豐富，多保留一些功能模塊對整體系統(tǒng)的影響并不大。同時，通用操作系統(tǒng)的安全性要求相對較低。

 

物聯網操作系統(tǒng)內核和外圍功能組件結合起來，可以解決物聯網的“連接”需求。這包括內核提供的基本物聯網本地連接（藍牙，Zigbee，NFC，RFID等），以及外圍功能組件中的TCP/IP協議棧等提供的復雜網絡連接。

 

除TCP/IP網絡協議棧外，常見的外圍組件還包括文件系統(tǒng)，圖形用戶界面（GUI），安全傳輸協議，腳本語言執(zhí)行引擎（比如JavaScript語言的執(zhí)行引擎等），基于TCP/IP協議的安全傳輸協議（SSL/SSH等），C運行庫，在線更新機制（軟件升級/在線更新補?。┑?。需要說明的是，TCP/IP協議棧是面向互聯網設計的通信協議棧，由于物聯網本身特征與互聯網有很大差異，TCP/IP協議棧在應用到物聯網的時候，面臨許多問題和挑戰(zhàn)，需要對TCP/IP協議棧做一番優(yōu)化改造。我們把改造之后的TCP/IP協議棧，稱為“面向物聯網的TCP/IP協議”，簡寫為“TCP/IP@IoT”。下圖示意了常見的物聯網操作系統(tǒng)外圍功能組件：

  

 

物聯網協同框架是實現物聯網“協同”功能性需求的關鍵功能系統(tǒng)。物聯網操作系統(tǒng)的內核和外圍功能組件，僅僅實現了物聯網設備之間的“連接”功能。但是我們知道，僅僅實現物聯網設備的連接上網，是遠遠不夠的。物聯網的精髓在于，物聯網設備之間能夠相互交互和協同，使得物聯網設備能夠“充分合作”，相互協調一致，以達到單一物聯網設備無法完成的功能。而物聯網協同框架，就是為物聯網設備之間的協同提供了技術基礎。

 

一般情況下，物聯網協同框架是一組軟件的集合，由許多個功能相互獨立，但是又相互依賴的軟件模塊組成。比如，Google的Weave物聯網協同框架，是由云平臺組件Weave Cloud，面向設備端的LibWeave，以及面向智能手機客戶端的Weave Client等組件組成。Weave Cloud是整個框架的“中心管理器”，所有基于Weave的物聯網設備，首先都連接到Weave Cloud上，接受Weave Cloud下發(fā)的指令，并向Weave Cloud上報相關數據。Weave Client則也需通過Weave Cloud來管理和控制基于Weave的物聯網設備，等等。

 

一般來說，物聯網協同框架至少包括如下功能：

 

 

除此之外，物聯網協同框架還必須實現一些基本的服務，來支撐上述功能。比如，物聯網協同框架需要定義一套標準的物聯網設備命名體系，以能夠準確唯一的標識每一臺物聯網設備。物聯網設備之間，以及用戶與物聯網設備之間，在相互操作之前，還必須要完成認證和鑒權，以確保物聯網的安全，等等。另外一個基礎服務，就是標準的物聯網操作模式。比如在智能家電應用中，用戶可以通過一個標準的Open命令，來遠程打開空調。通過一個Adjust命令，來調節(jié)空調的溫度。這些標準的命令必須由物聯網協同框架進行定義，才能實現不同廠商，不同類型設備之間的互操作。如果沒有這些標準的操作模式（操作命令），那么要打開A廠商的空調，是Open命令，要打開B廠商的空調，則可能是Turn On命令，這樣就無法實現相互操作了。

 

上述協同功能和基本服務，都是建立在網絡通信基礎之上的，協同框架還必須實現或者選擇一種合適的網絡通信協議。物聯網的特征，要求這種通信協議盡可能的低功耗和高效率。一些常用的標準協議，比如CoAP或者MQTT，可以承擔這個功能。大部分物聯網協同框架，比如IoTivity，就是基于CoAP協議的。

 

下圖示意了物聯網協同框架的主要組成：

 

 

下面通過一個智慧商場的例子，進一步說明物聯網協同框架的作用。智慧商場解決方案中，一般都會包括火警探測器與智慧門禁系統(tǒng)。這兩類物聯網設備在被安裝在商場之前，必須經過安全的初始配置，以確保不會被惡意控制。初始配置完成之后，這兩類設備會連接到統(tǒng)一的協同框架云端系統(tǒng)，并實時更新其狀態(tài)。與此同時，火警探測器也會通過物聯網協同框架的設備發(fā)現機制，與門禁系統(tǒng)建立聯系，并相互知道自己的存在。一旦火警探測器探測到火警發(fā)生，則會直接告訴門禁系統(tǒng)打開門禁，以便方便人們盡快逃生。這種情況下，如果沒有物聯網設備之間的直接通信功能，所有的通信都需要經過后臺系統(tǒng)轉接，那么不但響應時間會增加，更致命的是，一旦與后臺之間的物理網絡中斷，則終端之間將無法實現自動聯動。這種網絡故障，在諸如火警等災難發(fā)生時，是最常見的。

 

為支撐上述機制的有效運行，物聯網協同框架還必須提供一致的通信協議和通信技術，物聯網設備只要遵循這套協議，就能夠相互識別對方的消息。同時，物聯網協同框架還必須提供一套唯一的命名規(guī)范，確保任何一個物聯網終端設備，都能獲取到唯一的名字，其它設備能夠通過這個唯一的名字與之交互。同時，這套唯一的命名規(guī)范，最好能夠把物聯網終端設備的功能，也體現出來。這樣物聯網設備之間通過設備名字，就可以確定其提供的功能，從而做出有針對性的動作。比如上述例子，火警探測器可以命名為“Fire alert detector”，而門禁系統(tǒng)可以命名為“Entrance access control”，這樣這兩者可以通過名字，就知道對方的功能角色。當然，這只是個例子，在實際的命名系統(tǒng)中，還是應該有一套計算機能夠識別的編碼體系。

 

目前物聯網行業(yè)內的一些協同框架，基本都是與物聯網操作系統(tǒng)內核獨立的，即這些協同框架可以被應用在基于任何操作系統(tǒng)的物聯網解決方案中，只要這些操作系統(tǒng)能夠提供必要的接口即可。但采取這種方式，顯然有其明顯的弊端。那就是無法采用一套統(tǒng)一的代碼，來適應所有的操作系統(tǒng)。比如Google的Waeve，針對Linux和Android等復雜的操作系統(tǒng)，采用C++語言開發(fā)了LibWeave組件。而針對資源受限的嵌入式應用場景，則又采用C語言開發(fā)了uWeave。這樣對物聯網設備的開發(fā)者來說，就不得不掌握兩套完全迥異的API，了解兩套機理完全不同的物聯網協同框架，顯然無法降低成本。

 

理想的實現方式是，物聯網協同框架能夠與物聯網操作系統(tǒng)內核緊密綁定，只提供一套API給開發(fā)者。通過物聯網操作系統(tǒng)內核本身的伸縮機制，來適應不同的應用場景。比如在沒有WiFi支持的嵌入式場景，物聯網操作系統(tǒng)內核會裁剪掉TCP/IP等組件，而采用低功耗藍牙技術實現數據通信。而如果目標硬件配置了WiFi或者Ethernet等網絡接口設備，則會保留TCP/IP協議棧。不論是哪種形態(tài)，物聯網操作系統(tǒng)內核都會提供統(tǒng)一的一套API，給物聯網協同框架使用，即底層的通信機制，對物聯網協同框架是透明的?；谶@樣的設計原則，類似Google Weave這樣的物聯網協同框架就無需針對不同的目標硬件設計多套解決方案了，而只需要一套就可解決問題。

 

 

通過物聯網協同框架，可以使得物聯網設備之間建立關聯，充分協作，完成單一物聯網設備無法完成的功能。但是這種協同的功能，還是局限于事先定義好的邏輯上。比如上述智慧商場中火警探測器和門禁系統(tǒng)的例子，必須在領域應用中編寫代碼，告訴火警探測器，一旦發(fā)生火警，則告訴門禁系統(tǒng)打開門禁。如果沒有這樣的程序邏輯，火警探測系統(tǒng)是不會通知門禁系統(tǒng)的。

 

如果希望物聯網系統(tǒng)超出預定義的范圍，能夠達到一種自學習的程度，比如最開始火警探測器并不知道在發(fā)生火警時通知門禁系統(tǒng)，而是隨著運行時間的增加，逐漸的“學習”到這種能力。這樣只有物聯網協同框架就無法做到了，必須引入智能引擎的支持。

 

物聯網智能引擎，就是指包含了諸如語音與語義識別，機器學習等等功能模塊，以使得物聯網能夠超出“事先定義好”的活動規(guī)則，能夠具備像人一樣具備“智慧”的能力。在物聯網智能引擎內的功能模塊，都是基礎能力，可以供各種物聯網應用所調用。比較典型的例子就是，在物聯網設備中加入語音識別功能，人們通過自然語言，與物聯網設備直接對話，來達到下達指令的目的。

 

另外一個公共智能引擎中的重要模塊，是DSL語言與其對應的處理引擎。DSL(DomainSpecific Language，領域特定語言)是針對某一種特定的應用領域開發(fā)的編程或操作語言，專門應用于一個相對獨立的領域。這與計算機編程語言不一樣，計算機編程語言大部分都比較通用，可以為多種應用領域編寫程序。正是因為它的通用性，無法照顧到某一個具體的領域，因此采用通用計算機語言來實現某一個具體領域的應用時，就非常麻煩，需要專業(yè)的程序員，經過復雜的編程工作。而DSL語言，則是針對某一個很細的功能領域開發(fā)，專門應用于這個特定的領域。這樣就可以針對這個特定的領域建立一些內置對象，定義領域特定的動作，并根據領域的習慣，定義領域特有語法。采用DSL語言來編寫領域應用，就非常簡單。

 

現在有很多軟件工具，可以用于定義DSL，并提供執(zhí)行解釋引擎。物聯網操作系統(tǒng)的公共智能引擎模塊中，也應該提供DSL語言開發(fā)及解釋的功能，以方便物聯網特定場景的調用。

 

 

集成開發(fā)環(huán)境是任何一個完備的操作系統(tǒng)所必需提供的功能組件，程序員通過集成開發(fā)環(huán)境的輔助，完成具體應用的開發(fā)，這些應用最終運行在目標操作系統(tǒng)上。比如針對Linux操作系統(tǒng)的GCC開發(fā)工具套件，面向Windows操作系統(tǒng)的Microsoft Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境，以及跨平臺的Eclipse集成開發(fā)環(huán)境，等等。

 

開發(fā)環(huán)境是豐富壯大操作系統(tǒng)生態(tài)圈的最核心組件，同時也是形成“二級開發(fā)模式”的基礎。所謂二級開發(fā)模式，指的是包含操作系統(tǒng)平臺本身功能開發(fā)的第一級開發(fā)，以及基于操作系統(tǒng)平臺，進行應用程序開發(fā)或操作系統(tǒng)內核定制的二次開發(fā)。其中第一級開發(fā)，是由操作系統(tǒng)廠商或者開源社區(qū)完成。而第二級的二次開發(fā)，則是由具體的應用廠商開發(fā)完成。這兩個層次的開發(fā)，所用的工具是不同的。在第一級開發(fā)中，一般采用系統(tǒng)級的開發(fā)工具，大部分都是命令行模式，采用的開發(fā)語言，也是以C/C++，甚至匯編語言為主。而第二級開發(fā)的時候，操作系統(tǒng)基礎架構已構筑起來，對應的編程開發(fā)環(huán)境也已經完善，因此大部分是采用圖形化的開發(fā)環(huán)境。相對來說，第二級開發(fā)所需要的系統(tǒng)級的開發(fā)技能也相對較低。注意，這里說的是“系統(tǒng)級”的開發(fā)技能，主要是指對計算機CPU和硬件，操作系統(tǒng)內核等的理解和技能，并不是說面向應用的開發(fā)技能。實際上，不論是哪個層級的開發(fā)，只要深入進去，真正解決問題了，都不會太簡單。

 

物聯網領域也是如此。在物聯網操作系統(tǒng)本身的開發(fā)中，會采用不同的相對專業(yè)的開發(fā)工具。在操作系統(tǒng)發(fā)布之后，也要提供一套完整的開發(fā)工具，方便物聯網領域的程序員開發(fā)物聯網應用。

 

一般的集成開發(fā)環(huán)境是由一系列工具組合而成的，即使是Microsoft的Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境，雖然開起來是一個類似Office Word一樣的獨立應用程序，程序員可以在其中完成程序的編寫，編譯，調試，運行，發(fā)布等等全軟件聲明周期的所有活動，但是它也是由若干個獨立工具組合在一起形成的集成軟件工作臺，比如編譯工具，連接工具，調試工具，軟件代碼一致性檢查工具等等。

 

面向物聯網操作系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境也不例外，它是由一系列相互獨立但又相互依賴的獨立工具組成的。最基本也是最核心的部分，是開發(fā)語言。目前來說，是沒有一套專門面向物聯網應用開發(fā)的語言的，這不利于推動物聯網的大發(fā)展，因此，必須要選擇一種適合物聯網特點的開發(fā)語言。根據物聯網本身的特征，適合物聯網應用開發(fā)的語言，必須具備下列特征：

 

 

分析目前常見的開發(fā)語言，我們認為JavaScript語言是最合適的。更詳細的分析過程，在后面部分中會詳細描述。

 

除了編程語言之外，另外一個集成開發(fā)環(huán)境的核心部件，是“物聯網運行庫”（物聯網Runtime）。任何一種開發(fā)語言，都有一個與之對應的運行庫，比如針對C語言的libc，針對Java語言的J2SE/J2EE/J2ME等等配套庫。這些運行庫提供了開發(fā)過程中最常用的功能或函數，比如字符串操作，數字操作，I/O，數據庫訪問，等等。物聯網開發(fā)領域也一樣，必須有一套物聯網運行庫，來提供最常見的物聯網開發(fā)功能支持。下列與物聯網應用開發(fā)相關的功能，應該在物聯網運行庫中實現：

 

 

物聯網運行庫必須與物聯網開發(fā)語言強相關，且物聯網運行庫的大部分代碼，都是由物聯網開發(fā)語言實現的。如果以JavaScript作為物聯網開發(fā)語言，那么與之對應的物聯網運行庫，大部分會以JavaScript語言實現。物聯網運行庫有兩種存在方式，一種是作為集成開發(fā)環(huán)境的一部分，在代碼編譯鏈接階段，編譯連接器從物聯網運行庫中選擇與應用程序有關的代碼片段，與應用程序編譯在一起，形成一個可運行的程序包。這種模式下，不需要加載全部物聯網運行庫，而只需要加載應用程序需要的一部分即可。另外一種存在方式，是在物聯網操作系統(tǒng)的內核中。這種情況下，物聯網應用程序與物聯網運行庫是獨立存在的，物聯網應用程序在運行時，操作系統(tǒng)會根據需要，臨時加載物聯網運行庫（或其中的一部分相關內容），支持物聯網應用程序的運行。

 

除此物聯網編程語言和物聯網運行庫之外，物聯網集成開發(fā)環(huán)境還包括代碼編輯工具，編譯工具，連接工具，調試工具等等，這是任何一個軟件開發(fā)環(huán)境都需要具備的。需要注意的是，JavaScript語言是解釋型語言，即代碼可以被語言解釋器直接加載并分析運行，不需要事先編譯和鏈接。在這種情況下，就不需要編譯鏈接等工具。但是調試工具是必須的。

 

物聯網應用開發(fā)語言，物聯網運行庫，以及對應的編輯，編譯，連接，調試等工具，組成了物聯網開發(fā)環(huán)境的核心部分。除此之外，為了方便開發(fā)，分享，交流的目的，一個完善的開發(fā)社區(qū)，也是必須的。開發(fā)者可以在這個社區(qū)上共享代碼，討論技術問題等。更重要的是，物聯網集成開發(fā)環(huán)境可以與開發(fā)社區(qū)緊密結合，可以把成功的代碼或有價值的模塊，發(fā)布到社區(qū)中。物聯網開發(fā)環(huán)境可以直接根據程序員的需要，從社區(qū)中下載代碼，并納入到項目中。

 

 

領域應用是面向不同物聯網領域，通過綜合利用物聯網操作系統(tǒng)的各層功能模塊，借助物聯網操作系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境，開發(fā)出來的可以完成一項或多項具體功能的應用程序。應用領域可以根據需要，調用一個或全部物聯網操作系統(tǒng)的功能。比如，如果是實現一個提供簡單網絡連接的實時溫度計應用，則只需要利用物聯網操作系統(tǒng)的內核和TCP/IP協議棧等外圍組件即可。但如果這個溫度計應用在智慧農業(yè)解決方案中，根據不同的溫度，來實時調節(jié)通風系統(tǒng)，則必須要集成物聯網系統(tǒng)框架，以使得溫度計與通風系統(tǒng)能夠建立聯系并有效協同。更進一步，如果希望溫度計具備某些“智慧”的功能，比如能夠識別人們的語音指令，能夠根據周圍環(huán)境的溫度和濕度等信息，判斷出是否下雨，并采取適當動作等，則必須要有公共智能引擎的支持。

 

總之，領域應用是物聯網操作系統(tǒng)的直接服務目標，它利用物聯網操作系統(tǒng)這個基礎軟件平臺，并根據具體領域的特征，來完成某項具體的功能。由于領域應用是與特定領域強相關的，不屬于公共的平臺軟件，因此我們不把它作為物聯網操作系統(tǒng)的組成部分。但是為了說明領域應用與物聯網操作系統(tǒng)的關系，也一起把它體現在了物聯網操作系統(tǒng)的架構圖中。

 

 

綜合上面的說明，可以把物聯網操作系統(tǒng)的框架做進一步細化，如下圖所示：

 

 

前面講到，物聯網的三個主要特征分別是連接，協同和智能。物聯網的這個整體框架，是與這三個特征分別對應的，如下圖所示：

 

 

如果物聯網應用只希望實現基本的連接功能，那么只要保留物聯網操作系統(tǒng)的內核，以及一兩個基本的外圍組件，比如TCP/IP協議棧，就足夠了。

 

可以看出，物聯網操作系統(tǒng)完整的解決了物聯網的三個功能性需求。

 

最后需要說明的是，雖然我們把物聯網操作系統(tǒng)分為了內核，外圍組件等四個層次，但是這些層次之間，并不是嚴格的涇渭分明，而是具備一些依賴關系的。比如外圍功能組件要依賴物聯網操作系統(tǒng)內核機制，而協同框架又依賴于某些外圍功能組件。同時，公共智能引擎也需要依賴于內核，外圍組件等來作為基礎支撐。這些不同的功能層次之間，通過預先定義好的接口，既能夠水乳交融的集成在一起，形成完成的解決方案，又可以根據應用場景的需求，只保留其中的一個或幾個部分，而仍然可以整齊劃一。同時，集成開發(fā)環(huán)境提供統(tǒng)一的API，使整個系統(tǒng)表現出一致的風格。

 

 

下面列舉幾個比較典型的物聯網操作系統(tǒng)，來進一步說明物聯網操作系統(tǒng)的功能和架構。首先看一下業(yè)界比較有影響力的Brillo操作系統(tǒng)，這是Google發(fā)布的專門面向物聯網應用的操作系統(tǒng)。Brillo的架構如下：

 

 

可見，Brillo與Android一樣，仍然使用Linux內核作為其操作系統(tǒng)內核。這樣Linux在物聯網領域應用的一些弊端，就被完整的繼承到了Brillo中。比如，Linux內核對運行內存的要求較高，同時Linux還需要CPU硬件支持MMU(內存管理單元)功能，等等。這樣就間接導致Brillo的運行內存要求較高，按照官方說法，要至少32M內存。同時要求CPU支持MMU功能。這樣大量的低端CPU或MCU，比如STM32系列，就無法運行Brillo，因為這些CPU的片上內存一般不超過1M，同時一般不提供MMU功能。由于這些原因，大大限制了Brillo的應用范圍。

 

在Linux內核之上，Brillo保留了Android操作系統(tǒng)里面的一個硬件訪問層(HAL，Hardware Access Layer)。這個層次的主要功能，就是對底層的硬件進行統(tǒng)一的抽象，以更加友好一致的方式，提供給應用程序訪問。從功能上說，這一層軟件并無明顯的價值，但是其簡化了對硬件的操作，給程序開發(fā)帶來較大的便利。按照一般的軟件分層規(guī)則，這一層軟件應該還是屬于操作系統(tǒng)內核的一部分，因為它并沒有提供額外的附加功能，在代碼量上，與內核相比，也非常少，在某些情況下甚至可以忽略掉。因此，在展示上，應該與操作系統(tǒng)內核放在一起。但是Google為了區(qū)分這一層軟件是來源于Android系統(tǒng)，而不是Linux，因此把它單獨列出來了。

 

再往上，就是支撐操作系統(tǒng)運行的一些輔助功能組件了。主要有在線更新（OTA Updates），安全相關的一些組件和機制，以及在線數據分析和性能測量等。在線更新機制，可以使運行Brillo操作系統(tǒng)的物聯網設備，在運行過程中就可以更新軟件，而不用中斷運行。這個特性是非常有價值的，Brillo是一個復雜的系統(tǒng)，其版本更迭和補丁發(fā)布必定非常頻繁。如果不提供在線更新功能，沒發(fā)布一個新的版本和補丁，都需要現場更新物聯網設備，顯然是不可操作的。因此Google設計了這個特性來支撐在線實時軟件更新功能。只要與Brillo的后臺服務器連接上，Brillo會自動檢查更新，并安排更新，而不會影響設備的正常運行。而安全機制則提供了設備認證，數據加密等功能，這是任何網絡流解決方案必須要提供的機制，在后面部分會詳細介紹。而在線性能統(tǒng)計和分析功能，則可以幫助用戶實時查看和分析設備狀態(tài)，性能，消息數量等數據，為設備維護人員提供一個基礎的管理平臺。開發(fā)者可以根據需要，選擇啟用或關閉這些外圍輔助功能。

 

再上面，就是Weave框架了。Brillo操作系統(tǒng)內嵌了對Weave的支持，把Weave作為支撐物聯網應用的主要功能模塊。但是具有諷刺意味的是，Weave并沒有把Brillo作為唯一的底層操作系統(tǒng)，反而一直強調“跨平臺，可移植”等特性?？梢?，在Google內部，Weave要更強勢一些，Brillo的定位或者價值，仍然存疑。

 

從架構上看，Brillo是完全符合我們前面提到的物聯網操作系統(tǒng)參考架構的。比如Linux內核和Android HAL組合到一起，就對應物聯網操作系統(tǒng)內核這一層。在線升級，安全機制，性能測量和數據分析等這些輔助功能組件，對應于外圍功能組件這一層。Weave則對應于物聯網協同框架這一層。如下圖所示：

 

 

需要說明的是，在Google提供的官方架構圖中，Weave模塊是與OTAUpdates等外圍輔助模塊位于同一個層次的。這樣無法反映出Weave和Brillo之間的關系。Weave是依賴于Brillo操作系統(tǒng)而運行的，Weave又不屬于Brillo操作系統(tǒng)的范疇。因此正確的表示方法應該是把Weave放在Brillo上面，既體現了依賴邏輯，又體現了這兩者相互獨立的關系。不論哪種處理方式，都不會帶來理解上的偏差。

 

 

Ostro項目是由Intel主導創(chuàng)建的一個開源物聯網操作系統(tǒng)項目，它的目的是開發(fā)一個針對物聯網應用的專門操作系統(tǒng)，這個操作系統(tǒng)的名字也叫做Ostro。它是基于Linux內核進行裁剪，并針對物聯網領域的智能設備進行定制，專門應用于物聯網的操作系統(tǒng)。

 

它可以被安裝在USB存儲桿或者SD卡上，可以直接啟動物聯網硬件設備。當然，物聯網應用開發(fā)者也可以根據自己的需要，對Ostro進行二次裁剪，自定義一個符合自身應用場景的全新內核。這個特征完全符合物聯網操作系統(tǒng)的要求。

 

它所宣稱的最主要特征，包括可裁剪，安全，豐富的開發(fā)環(huán)境，以及面向物聯網的豐富組件和服務支持等。主要特點如下：

 

 

下圖示意了Ostro物聯網操作系統(tǒng)的整體架構：

 

 

下面按照從上往下的順序，對Ostro的各個層次做簡要介紹。

 

IoT應用程序：這個層次包含了所有使用Ostro編程接口所開發(fā)的物聯網應用程序。當前的Ostro版本并沒有開發(fā)任何特定的應用程序實例，僅僅提供了如何開發(fā)應用程序的指導以及一些簡單的代碼片段。隨著Ostro的發(fā)展，或許會有針對特定典型場景的物聯網應用程序，比如智慧家庭應用程序，被納入到這個層次中發(fā)布。

 

編程接口：編程接口是Ostro提供給應用程序開發(fā)者使用的，用于開發(fā)各種各樣的物聯網應用程序。當前來說，Ostro提供了多種多樣的編程接口供程序員根據自己的喜好和特定應用場景調用。主要有：

 

 

總之，Ostra提供了相對豐富的變成框架，供應用開發(fā)者選擇。

 

物聯網協同框架：Ostro內置了對IoTivity的支持。IoTivity 是一個開源的軟件框架，用于無縫的支持設備到設備的互聯，以及人與設備的簡便互聯。其主要是為了滿足物聯網開發(fā)的需要，構建物聯網的生態(tài)系統(tǒng)，使得設備和設備之間可以安全可靠的連接。而IoTivity 通過提供一系列框架和服務來加速設備的互聯應用開發(fā)。該項目由 Open Interconnect Consortium (OIC) 組織贊助，相當于是 OIC 標準的一個參考實現。在本書的第二部分中，有詳細的描述。

 

Ostro服務：Ostro服務主要是指系統(tǒng)級的一些進程或線程，這些進程或線程負責管理網絡連接，加載必要的支撐服務，以及提供進程間通信（IPC）支持等。在Ostro操作系統(tǒng)中，保留了大部分Linux操作系統(tǒng)所支持的systemd，D-Bus等。

 

除此之外，在線軟件更新也是Ostro提供的基本服務之一。這是專門為物聯網應用所提供的一個基本服務，可以快速的完成物聯網設備的軟件更新，而且只需要最小的軟件下載量，只需要重新啟動必要的物聯網設備即可，而不需要重新啟動所有的物聯網設備。

 

在線軟件更新是確保物聯網可管理可維護的核心機制，通過物聯網操作系統(tǒng)與后端云平臺的協同，使得物聯網設備的軟件始終保持在最新和最安全的狀態(tài)。

 

Ostro基本庫：Ostro基本庫包括隨Linux內核一起發(fā)行的最基本運行庫，比如最常用的C運行庫等。當然，Ostro可以根據需要，動態(tài)的擴展基本庫的范圍。

 

Linux內核：Ostro的內核就是通用的Linux內核，它包括了最基本的驅動程序支持，硬件適配支持，網絡支持，文件系統(tǒng)以及設備管理機制等。為了適應物聯網的應用，Ostro對Linux內核做了一些微調，使得內核可以支持更多的傳感器（Sensor），能夠支持更多的連接類型，比如藍牙/WiFi/Zigbee等等。

 

但是由于Linux內核本身的復雜性和不可分割性，使得Ostro物聯網操作系統(tǒng)很難具備物聯網操作系統(tǒng)所應該具備的高度伸縮性要求。

 

從上面的分析中可以看出，Ostro物聯網操作系統(tǒng)與我們定義的物聯網操作系統(tǒng)分層模型基本上是對應的，下圖示意了這種對應關系：

 

 

 

HelloX是由國內操作系統(tǒng)愛好者開發(fā)的完全開源物聯網操作系統(tǒng)，下圖示意了HelloX的整體架構：

 

 

從整體結構上可以看出，HelloX操作系統(tǒng)也符合物聯網操作系統(tǒng)的分層結構。最下方是驅動程序層，實現了大多數常見硬件的驅動支持，包括USB，以太網，SPI/UART等等。嚴格來說，驅動程序層應該屬于內核的一部分。在HelloX的實現中，為了突出HelloX豐富的驅動支持的特點，把驅動程序單獨拿出來，作為一個層次展示。

 

在驅動層之上，是內核層。內存管理，任務調度等機制，都是在內核中實現的。與其它物聯網操作系統(tǒng)基于Linux內核定制的思路不同，HelloX的內核是根據物聯網的特征，完全全新開發(fā)的。內核中各模塊之間是松耦合的，可以根據需要，靈活的裁剪或者增加任何內核模塊，這樣就確保了內核的可伸縮性，能夠滿足多種多樣的碎片化硬件需求。也可以根據需要，替換內核中的缺省模塊或者算法，比如可以采用自定義的任務調度算法，替換內核中缺省的基于優(yōu)先級輪詢的調度算法。也可以采用更加實時的內存分配算法（比如固定尺寸鏈表法），來替換內核中缺省的空閑鏈表內存分配算法，等等。對于MMU的支持，HelloX也是作為可選模塊來實現，裁剪掉MMU功能，不會對系統(tǒng)中的其它模塊產生任何功能上的影響（但是內存保護，虛擬內存等機制就不能用了）。

 

在內核層之上，是外圍組件層。HelloX提供了包括網絡，文件系統(tǒng)，系統(tǒng)調用等在內的多種多樣的外圍組件，供物聯網應用程序開發(fā)調用。

 

 

目前的HelloX，移植IoTivity物聯網協同框架，作為自己的協同框架。未來根據需要，HelloX會開發(fā)更加靈活的物聯網協同框架，與HelloX捆綁使用。

 

基于這些基本組件和功能，可以基于HelloX操作系統(tǒng)實現廣泛的物聯網應用，比如家庭網關，智能攝像頭，智慧家庭中的家電設備，抄表，e-Health等。目前HelloX已經實現了同多個物聯網云平臺的對接和集成。