【深度分析物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的過去、現(xiàn)在和未來】早在1982年，一群卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的學(xué)生開發(fā)出網(wǎng)絡(luò)可樂機，它可以告知冰箱里的存貨以及新放入的飲料是不是已經(jīng)變冰，這臺機器被稱為第一個網(wǎng)絡(luò)家電。這群大學(xué)生沒想到自己的一番操作，成了物聯(lián)網(wǎng)的先驅(qū)。目前來看，“物聯(lián)網(wǎng)+”概念產(chǎn)生了很多新生代詞匯，比如智慧醫(yī)療、智慧城市、智慧工廠等。但是，不知道你有沒有聽說過“物聯(lián)網(wǎng)+操作系統(tǒng)”這種組合？

物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)（簡稱物聯(lián)網(wǎng)OS）的誕生就是單純兩者的碰撞？顯然沒這么簡單，這件事得從科技發(fā)展角度來講。

中國軟件行業(yè)協(xié)會嵌入式系統(tǒng)分會副理事長何小慶的《嵌入式操作系統(tǒng)風(fēng)云錄：歷史演進與物聯(lián)網(wǎng)未來》一書中提到了物聯(lián)網(wǎng)OS的產(chǎn)生背景：首先互聯(lián)網(wǎng)為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建了無處不在的互聯(lián)管道，云計算和大數(shù)據(jù)的發(fā)展為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理和分析提供了技術(shù)支撐。在嵌入式設(shè)備端，32位MCU技術(shù)已經(jīng)成熟，價格趨于與8位/16位MCU接近，其不僅在網(wǎng)關(guān)設(shè)備上使用，也在傳感和執(zhí)行單元上普遍使用。在MCU市場里，ARMCortexM系列的MCU占有最主要的份額。ARM完善的生態(tài)環(huán)境大大幫助了物聯(lián)網(wǎng)OS在內(nèi)的嵌入式軟件的發(fā)展。

可以想象，設(shè)備端的小型化、低功耗、安全性的趨勢，通信協(xié)議之間的靈活轉(zhuǎn)換，應(yīng)用層對云計算能力的要求，更加復(fù)雜的設(shè)備軟件，這些都成了物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)被孕育出來的必要條件。

翻閱歷史，起初是美國加州大學(xué)伯克利分校的TinyOS和瑞士計算機科學(xué)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)小組開發(fā)的Contiki，這兩款傳感器OS都是最早具備物聯(lián)網(wǎng)OS特征的存在。隨后的2010年，歐洲誕生了RIOT（實時多任務(wù)操作系統(tǒng)），不僅可以運行在小型MCU上，也支持MPU。

直到2014年2月，德國紐倫堡的嵌入式世界大會上，風(fēng)河公司發(fā)布了其基于VxWorks7的物聯(lián)網(wǎng)OS，隨后也在官網(wǎng)上給出了產(chǎn)品介紹和白皮書。微軟和風(fēng)河這兩家操作系統(tǒng)系統(tǒng)大公司加入，使得物聯(lián)網(wǎng)OS呼之欲出。

技術(shù)角度來講，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的內(nèi)核技術(shù)與現(xiàn)在的嵌入式操作系統(tǒng)很接近，Arm、華為采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，谷歌AndroidThing的內(nèi)核則從安卓系統(tǒng)中進行裁剪。何小慶老師在接受與非網(wǎng)記者采訪時表示：“物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)并沒有做一個特別的內(nèi)核，而是沿用了嵌入式操作系統(tǒng)中的技術(shù)，目前可以將該技術(shù)分為兩種，一種是實時的，一種是通用型的。”

“物聯(lián)網(wǎng)”三個字勾起了資本的欲望，挑起了從芯片到終端廠商的戰(zhàn)爭，也點燃了物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)戰(zhàn)場的戰(zhàn)火。國內(nèi)外巨頭企業(yè)、本土的“小而美”企業(yè)紛紛拉到了一個舞臺上開始角逐。

戰(zhàn)火前的黎明

“現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的產(chǎn)品和應(yīng)用都處于初期的探索和打磨階段，估計到2020年，有幾家公司產(chǎn)品的技術(shù)形態(tài)和商業(yè)模式已經(jīng)受到產(chǎn)業(yè)界的認可?！边@句話是何小慶老師對當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)所處時代的一個判定。

那處于探索期的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，各家都有怎樣的產(chǎn)品呢？

ARMmbedOS

2016年，Arm公司320億全資被軟銀收購，其物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)ArmMbed經(jīng)過幾年的發(fā)展具有強大的生態(tài)系統(tǒng)支持，又因為ArmCortex-M內(nèi)核使用的巨大影響力，ArmMbed操作系統(tǒng)的應(yīng)用很容易在具體芯片上開發(fā)。

就在上個月，ARM收購了StreamTechnologies，這是一家專注于幫助企業(yè)優(yōu)化其物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信方式的軟件提供商。ARM物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)部門負責(zé)人HimaMukkamala在博客文章中詳細介紹了ARM對該工具套件的一些愿景設(shè)想。他寫道，收購Stream旨在創(chuàng)建一個“端到端的物聯(lián)網(wǎng)平臺，用于管理、連接、配置和更新設(shè)備”。這個一站式商店的價值定位，很大程度上是源于Stream軟件幾乎可以兼容所有類型的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，以及很多不同類型的網(wǎng)絡(luò)。

在安全性方面，Arm也頗為重視。推出了PSA安全構(gòu)架其基于現(xiàn)有的安全技術(shù)，如芯片、軟件做系統(tǒng)化整理，會形成不同的安全級別；整理出有效的安全實踐，加入PSA指導(dǎo)意見中，形成IO級安全指導(dǎo)。

說到不足，何老師用“使用復(fù)雜”幾個簡言概括。其實ArmMbed的發(fā)展并不是特別順利，初期到現(xiàn)在經(jīng)歷了一些變化，比如開始內(nèi)核并不提供實時性。但目前也有一些平臺在用，比如研華。

HuaweiLiteOS

在HuaweiLiteOS官方首頁“招聘”兩個字顯得格外引人注目，官網(wǎng)資料也給出了LiteOS的發(fā)展歷程（如下圖）。2015年5月20日，在2015華為網(wǎng)絡(luò)大會上，華為發(fā)布了敏捷網(wǎng)絡(luò)3.0，主要包括最輕量級的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)LiteOS、敏捷物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、敏捷控制器三部分。華為戰(zhàn)略Marketing總裁徐文偉介紹：“LiteOS體積只有10KB級，而且實行開源，使智能硬件開發(fā)變得更加簡單?！?/p>

官方資料顯示，HuaweiLiteOS自開源社區(qū)發(fā)布以來，圍繞NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)市場從技術(shù)、生態(tài)、解決方案、商用支持等多維度使能合作伙伴，構(gòu)建開源的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)，目前已經(jīng)聚合了30+MCU和解決方案合作伙伴，共同推出一批開源開發(fā)套件和行業(yè)解決方案，幫助眾多行業(yè)客戶快速的推出物聯(lián)網(wǎng)終端和服務(wù)，客戶涵蓋抄表、停車、路燈、環(huán)保、共享單車、物流等眾多行業(yè)，加速物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

NB-IoT技術(shù)是華為最早推進的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，華為圍繞該技術(shù)打造生態(tài)似乎如魚得水。據(jù)今年1月份一篇來源《通信世界》的文章顯示，HuaweiLiteOS已支持華為內(nèi)部產(chǎn)品累計出貨量超過5000萬臺。2016年第四季度以來，使用HuaweiLiteOS的智能貓眼、智能門鈴、安防攝像頭等智能家居產(chǎn)品出貨量已經(jīng)超過10萬臺。

AliOS

阿里云IoT事業(yè)部物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)首席架構(gòu)師謝琳峰在接受與非網(wǎng)記者采訪的時候，介紹了其產(chǎn)品：“不同于市面上眾多從傳統(tǒng)RTOS衍生卻打上‘物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)’標(biāo)簽的產(chǎn)品或開源項目，AliOSThings是一款為現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用量身打造的操作系統(tǒng)。除了提供高度可伸縮，實時，安全的內(nèi)核，AliOSThings還原生提供了包括云端一體設(shè)備和應(yīng)用管理，安全系統(tǒng)和應(yīng)用升級，高精度定位，傳感器數(shù)據(jù)上云和本地分析，動態(tài)安全漏洞診斷等眾多物聯(lián)網(wǎng)時代所亟需的高階能力，以及包括云化部署的一站式應(yīng)用開發(fā)環(huán)境等強大豐富的開發(fā)工具。針對典型的物聯(lián)網(wǎng)場景，AliOSThings進行了端對端的優(yōu)化，使得對于同樣的功能集合，基于AliOSThings打造的應(yīng)用解決方案可以實現(xiàn)最好的性能和最低的資源消耗?！?/p>

關(guān)于發(fā)展歷程，官網(wǎng)上只有三行簡單的話：

2017年9月28日，阿里巴巴宣布升級操作系統(tǒng)戰(zhàn)略，發(fā)布全新的AliOS品牌及口號：驅(qū)動萬物智能。

2017年10月13日，AliOS攜手斑馬網(wǎng)絡(luò)與神龍汽車就未來汽車智能化達成戰(zhàn)略合作，即將陸續(xù)推出搭載AliOS的智聯(lián)網(wǎng)汽車，首款車型將落地東風(fēng)雪鐵龍。

2017年10月20日，AliOS家族旗下面向IoT領(lǐng)域的輕量級物聯(lián)網(wǎng)嵌入式操作系統(tǒng)AliOSThings正式開源。

說到優(yōu)勢，就是其云計算在企業(yè)級應(yīng)用上的優(yōu)勢，這個是先天的。吐槽點也是挺多的，有開發(fā)者在論壇上寫道：“阿里的RTOS好幾處參考了uCOS的實現(xiàn)，這將是AliOS最大的槽點。作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)最重要的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，他們沒有做到原創(chuàng)，使用的是大家熟知的LwIP，而文件系統(tǒng)也是用的開源FatFS。如果是這樣的話，怎么能自信的與ARM推出的mbedos進行PK，這差距稍大了些?！彪m說阿里也在與ST合作，積極布局自己的生態(tài)，但打造一個讓開發(fā)者能夠迅速適應(yīng)的環(huán)境，自己不斷的保持內(nèi)核的升級和問題的維護也是阿里的挑戰(zhàn)。

FreeRTOS

作為一個輕量級的操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS提供的功能包括：任務(wù)管理、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理、記錄功能等，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。

FreeRTOS有許多應(yīng)用，采用Linux開源方式，生態(tài)環(huán)境好，受眾群體非常廣泛。在EEtime雜志每次的嵌入式操作系統(tǒng)市場研究報告中，F(xiàn)reeRTOS都名列前茅。

去年年底有個大新聞就是，F(xiàn)reeRTOS作者加入亞馬遜AWS任首席工程師，正式推出AmazonFreeRTOS。由于AmazonFreeRTOS基于FreeRTOS內(nèi)核，嵌入式開發(fā)者理解起來就非常容易，開發(fā)環(huán)境本身沒有什么變化。NXP、ST這幾家物聯(lián)網(wǎng)芯片公司的開發(fā)板都有移植好的端到端的介入，所以接受度比較高。

RT-Thread

RT-Thread誕生于2006年，由國人自主開發(fā)，是一個集RTOS內(nèi)核、中間件組件和開發(fā)者社區(qū)于一體的技術(shù)平臺，由熊譜翔先生帶領(lǐng)并集合開源社區(qū)力量開發(fā)而成，它已成為國內(nèi)最成熟穩(wěn)定和裝機量最大的開源嵌入式操作系統(tǒng)。RT-Thread也是一個組件完整豐富、簡易開發(fā)、高可擴展性和高安全性的IoTOS。上海睿賽德是RT-Thread背后的服務(wù)公司，負責(zé)RT-Thread的維護、運營和核心組件開發(fā)等

睿賽德科技COO鄒誠在接受與非網(wǎng)記者采訪時，提到了RT-Thread的特點：“占用資源極小，最小資源占用：1.2KBRAM和2.5KBflash；實時性性能極好，中斷響應(yīng)時間在1us以內(nèi)；支持芯片眾多，超過30款主流芯片；已經(jīng)建立起初步良好的軟件生態(tài)，目前軟件包當(dāng)中的軟件數(shù)量超過50個?！?/p>

左一：吳洋勇，左二：邱祎，中間：熊譜翔，右二：鄒誠，右一：朱天龍

同時鄒誠還表示：“作為一個OS平臺，生態(tài)建設(shè)是一項非常耗時的工作，時間的緊迫性是我們遇到的最大瓶頸。當(dāng)然，文檔和書籍的相對欠缺、相對FreeeRTOS的裝機量還比較小等都是我們不得不面對的挑戰(zhàn)。”

未來

去年何老師在接受媒體的采訪時表示：“最后能剩下的操作系統(tǒng)也就只有少數(shù)的幾個。”在眾多產(chǎn)品拼殺的時候，哪些特質(zhì)才是物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的關(guān)鍵所在呢？何老師總結(jié)出了六點特征。

管理物的能力：從嵌入式系統(tǒng)視角看，“物”是網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送和接受信息的一個個嵌入式計算小設(shè)備（或稱為深嵌入式系統(tǒng)），比如家庭或者工業(yè)現(xiàn)場的智能傳感器?，F(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的一個共識就是降低功耗，常見的方法是系統(tǒng)盡可能快地執(zhí)行，然后立即進入睡眠模式。現(xiàn)在的處理器核心架構(gòu)，在低性能狀態(tài)下，可以做到基本上不消耗任何電力。

可伸縮和擴展性的架構(gòu)：隨著32位MCU的價格下降，Linux又無法支持沒有MMU的MCU，RTOS理所當(dāng)然地成為運行在MCU的物聯(lián)網(wǎng)OS的首選，原因是基于RTOS的設(shè)計運行更靈活和可擴展的軟件運行在這些系統(tǒng)中。

泛在互聯(lián)網(wǎng)功能：支持物聯(lián)網(wǎng)常用的無線和有線通信功能，比如支持GPRS/3G/HSPA/4G等公共網(wǎng)絡(luò)的無線通信功能，同時要支持ZigBee/NFC/RFID/WiFi/Bluetooth等近場通信功能，還要支持Ethernet/CAN/USB有線網(wǎng)絡(luò)功能，以及廣受關(guān)注的窄帶通信技術(shù)NB-IoT和LoRa。在這些不同的物理和鏈路層接口之上的協(xié)議之間要能夠相互轉(zhuǎn)換，能夠把從一種協(xié)議獲取到的數(shù)據(jù)報文，轉(zhuǎn)換成為另外一種協(xié)議的報文發(fā)送出去，最后要能夠遷移到互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。

系統(tǒng)的安全性：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中很大一部分是使用MCU和資源有限的微處理器，與大型設(shè)備相比，這些小型設(shè)備更容易保護，不易受同類型威脅的攻擊，更安全。

云計算后臺：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備區(qū)別于傳統(tǒng)的設(shè)備的標(biāo)志就是這些設(shè)備將產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，如何管理和處理這些數(shù)據(jù)是擺在物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)面前的一個難題，云計算無疑是解決這個難題的最有效的技術(shù)手段。選擇支持物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的云計算平臺需要考慮一下的技術(shù)因素：

1）支持云計算和物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Websocket、RESTful、MQTT和CoAP等）。

2）靈活的標(biāo)準和設(shè)備管理方式。

3）支持安全的遠程固件升級。

4）Web/移動應(yīng)用開發(fā)的能力。

5）高效和可靠數(shù)據(jù)存儲能力。

先進的編程語言：用于傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的編程語言多數(shù)是C和C++。因為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的特點，互聯(lián)網(wǎng)編程技術(shù)將進入物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，優(yōu)化后的互聯(lián)網(wǎng)編程語言可以低功耗的MCU上運行，比如Java、Java和Python。需要注意的是，Java總是運行在操作系統(tǒng)之上，所以你的選擇不是C/C++或Java兩者之一，而是C/C++和Java都會使用。

其實物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)要有長足的發(fā)展，與學(xué)術(shù)界、高校的合作也必不可少。畢竟高校對待技術(shù)的視角與商業(yè)界是完全不一樣的，商業(yè)公司更傾向于立竿見影的產(chǎn)生效益，而高校則追求把技術(shù)系統(tǒng)的肢解，更加利于學(xué)生學(xué)習(xí)。這點來說，高校的參與會給物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的發(fā)展帶來很大的好處。

參考文獻

[1]《嵌入式操作系統(tǒng)風(fēng)云錄：歷史演進與物聯(lián)網(wǎng)未來》——何小慶著；

[2]楊迪娜.專家談物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的現(xiàn)狀與未來[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2017，17(12)：5-6.

[3]《嵌入式操作系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)演進之路》；

[4]《物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)》專題采訪之RT-Thread；

[5]《物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)》專題采訪之AliOSThings；

[6]《物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)》專題采訪之何小慶專訪。