所謂連接，指的是各種各樣的終端設(shè)備，都能夠通過(guò)某種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，連接到一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)上。任何終端之間都可以相互訪(fǎng)問(wèn)。下一代的基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)，包括未來(lái)的5G，通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)重構(gòu)等，為物聯(lián)網(wǎng)提供泛連接網(wǎng)絡(luò)是核心目標(biāo)。目前也已經(jīng)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(lián)網(wǎng)連接，都是指物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)之間的連接，如下圖：

 

 

在這種模式下，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過(guò)各種各樣的連接技術(shù)，比如WiFi，Ethernet，BLE，Zigbee等等技術(shù)，連接到位于云端的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上。需要注意的是，這僅僅是一個(gè)邏輯結(jié)構(gòu)，在物理上，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在接入云平臺(tái)之前，很可能需要一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。因?yàn)楹芏噙B接技術(shù)是無(wú)法直接連接到位于Internet上的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的，比如Zigbee，BLE，Z-Wave，NFC等等。這些技術(shù)的通信范圍是一個(gè)小的局域網(wǎng)，比如一個(gè)家庭，一間辦公室等。而連入Internet的技術(shù)，則往往是WiFi，Ethernet，2/3/4G等這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，大部分物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備并不能提供這種連接的支持能力。因此，需要有一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)GAP，完成不同技術(shù)之間的轉(zhuǎn)換。下圖示意了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的功能和網(wǎng)絡(luò)位置：

 

 

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)往往具備相對(duì)強(qiáng)大的計(jì)算能力，具備豐富的網(wǎng)絡(luò)接口，同時(shí)具備消息或數(shù)據(jù)的匯聚和分解功能。

 

在這種連接模式下，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)是所有物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的“大腦”，云平臺(tái)統(tǒng)一指揮物聯(lián)網(wǎng)終端的行為，如果這種連接一旦斷開(kāi)，那物聯(lián)網(wǎng)終端將無(wú)所適從，完全失去控制。

更理想的連接，應(yīng)該是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間，也實(shí)現(xiàn)本地的直接連接，如下圖所示：

 

 

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

 

要實(shí)現(xiàn)這種“云端連接”加“本地連接”的模型，需要物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備支持消息中繼功能。即物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以把另外的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的消息或數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)到云平臺(tái)，同時(shí)把云平臺(tái)發(fā)下來(lái)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)接給另外的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

                     

 

協(xié)同，則是指接入網(wǎng)絡(luò)的任何設(shè)備之間，能夠通過(guò)學(xué)習(xí)，實(shí)時(shí)的了解自己和對(duì)方的能力和狀態(tài)，能夠根據(jù)特定的輸入條件，或者特定的環(huán)境狀態(tài)，多種設(shè)備實(shí)現(xiàn)有效互動(dòng)，協(xié)調(diào)工作，完成某種單一設(shè)備無(wú)法完成的工作。協(xié)同是物聯(lián)網(wǎng)的核心和本質(zhì)。協(xié)同表現(xiàn)在下面幾個(gè)方面：

 

 

 

智能，則是指物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備具備“類(lèi)似于人”的智慧，比如根據(jù)特定條件和環(huán)境的自我調(diào)節(jié)能力，能夠通過(guò)持續(xù)的學(xué)習(xí)，不斷優(yōu)化和改進(jìn)，更“人性化”的為人類(lèi)服務(wù)。

 

如果物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備只是連接在一起，能夠遠(yuǎn)程控制，被動(dòng)的聽(tīng)從人們的指揮，那不能算是真正的物聯(lián)網(wǎng)，只能算是“控制網(wǎng)”。理想的目標(biāo)是，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)該具備自我學(xué)習(xí)能力，能夠通過(guò)積累過(guò)往的經(jīng)驗(yàn)或數(shù)據(jù)，能夠?qū)ξ磥?lái)進(jìn)行預(yù)判，為人們提供更加智能的服務(wù)。這種“機(jī)器學(xué)習(xí)”的能力，我們認(rèn)為應(yīng)該屬于物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的一部分，應(yīng)該能夠抽象成一些基本的服務(wù)或API，內(nèi)置到內(nèi)核中，供應(yīng)用開(kāi)發(fā)者或者設(shè)備開(kāi)發(fā)者調(diào)用。

 

而且，這種機(jī)器學(xué)習(xí)的服務(wù)，不僅僅只是位于終端操作系統(tǒng)中的一段代碼，還應(yīng)該有一個(gè)龐大的后臺(tái)進(jìn)行支撐。大量的計(jì)算和預(yù)測(cè)功能，在后臺(tái)上執(zhí)行。而終端上只是做一些簡(jiǎn)單計(jì)算和結(jié)果的執(zhí)行。這樣終端加后臺(tái)軟件，就形成一個(gè)分布式的計(jì)算網(wǎng)格，有效分工，協(xié)同計(jì)算，有序執(zhí)行，形成一個(gè)支撐物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字神經(jīng)。

 

 

物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)是支撐物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模發(fā)展的最核心軟件。根據(jù)上面總結(jié)的物聯(lián)網(wǎng)的主要特征，結(jié)合操作系統(tǒng)的主要功能和分層結(jié)構(gòu)，我們總結(jié)出如下的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)整體架構(gòu)：

 

 

總體來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)是由操作系統(tǒng)內(nèi)核，外圍功能組件，物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架，通用智能引擎，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境等幾個(gè)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(gè)完整的面向各種各樣物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的軟件基礎(chǔ)平臺(tái)。需要說(shuō)明的是，這些子系統(tǒng)之間有一定的層次依賴(lài)關(guān)系，比如外圍功能組件需要依賴(lài)于物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核，物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架需要依賴(lài)于外圍功能組件，而公共智能引擎，需要依賴(lài)于下層的內(nèi)核，外圍功能組件，甚至是物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架等。在這個(gè)架構(gòu)圖中，也反映了這種層次化的依賴(lài)關(guān)系。

 

目前主流的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，比如Google的Brillo，Linux開(kāi)放基金會(huì)的Ostro項(xiàng)目，以及HelloX項(xiàng)目，都遵循這樣一種框架。下面對(duì)這幾個(gè)子系統(tǒng)做簡(jiǎn)要介紹。

 

 

內(nèi)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(jī)制，都是在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)的。比如最核心的線(xiàn)程/任務(wù)管理，內(nèi)存管理，內(nèi)核安全和同步等機(jī)制。雖然從功能上說(shuō)，大部分操作系統(tǒng)的內(nèi)核都相差不大，但是在這些具體功能的實(shí)現(xiàn)上，面向不同領(lǐng)域的操作系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)都是不同的。

 

比如對(duì)傳統(tǒng)的通用個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，內(nèi)核更加關(guān)注用戶(hù)交互的響應(yīng)時(shí)間，資源的充分利用，不同應(yīng)用程序之間的隔離和安全等。這是與其應(yīng)用場(chǎng)景有關(guān)的。而對(duì)于面向嵌入式領(lǐng)域的嵌入式操作系統(tǒng)，則更加關(guān)注對(duì)中斷的響應(yīng)時(shí)間，更加關(guān)注線(xiàn)程或任務(wù)的調(diào)度算法，以使得整個(gè)系統(tǒng)能夠在可預(yù)知的時(shí)間內(nèi)，完成對(duì)外部事件的響應(yīng)。

 

而物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的內(nèi)核，又有不同于其它操作系統(tǒng)的特點(diǎn)。最主要的是其伸縮性。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的內(nèi)核應(yīng)該能夠適應(yīng)各種配置的硬件環(huán)境，從小到幾十K內(nèi)存的低端嵌入式應(yīng)用，到高達(dá)幾十M內(nèi)存的復(fù)雜應(yīng)用領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核都應(yīng)該可以適應(yīng)。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的內(nèi)核應(yīng)該足夠節(jié)能，確保在一些能源受限的應(yīng)用下，能夠持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間。比如，內(nèi)核可以提供硬件休眠機(jī)制，包括CPU本身的休眠，以便在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備沒(méi)有任務(wù)處理的時(shí)候，能夠持續(xù)處于休眠狀態(tài)。在需要處理外部事件時(shí)，又能夠快速的喚醒。

 

物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的內(nèi)核也應(yīng)該具備嵌入式操作系統(tǒng)的一些特征，比如可預(yù)知可計(jì)算的外部事件響應(yīng)時(shí)間，可預(yù)知的中斷響應(yīng)時(shí)間，對(duì)多種多樣的外部硬件的控制和管理機(jī)制等。當(dāng)然，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核必須足夠可靠和安全，以滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)對(duì)安全性的需求。

 

從功能上說(shuō)，與其它操作系統(tǒng)基本類(lèi)似，主要包括任務(wù)管理，內(nèi)存管理，中斷管理，內(nèi)核同步，安全與權(quán)限管理，應(yīng)用管理等。為了確保內(nèi)核的正常運(yùn)行，內(nèi)核也應(yīng)提供內(nèi)核統(tǒng)計(jì)與監(jiān)控功能，即監(jiān)視內(nèi)核的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)視內(nèi)核對(duì)象的數(shù)量/狀態(tài)等，為維護(hù)或開(kāi)發(fā)人員提供故障定位的工具。在每一個(gè)內(nèi)核子模塊中，都會(huì)通過(guò)更加具體的機(jī)制或者算法，來(lái)滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求。同時(shí)確保內(nèi)核的整體安全性和可靠性。

 

內(nèi)核也是直接與物理設(shè)備打交道的軟件，所有對(duì)物理設(shè)備的管理，包括物理設(shè)備檢測(cè)，物理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序加載和卸載等等功能，也都是在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)的。為了有效的管理物理設(shè)備，內(nèi)核需要定義一套標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備管理框架，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要遵循這一套框架，才能納入內(nèi)核的管理。為了訪(fǎng)問(wèn)多種多樣的物理設(shè)備，內(nèi)核同時(shí)也會(huì)定義一套叫做硬件抽象層的軟件，這本質(zhì)上是對(duì)一些常用硬件操作的抽象，比如讀寫(xiě)設(shè)備配置空間，有的CPU是通過(guò)I/O接口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)設(shè)備空間的，有的則是把設(shè)備配置空間直接映射到內(nèi)存空間，通過(guò)常規(guī)內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)來(lái)讀取設(shè)備配置空間。為了適應(yīng)這種不同的情況，內(nèi)核一般會(huì)定義一個(gè)叫做__device_read和__device_write的宏，根據(jù)設(shè)備類(lèi)型的不同，這些宏定義的實(shí)現(xiàn)代碼會(huì)不同，但是對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)說(shuō)，只需要調(diào)用這兩個(gè)一致的宏，即可對(duì)設(shè)備配置空間進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。這就是一個(gè)典型的硬件抽象層的例子。

 

除此之外，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的內(nèi)核還提供面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的常用連接功能，比如對(duì)藍(lán)牙的支持，對(duì)Zigbee的支持，對(duì)WiFi的支持，等等。各類(lèi)領(lǐng)域應(yīng)用可以直接利用物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核的這些連接功能，實(shí)現(xiàn)最基本的通信需求。

 

下圖示意了內(nèi)核的更進(jìn)一步的功能結(jié)構(gòu)：

 

 

 

物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核只是提供最基本的操作系統(tǒng)功能，供物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序調(diào)用。但只有物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核是遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，數(shù)據(jù)庫(kù)等。我們把這些功能組件從物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核中獨(dú)立出來(lái)，組成一個(gè)獨(dú)立的功能系統(tǒng)，稱(chēng)為“外圍功能組件”。

 

之所以把這些功能組件稱(chēng)為“外圍”，是因?yàn)樵诤芏嗲闆r下，這些功能組件都不是必須的。而且在實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，這些外圍組件也不會(huì)全部被用到，大部分情況下用到一到兩個(gè)就可以滿(mǎn)足需求了，其它的功能組件必須裁剪掉。因?yàn)樵谖锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用中，很多情況下的系統(tǒng)硬件資源非常有限，如果保留沒(méi)有用到的功能組件，會(huì)浪費(fèi)掉很多資源。同時(shí)，保留一些用不到的組件，會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)安全隱患。比如，如果物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不需要聯(lián)網(wǎng)，卻保留了TCP/IP協(xié)議棧功能，則TCP/IP協(xié)議棧的BUG或漏洞，可能會(huì)被利用，從而對(duì)系統(tǒng)造成安全影響。這些外圍功能組件都是針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)進(jìn)行定制和開(kāi)發(fā)的，與物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)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(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)不同，這些組件會(huì)被統(tǒng)一歸類(lèi)到內(nèi)核中，隨內(nèi)核一起分發(fā)，作為一個(gè)整體提供給用戶(hù)。即使應(yīng)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?yàn)橥ㄓ貌僮飨到y(tǒng)的資源相對(duì)豐富，多保留一些功能模塊對(duì)整體系統(tǒng)的影響并不大。同時(shí)，通用操作系統(tǒng)的安全性要求相對(duì)較低。

 

物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核和外圍功能組件結(jié)合起來(lái)，可以解決物聯(lián)網(wǎng)的“連接”需求。這包括內(nèi)核提供的基本物聯(lián)網(wǎng)本地連接（藍(lán)牙，Zigbee，NFC，RFID等），以及外圍功能組件中的TCP/IP協(xié)議棧等提供的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)連接。

 

除TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧外，常見(jiàn)的外圍組件還包括文件系統(tǒng)，圖形用戶(hù)界面（GUI），安全傳輸協(xié)議，腳本語(yǔ)言執(zhí)行引擎（比如JavaScript語(yǔ)言的執(zhí)行引擎等），基于TCP/IP協(xié)議的安全傳輸協(xié)議（SSL/SSH等），C運(yùn)行庫(kù)，在線(xiàn)更新機(jī)制（軟件升級(jí)/在線(xiàn)更新補(bǔ)?。┑?。需要說(shuō)明的是，TCP/IP協(xié)議棧是面向互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的通信協(xié)議棧，由于物聯(lián)網(wǎng)本身特征與互聯(lián)網(wǎng)有很大差異，TCP/IP協(xié)議棧在應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)候，面臨許多問(wèn)題和挑戰(zhàn)，需要對(duì)TCP/IP協(xié)議棧做一番優(yōu)化改造。我們把改造之后的TCP/IP協(xié)議棧，稱(chēng)為“面向物聯(lián)網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議”，簡(jiǎn)寫(xiě)為“TCP/IP@IoT”。下圖示意了常見(jiàn)的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)外圍功能組件：

  

 

物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)“協(xié)同”功能性需求的關(guān)鍵功能系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的內(nèi)核和外圍功能組件，僅僅實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的“連接”功能。但是我們知道，僅僅實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接上網(wǎng)，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。物聯(lián)網(wǎng)的精髓在于，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間能夠相互交互和協(xié)同，使得物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠“充分合作”，相互協(xié)調(diào)一致，以達(dá)到單一物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無(wú)法完成的功能。而物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架，就是為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的協(xié)同提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

 

一般情況下，物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架是一組軟件的集合，由許多個(gè)功能相互獨(dú)立，但是又相互依賴(lài)的軟件模塊組成。比如，Google的Weave物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架，是由云平臺(tái)組件Weave Cloud，面向設(shè)備端的LibWeave，以及面向智能手機(jī)客戶(hù)端的Weave Client等組件組成。Weave Cloud是整個(gè)框架的“中心管理器”，所有基于Weave的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(bào)相關(guān)數(shù)據(jù)。Weave Client則也需通過(guò)Weave Cloud來(lái)管理和控制基于Weave的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，等等。

 

一般來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架至少包括如下功能：

 

 

除此之外，物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架還必須實(shí)現(xiàn)一些基本的服務(wù)，來(lái)支撐上述功能。比如，物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架需要定義一套標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備命名體系，以能夠準(zhǔn)確唯一的標(biāo)識(shí)每一臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間，以及用戶(hù)與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間，在相互操作之前，還必須要完成認(rèn)證和鑒權(quán)，以確保物聯(lián)網(wǎng)的安全，等等。另外一個(gè)基礎(chǔ)服務(wù)，就是標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)操作模式。比如在智能家電應(yīng)用中，用戶(hù)可以通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Open命令，來(lái)遠(yuǎn)程打開(kāi)空調(diào)。通過(guò)一個(gè)Adjust命令，來(lái)調(diào)節(jié)空調(diào)的溫度。這些標(biāo)準(zhǔn)的命令必須由物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架進(jìn)行定義，才能實(shí)現(xiàn)不同廠商，不同類(lèi)型設(shè)備之間的互操作。如果沒(méi)有這些標(biāo)準(zhǔn)的操作模式（操作命令），那么要打開(kāi)A廠商的空調(diào)，是Open命令，要打開(kāi)B廠商的空調(diào)，則可能是Turn On命令，這樣就無(wú)法實(shí)現(xiàn)相互操作了。

 

上述協(xié)同功能和基本服務(wù)，都是建立在網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)之上的，協(xié)同框架還必須實(shí)現(xiàn)或者選擇一種合適的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。物聯(lián)網(wǎng)的特征，要求這種通信協(xié)議盡可能的低功耗和高效率。一些常用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，比如CoAP或者M(jìn)QTT，可以承擔(dān)這個(gè)功能。大部分物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架，比如IoTivity，就是基于CoAP協(xié)議的。

 

下圖示意了物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架的主要組成：

 

 

下面通過(guò)一個(gè)智慧商場(chǎng)的例子，進(jìn)一步說(shuō)明物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架的作用。智慧商場(chǎng)解決方案中，一般都會(huì)包括火警探測(cè)器與智慧門(mén)禁系統(tǒng)。這兩類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在被安裝在商場(chǎng)之前，必須經(jīng)過(guò)安全的初始配置，以確保不會(huì)被惡意控制。初始配置完成之后，這兩類(lèi)設(shè)備會(huì)連接到統(tǒng)一的協(xié)同框架云端系統(tǒng)，并實(shí)時(shí)更新其狀態(tài)。與此同時(shí)，火警探測(cè)器也會(huì)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架的設(shè)備發(fā)現(xiàn)機(jī)制，與門(mén)禁系統(tǒng)建立聯(lián)系，并相互知道自己的存在。一旦火警探測(cè)器探測(cè)到火警發(fā)生，則會(huì)直接告訴門(mén)禁系統(tǒng)打開(kāi)門(mén)禁，以便方便人們盡快逃生。這種情況下，如果沒(méi)有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的直接通信功能，所有的通信都需要經(jīng)過(guò)后臺(tái)系統(tǒng)轉(zhuǎn)接，那么不但響應(yīng)時(shí)間會(huì)增加，更致命的是，一旦與后臺(tái)之間的物理網(wǎng)絡(luò)中斷，則終端之間將無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)。這種網(wǎng)絡(luò)故障，在諸如火警等災(zāi)難發(fā)生時(shí)，是最常見(jiàn)的。

 

為支撐上述機(jī)制的有效運(yùn)行，物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架還必須提供一致的通信協(xié)議和通信技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備只要遵循這套協(xié)議，就能夠相互識(shí)別對(duì)方的消息。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架還必須提供一套唯一的命名規(guī)范，確保任何一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，都能獲取到唯一的名字，其它設(shè)備能夠通過(guò)這個(gè)唯一的名字與之交互。同時(shí)，這套唯一的命名規(guī)范，最好能夠把物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的功能，也體現(xiàn)出來(lái)。這樣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間通過(guò)設(shè)備名字，就可以確定其提供的功能，從而做出有針對(duì)性的動(dòng)作。比如上述例子，火警探測(cè)器可以命名為“Fire alert detector”，而門(mén)禁系統(tǒng)可以命名為“Entrance access control”，這樣這兩者可以通過(guò)名字，就知道對(duì)方的功能角色。當(dāng)然，這只是個(gè)例子，在實(shí)際的命名系統(tǒng)中，還是應(yīng)該有一套計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的編碼體系。

 

目前物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)內(nèi)的一些協(xié)同框架，基本都是與物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核獨(dú)立的，即這些協(xié)同框架可以被應(yīng)用在基于任何操作系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)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(wú)法采用一套統(tǒng)一的代碼，來(lái)適應(yīng)所有的操作系統(tǒng)。比如Google的Waeve，針對(duì)Linux和Android等復(fù)雜的操作系統(tǒng)，采用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了LibWeave組件。而針對(duì)資源受限的嵌入式應(yīng)用場(chǎng)景，則又采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了uWeave。這樣對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，就不得不掌握兩套完全迥異的API，了解兩套機(jī)理完全不同的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架，顯然無(wú)法降低成本。

 

理想的實(shí)現(xiàn)方式是，物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架能夠與物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核緊密綁定，只提供一套API給開(kāi)發(fā)者。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核本身的伸縮機(jī)制，來(lái)適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。比如在沒(méi)有WiFi支持的嵌入式場(chǎng)景，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核會(huì)裁剪掉TCP/IP等組件，而采用低功耗藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。而如果目標(biāo)硬件配置了WiFi或者Ethernet等網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備，則會(huì)保留TCP/IP協(xié)議棧。不論是哪種形態(tài)，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核都會(huì)提供統(tǒng)一的一套API，給物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架使用，即底層的通信機(jī)制，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架是透明的?；谶@樣的設(shè)計(jì)原則，類(lèi)似Google Weave這樣的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架就無(wú)需針對(duì)不同的目標(biāo)硬件設(shè)計(jì)多套解決方案了，而只需要一套就可解決問(wèn)題。

 

 

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架，可以使得物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間建立關(guān)聯(lián)，充分協(xié)作，完成單一物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無(wú)法完成的功能。但是這種協(xié)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(chǎng)中火警探測(cè)器和門(mén)禁系統(tǒng)的例子，必須在領(lǐng)域應(yīng)用中編寫(xiě)代碼，告訴火警探測(cè)器，一旦發(fā)生火警，則告訴門(mén)禁系統(tǒng)打開(kāi)門(mén)禁。如果沒(méi)有這樣的程序邏輯，火警探測(cè)系統(tǒng)是不會(huì)通知門(mén)禁系統(tǒng)的。

 

如果希望物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)超出預(yù)定義的范圍，能夠達(dá)到一種自學(xué)習(xí)的程度，比如最開(kāi)始火警探測(cè)器并不知道在發(fā)生火警時(shí)通知門(mén)禁系統(tǒng)，而是隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，逐漸的“學(xué)習(xí)”到這種能力。這樣只有物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架就無(wú)法做到了，必須引入智能引擎的支持。

 

物聯(lián)網(wǎng)智能引擎，就是指包含了諸如語(yǔ)音與語(yǔ)義識(shí)別，機(jī)器學(xué)習(xí)等等功能模塊，以使得物聯(lián)網(wǎng)能夠超出“事先定義好”的活動(dòng)規(guī)則，能夠具備像人一樣具備“智慧”的能力。在物聯(lián)網(wǎng)智能引擎內(nèi)的功能模塊，都是基礎(chǔ)能力，可以供各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所調(diào)用。比較典型的例子就是，在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中加入語(yǔ)音識(shí)別功能，人們通過(guò)自然語(yǔ)言，與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備直接對(duì)話(huà)，來(lái)達(dá)到下達(dá)指令的目的。

 

另外一個(gè)公共智能引擎中的重要模塊，是DSL語(yǔ)言與其對(duì)應(yīng)的處理引擎。DSL(DomainSpecific Language，領(lǐng)域特定語(yǔ)言)是針對(duì)某一種特定的應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的編程或操作語(yǔ)言，專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的領(lǐng)域。這與計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言不一樣，計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言大部分都比較通用，可以為多種應(yīng)用領(lǐng)域編寫(xiě)程序。正是因?yàn)樗耐ㄓ眯裕瑹o(wú)法照顧到某一個(gè)具體的領(lǐng)域，因此采用通用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)某一個(gè)具體領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)，就非常麻煩，需要專(zhuān)業(yè)的程序員，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的編程工作。而DSL語(yǔ)言，則是針對(duì)某一個(gè)很細(xì)的功能領(lǐng)域開(kāi)發(fā)，專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于這個(gè)特定的領(lǐng)域。這樣就可以針對(duì)這個(gè)特定的領(lǐng)域建立一些內(nèi)置對(duì)象，定義領(lǐng)域特定的動(dòng)作，并根據(jù)領(lǐng)域的習(xí)慣，定義領(lǐng)域特有語(yǔ)法。采用DSL語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)領(lǐng)域應(yīng)用，就非常簡(jiǎn)單。

 

現(xiàn)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(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的公共智能引擎模塊中，也應(yīng)該提供DSL語(yǔ)言開(kāi)發(fā)及解釋的功能，以方便物聯(lián)網(wǎng)特定場(chǎng)景的調(diào)用。

 

 

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

 

開(kāi)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(shí)也是形成“二級(jí)開(kāi)發(fā)模式”的基礎(chǔ)。所謂二級(jí)開(kāi)發(fā)模式，指的是包含操作系統(tǒng)平臺(tái)本身功能開(kāi)發(fā)的第一級(jí)開(kāi)發(fā)，以及基于操作系統(tǒng)平臺(tái)，進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)或操作系統(tǒng)內(nèi)核定制的二次開(kāi)發(fā)。其中第一級(jí)開(kāi)發(fā)，是由操作系統(tǒng)廠商或者開(kāi)源社區(qū)完成。而第二級(jí)的二次開(kāi)發(fā)，則是由具體的應(yīng)用廠商開(kāi)發(fā)完成。這兩個(gè)層次的開(kāi)發(fā)，所用的工具是不同的。在第一級(jí)開(kāi)發(fā)中，一般采用系統(tǒng)級(jí)的開(kāi)發(fā)工具，大部分都是命令行模式，采用的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，也是以C/C++，甚至匯編語(yǔ)言為主。而第二級(jí)開(kāi)發(fā)的時(shí)候，操作系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)已構(gòu)筑起來(lái)，對(duì)應(yīng)的編程開(kāi)發(fā)環(huán)境也已經(jīng)完善，因此大部分是采用圖形化的開(kāi)發(fā)環(huán)境。相對(duì)來(lái)說(shuō)，第二級(jí)開(kāi)發(fā)所需要的系統(tǒng)級(jí)的開(kāi)發(fā)技能也相對(duì)較低。注意，這里說(shuō)的是“系統(tǒng)級(jí)”的開(kāi)發(fā)技能，主要是指對(duì)計(jì)算機(jī)CPU和硬件，操作系統(tǒng)內(nèi)核等的理解和技能，并不是說(shuō)面向應(yīng)用的開(kāi)發(fā)技能。實(shí)際上，不論是哪個(gè)層級(jí)的開(kāi)發(fā)，只要深入進(jìn)去，真正解決問(wèn)題了，都不會(huì)太簡(jiǎn)單。

 

物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域也是如此。在物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)本身的開(kāi)發(fā)中，會(huì)采用不同的相對(duì)專(zhuān)業(yè)的開(kāi)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(kāi)發(fā)工具，方便物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的程序員開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

 

一般的集成開(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境，雖然開(kāi)起來(lái)是一個(gè)類(lèi)似Office Word一樣的獨(dú)立應(yīng)用程序，程序員可以在其中完成程序的編寫(xiě)，編譯，調(diào)試，運(yùn)行，發(fā)布等等全軟件聲明周期的所有活動(dòng)，但是它也是由若干個(gè)獨(dú)立工具組合在一起形成的集成軟件工作臺(tái)，比如編譯工具，連接工具，調(diào)試工具，軟件代碼一致性檢查工具等等。

 

面向物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境也不例外，它是由一系列相互獨(dú)立但又相互依賴(lài)的獨(dú)立工具組成的。最基本也是最核心的部分，是開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。目前來(lái)說(shuō)，是沒(méi)有一套專(zhuān)門(mén)面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的語(yǔ)言的，這不利于推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的大發(fā)展，因此，必須要選擇一種適合物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)本身的特征，適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的語(yǔ)言，必須具備下列特征：

 

 

分析目前常見(jiàn)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，我們認(rèn)為JavaScript語(yǔ)言是最合適的。更詳細(xì)的分析過(guò)程，在后面部分中會(huì)詳細(xì)描述。

 

除了編程語(yǔ)言之外，另外一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的核心部件，是“物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行庫(kù)”（物聯(lián)網(wǎng)Runtime）。任何一種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的運(yùn)行庫(kù)，比如針對(duì)C語(yǔ)言的libc，針對(duì)Java語(yǔ)言的J2SE/J2EE/J2ME等等配套庫(kù)。這些運(yùn)行庫(kù)提供了開(kāi)發(fā)過(guò)程中最常用的功能或函數(shù)，比如字符串操作，數(shù)字操作，I/O，數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)，等等。物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域也一樣，必須有一套物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行庫(kù)，來(lái)提供最常見(jiàn)的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)功能支持。下列與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)相關(guān)的功能，應(yīng)該在物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行庫(kù)中實(shí)現(xiàn)：

 

 

物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行庫(kù)必須與物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言強(qiáng)相關(guān)，且物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行庫(kù)的大部分代碼，都是由物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的。如果以JavaScript作為物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，那么與之對(duì)應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行庫(kù)，大部分會(huì)以JavaScript語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行庫(kù)有兩種存在方式，一種是作為集成開(kāi)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(lián)網(wǎng)運(yùn)行庫(kù)中選擇與應(yīng)用程序有關(guān)的代碼片段，與應(yīng)用程序編譯在一起，形成一個(gè)可運(yùn)行的程序包。這種模式下，不需要加載全部物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行庫(kù)，而只需要加載應(yīng)用程序需要的一部分即可。另外一種存在方式，是在物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的內(nèi)核中。這種情況下，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序與物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行庫(kù)是獨(dú)立存在的，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序在運(yùn)行時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)根據(jù)需要，臨時(shí)加載物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行庫(kù)（或其中的一部分相關(guān)內(nèi)容），支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的運(yùn)行。

 

除此物聯(lián)網(wǎng)編程語(yǔ)言和物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行庫(kù)之外，物聯(lián)網(wǎng)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境還包括代碼編輯工具，編譯工具，連接工具，調(diào)試工具等等，這是任何一個(gè)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境都需要具備的。需要注意的是，JavaScript語(yǔ)言是解釋型語(yǔ)言，即代碼可以被語(yǔ)言解釋器直接加載并分析運(yùn)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(diào)試工具是必須的。

 

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行庫(kù)，以及對(duì)應(yīng)的編輯，編譯，連接，調(diào)試等工具，組成了物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)環(huán)境的核心部分。除此之外，為了方便開(kāi)發(fā)，分享，交流的目的，一個(gè)完善的開(kāi)發(fā)社區(qū)，也是必須的。開(kāi)發(fā)者可以在這個(gè)社區(qū)上共享代碼，討論技術(shù)問(wèn)題等。更重要的是，物聯(lián)網(wǎng)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境可以與開(kāi)發(fā)社區(qū)緊密結(jié)合，可以把成功的代碼或有價(jià)值的模塊，發(fā)布到社區(qū)中。物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)環(huán)境可以直接根據(jù)程序員的需要，從社區(qū)中下載代碼，并納入到項(xiàng)目中。

 

 

領(lǐng)域應(yīng)用是面向不同物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，通過(guò)綜合利用物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的各層功能模塊，借助物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)出來(lái)的可以完成一項(xiàng)或多項(xiàng)具體功能的應(yīng)用程序。應(yīng)用領(lǐng)域可以根據(jù)需要，調(diào)用一個(gè)或全部物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的功能。比如，如果是實(shí)現(xiàn)一個(gè)提供簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)連接的實(shí)時(shí)溫度計(jì)應(yīng)用，則只需要利用物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的內(nèi)核和TCP/IP協(xié)議棧等外圍組件即可。但如果這個(gè)溫度計(jì)應(yīng)用在智慧農(nóng)業(yè)解決方案中，根據(jù)不同的溫度，來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)，則必須要集成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架，以使得溫度計(jì)與通風(fēng)系統(tǒng)能夠建立聯(lián)系并有效協(xié)同。更進(jìn)一步，如果希望溫度計(jì)具備某些“智慧”的功能，比如能夠識(shí)別人們的語(yǔ)音指令，能夠根據(jù)周?chē)h(huán)境的溫度和濕度等信息，判斷出是否下雨，并采取適當(dāng)動(dòng)作等，則必須要有公共智能引擎的支持。

 

總之，領(lǐng)域應(yīng)用是物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的直接服務(wù)目標(biāo)，它利用物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)這個(gè)基礎(chǔ)軟件平臺(tái)，并根據(jù)具體領(lǐng)域的特征，來(lái)完成某項(xiàng)具體的功能。由于領(lǐng)域應(yīng)用是與特定領(lǐng)域強(qiáng)相關(guān)的，不屬于公共的平臺(tái)軟件，因此我們不把它作為物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的組成部分。但是為了說(shuō)明領(lǐng)域應(yīng)用與物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的關(guān)系，也一起把它體現(xiàn)在了物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的架構(gòu)圖中。

 

 

綜合上面的說(shuō)明，可以把物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的框架做進(jìn)一步細(xì)化，如下圖所示：

 

 

前面講到，物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)主要特征分別是連接，協(xié)同和智能。物聯(lián)網(wǎng)的這個(gè)整體框架，是與這三個(gè)特征分別對(duì)應(yīng)的，如下圖所示：

 

 

如果物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用只希望實(shí)現(xiàn)基本的連接功能，那么只要保留物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的內(nèi)核，以及一兩個(gè)基本的外圍組件，比如TCP/IP協(xié)議棧，就足夠了。

 

可以看出，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)完整的解決了物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)功能性需求。

 

最后需要說(shuō)明的是，雖然我們把物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)分為了內(nèi)核，外圍組件等四個(gè)層次，但是這些層次之間，并不是嚴(yán)格的涇渭分明，而是具備一些依賴(lài)關(guān)系的。比如外圍功能組件要依賴(lài)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核機(jī)制，而協(xié)同框架又依賴(lài)于某些外圍功能組件。同時(shí)，公共智能引擎也需要依賴(lài)于內(nèi)核，外圍組件等來(lái)作為基礎(chǔ)支撐。這些不同的功能層次之間，通過(guò)預(yù)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(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的需求，只保留其中的一個(gè)或幾個(gè)部分，而仍然可以整齊劃一。同時(shí)，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境提供統(tǒng)一的API，使整個(gè)系統(tǒng)表現(xiàn)出一致的風(fēng)格。

 

 

下面列舉幾個(gè)比較典型的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的功能和架構(gòu)。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(zhuān)門(mén)面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)。Brillo的架構(gòu)如下：

 

 

可見(jiàn)，Brillo與Android一樣，仍然使用Linux內(nèi)核作為其操作系統(tǒng)內(nèi)核。這樣Linux在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用的一些弊端，就被完整的繼承到了Brillo中。比如，Linux內(nèi)核對(duì)運(yùn)行內(nèi)存的要求較高，同時(shí)Linux還需要CPU硬件支持MMU(內(nèi)存管理單元)功能，等等。這樣就間接導(dǎo)致Brillo的運(yùn)行內(nèi)存要求較高，按照官方說(shuō)法，要至少32M內(nèi)存。同時(shí)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(wú)法運(yùn)行Brillo，因?yàn)檫@些CPU的片上內(nèi)存一般不超過(guò)1M，同時(shí)一般不提供MMU功能。由于這些原因，大大限制了Brillo的應(yīng)用范圍。

 

在Linux內(nèi)核之上，Brillo保留了Android操作系統(tǒng)里面的一個(gè)硬件訪(fǎng)問(wèn)層(HAL，Hardware Access Layer)。這個(gè)層次的主要功能，就是對(duì)底層的硬件進(jìn)行統(tǒng)一的抽象，以更加友好一致的方式，提供給應(yīng)用程序訪(fǎng)問(wèn)。從功能上說(shuō)，這一層軟件并無(wú)明顯的價(jià)值，但是其簡(jiǎn)化了對(duì)硬件的操作，給程序開(kāi)發(fā)帶來(lái)較大的便利。按照一般的軟件分層規(guī)則，這一層軟件應(yīng)該還是屬于操作系統(tǒng)內(nèi)核的一部分，因?yàn)樗](méi)有提供額外的附加功能，在代碼量上，與內(nèi)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(yīng)該與操作系統(tǒng)內(nèi)核放在一起。但是Google為了區(qū)分這一層軟件是來(lái)源于Android系統(tǒng)，而不是Linux，因此把它單獨(dú)列出來(lái)了。

 

再往上，就是支撐操作系統(tǒng)運(yùn)行的一些輔助功能組件了。主要有在線(xiàn)更新（OTA Updates），安全相關(guān)的一些組件和機(jī)制，以及在線(xiàn)數(shù)據(jù)分析和性能測(cè)量等。在線(xiàn)更新機(jī)制，可以使運(yùn)行Brillo操作系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，在運(yùn)行過(guò)程中就可以更新軟件，而不用中斷運(yùn)行。這個(gè)特性是非常有價(jià)值的，Brillo是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其版本更迭和補(bǔ)丁發(fā)布必定非常頻繁。如果不提供在線(xiàn)更新功能，沒(méi)發(fā)布一個(gè)新的版本和補(bǔ)丁，都需要現(xiàn)場(chǎng)更新物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，顯然是不可操作的。因此Google設(shè)計(jì)了這個(gè)特性來(lái)支撐在線(xiàn)實(shí)時(shí)軟件更新功能。只要與Brillo的后臺(tái)服務(wù)器連接上，Brillo會(huì)自動(dòng)檢查更新，并安排更新，而不會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行。而安全機(jī)制則提供了設(shè)備認(rèn)證，數(shù)據(jù)加密等功能，這是任何網(wǎng)絡(luò)流解決方案必須要提供的機(jī)制，在后面部分會(huì)詳細(xì)介紹。而在線(xiàn)性能統(tǒng)計(jì)和分析功能，則可以幫助用戶(hù)實(shí)時(shí)查看和分析設(shè)備狀態(tài)，性能，消息數(shù)量等數(shù)據(jù)，為設(shè)備維護(hù)人員提供一個(gè)基礎(chǔ)的管理平臺(tái)。開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)需要，選擇啟用或關(guān)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(nèi)嵌了對(duì)Weave的支持，把Weave作為支撐物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的主要功能模塊。但是具有諷刺意味的是，Weave并沒(méi)有把Brillo作為唯一的底層操作系統(tǒng)，反而一直強(qiáng)調(diào)“跨平臺(tái)，可移植”等特性?？梢?jiàn)，在Google內(nèi)部，Weave要更強(qiáng)勢(shì)一些，Brillo的定位或者價(jià)值，仍然存疑。

 

從架構(gòu)上看，Brillo是完全符合我們前面提到的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)參考架構(gòu)的。比如Linux內(nèi)核和Android HAL組合到一起，就對(duì)應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核這一層。在線(xiàn)升級(jí)，安全機(jī)制，性能測(cè)量和數(shù)據(jù)分析等這些輔助功能組件，對(duì)應(yīng)于外圍功能組件這一層。Weave則對(duì)應(yīng)于物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架這一層。如下圖所示：

 

 

需要說(shuō)明的是，在Google提供的官方架構(gòu)圖中，Weave模塊是與OTAUpdates等外圍輔助模塊位于同一個(gè)層次的。這樣無(wú)法反映出Weave和Brillo之間的關(guān)系。Weave是依賴(lài)于Brillo操作系統(tǒng)而運(yùn)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(yīng)該是把Weave放在Brillo上面，既體現(xiàn)了依賴(lài)邏輯，又體現(xiàn)了這兩者相互獨(dú)立的關(guān)系。不論哪種處理方式，都不會(huì)帶來(lái)理解上的偏差。

 

 

Ostro項(xiàng)目是由Intel主導(dǎo)創(chuàng)建的一個(gè)開(kāi)源物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)項(xiàng)目，它的目的是開(kāi)發(fā)一個(gè)針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的專(zhuān)門(mén)操作系統(tǒng)，這個(gè)操作系統(tǒng)的名字也叫做Ostro。它是基于Linux內(nèi)核進(jìn)行裁剪，并針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的智能設(shè)備進(jìn)行定制，專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的操作系統(tǒng)。

 

它可以被安裝在USB存儲(chǔ)桿或者SD卡上，可以直接啟動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備。當(dāng)然，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)者也可以根據(jù)自己的需要，對(duì)Ostro進(jìn)行二次裁剪，自定義一個(gè)符合自身應(yīng)用場(chǎng)景的全新內(nèi)核。這個(gè)特征完全符合物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的要求。

 

它所宣稱(chēng)的最主要特征，包括可裁剪，安全，豐富的開(kāi)發(fā)環(huán)境，以及面向物聯(lián)網(wǎng)的豐富組件和服務(wù)支持等。主要特點(diǎn)如下：

 

 

下圖示意了Ostro物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的整體架構(gòu)：

 

 

下面按照從上往下的順序，對(duì)Ostro的各個(gè)層次做簡(jiǎn)要介紹。

 

IoT應(yīng)用程序：這個(gè)層次包含了所有使用Ostro編程接口所開(kāi)發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序。當(dāng)前的Ostro版本并沒(méi)有開(kāi)發(fā)任何特定的應(yīng)用程序?qū)嵗瑑H僅提供了如何開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的指導(dǎo)以及一些簡(jiǎn)單的代碼片段。隨著Ostro的發(fā)展，或許會(huì)有針對(duì)特定典型場(chǎng)景的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序，比如智慧家庭應(yīng)用程序，被納入到這個(gè)層次中發(fā)布。

 

編程接口：編程接口是Ostro提供給應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者使用的，用于開(kāi)發(fā)各種各樣的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序。當(dāng)前來(lái)說(shuō)，Ostro提供了多種多樣的編程接口供程序員根據(jù)自己的喜好和特定應(yīng)用場(chǎng)景調(diào)用。主要有：

 

 

總之，Ostra提供了相對(duì)豐富的變成框架，供應(yīng)用開(kāi)發(fā)者選擇。

 

物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架：Ostro內(nèi)置了對(duì)IoTivity的支持。IoTivity 是一個(gè)開(kāi)源的軟件框架，用于無(wú)縫的支持設(shè)備到設(shè)備的互聯(lián)，以及人與設(shè)備的簡(jiǎn)便互聯(lián)。其主要是為了滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)的需要，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)系統(tǒng)，使得設(shè)備和設(shè)備之間可以安全可靠的連接。而IoTivity 通過(guò)提供一系列框架和服務(wù)來(lái)加速設(shè)備的互聯(lián)應(yīng)用開(kāi)發(fā)。該項(xiàng)目由 Open Interconnect Consortium (OIC) 組織贊助，相當(dāng)于是 OIC 標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)參考實(shí)現(xiàn)。在本書(shū)的第二部分中，有詳細(xì)的描述。

 

Ostro服務(wù)：Ostro服務(wù)主要是指系統(tǒng)級(jí)的一些進(jìn)程或線(xiàn)程，這些進(jìn)程或線(xiàn)程負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)連接，加載必要的支撐服務(wù)，以及提供進(jìn)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(xiàn)軟件更新也是Ostro提供的基本服務(wù)之一。這是專(zhuān)門(mén)為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所提供的一個(gè)基本服務(wù)，可以快速的完成物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(dòng)必要的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備即可，而不需要重新啟動(dòng)所有的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

 

在線(xiàn)軟件更新是確保物聯(lián)網(wǎng)可管理可維護(hù)的核心機(jī)制，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)與后端云平臺(tái)的協(xié)同，使得物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的軟件始終保持在最新和最安全的狀態(tài)。

 

Ostro基本庫(kù)：Ostro基本庫(kù)包括隨Linux內(nèi)核一起發(fā)行的最基本運(yùn)行庫(kù)，比如最常用的C運(yùn)行庫(kù)等。當(dāng)然，Ostro可以根據(jù)需要，動(dòng)態(tài)的擴(kuò)展基本庫(kù)的范圍。

 

Linux內(nèi)核：Ostro的內(nèi)核就是通用的Linux內(nèi)核，它包括了最基本的驅(qū)動(dòng)程序支持，硬件適配支持，網(wǎng)絡(luò)支持，文件系統(tǒng)以及設(shè)備管理機(jī)制等。為了適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，Ostro對(duì)Linux內(nèi)核做了一些微調(diào)，使得內(nèi)核可以支持更多的傳感器（Sensor），能夠支持更多的連接類(lèi)型，比如藍(lán)牙/WiFi/Zigbee等等。

 

但是由于Linux內(nèi)核本身的復(fù)雜性和不可分割性，使得Ostro物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)很難具備物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)所應(yīng)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(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)與我們定義的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)分層模型基本上是對(duì)應(yīng)的，下圖示意了這種對(duì)應(yīng)關(guān)系：

 

 

 

HelloX是由國(guó)內(nèi)操作系統(tǒng)愛(ài)好者開(kāi)發(fā)的完全開(kāi)源物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，下圖示意了HelloX的整體架構(gòu)：

 

 

從整體結(jié)構(gòu)上可以看出，HelloX操作系統(tǒng)也符合物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)。最下方是驅(qū)動(dòng)程序?qū)樱瑢?shí)現(xiàn)了大多數(shù)常見(jiàn)硬件的驅(qū)動(dòng)支持，包括USB，以太網(wǎng)，SPI/UART等等。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)程序?qū)討?yīng)該屬于內(nèi)核的一部分。在HelloX的實(shí)現(xiàn)中，為了突出HelloX豐富的驅(qū)動(dòng)支持的特點(diǎn)，把驅(qū)動(dòng)程序單獨(dú)拿出來(lái)，作為一個(gè)層次展示。

 

在驅(qū)動(dòng)層之上，是內(nèi)核層。內(nèi)存管理，任務(wù)調(diào)度等機(jī)制，都是在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)的。與其它物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)基于Linux內(nèi)核定制的思路不同，HelloX的內(nèi)核是根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的特征，完全全新開(kāi)發(fā)的。內(nèi)核中各模塊之間是松耦合的，可以根據(jù)需要，靈活的裁剪或者增加任何內(nèi)核模塊，這樣就確保了內(nèi)核的可伸縮性，能夠滿(mǎn)足多種多樣的碎片化硬件需求。也可以根據(jù)需要，替換內(nèi)核中的缺省模塊或者算法，比如可以采用自定義的任務(wù)調(diào)度算法，替換內(nèi)核中缺省的基于優(yōu)先級(jí)輪詢(xún)的調(diào)度算法。也可以采用更加實(shí)時(shí)的內(nèi)存分配算法（比如固定尺寸鏈表法），來(lái)替換內(nèi)核中缺省的空閑鏈表內(nèi)存分配算法，等等。對(duì)于MMU的支持，HelloX也是作為可選模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，裁剪掉MMU功能，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)中的其它模塊產(chǎn)生任何功能上的影響（但是內(nèi)存保護(hù)，虛擬內(nèi)存等機(jī)制就不能用了）。

 

在內(nèi)核層之上，是外圍組件層。HelloX提供了包括網(wǎng)絡(luò)，文件系統(tǒng)，系統(tǒng)調(diào)用等在內(nèi)的多種多樣的外圍組件，供物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)調(diào)用。

 

 

目前的HelloX，移植IoTivity物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架，作為自己的協(xié)同框架。未來(lái)根據(jù)需要，HelloX會(huì)開(kāi)發(fā)更加靈活的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)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(shí)現(xiàn)廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，比如家庭網(wǎng)關(guān)，智能攝像頭，智慧家庭中的家電設(shè)備，抄表，e-Health等。目前HelloX已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了同多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的對(duì)接和集成。