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lol爱游戏体育:物联网操作系统的现状与未来

发布时间:2022-07-06 15:54:47 来源:lol爱游戏电子 作者:lol爱游戏网站

  《张江科技评论》是由上海科学技术出版社与上海市张江高科技园区管理委员联合创办的一本科技评论类杂志。该刊报道评价国内外创新性科学技术的发展趋势及其商业价值,介绍上海在建设全球领先科创中心进程中的制度成果、技术成果、创业成果,推动产学研密切协作,促进科技成果转化,服务经济转型发展。

  物联网操作系统是目前IT界的热门词汇。那么,对于物联网操作系统,你了解多少呢?

  2018年全球人口75亿,智能手机保有量大约是30亿部。爱立信公司的物联网研究报告指出,2018年物联网设备的数量首次超过智能手机,到2021年物联网设备将超过290亿台。在全球物联网设备无线连接方法中,蜂窝物联网装置依然遥遥领先。最近两年,低功耗广域(LPWA)的物联网装置出货量增长迅速,如NB-IoT和LoRa。物联网应用繁花似锦,此消彼长。从最初智能硬件、共享单车到今天智慧城市、智能制造和新零售,万物互联已经无处不在。面对增长迅速、应用碎片化的物联网系统,业界一直在思考一个问题:PC时代有Windows操作系统、移动互联网时代有安卓(Android)和iOS操作系统,为什么物联网时代没有应用范围广的物联网操作系统呢?

  物联网操作系统(Operating System for Internet of Things,IoT OS),是一种在嵌入式实时操作系统基础上发展出来的、面向物联网技术架构和应用场景的软件平台。IoT OS目前没有严格的定义,体系架构和功能各有不同,种类也比较多。例如,ARM Mbed在微控制器(MCU)运行,Android Things在嵌入式处理器上运行,ThreadX的X-WARE由传统的RTOS改进而成。

  IoT OS的起源从两个传感网的操作系统开始:一个是TinyOS,它是美国加利福尼亚州大学伯克利分校的一个项目;另一个是瑞典工学院的Contiki项目,由亚当?邓克尔斯(Adam Dunkels)及其团队开发。邓克尔斯在TCP/IP网络协议方面是一位著名专家。Contiki项目完全采用C语言开发,可移植性非常好,能够运行在各种类型的单片机和微处理器上。2010年,欧洲有一个面向物联网的开源项目——RIOT,RIOT在技术架构上与现在IoT OS非常接近。这3个操作系统都是开源软件,它们对今天的IoT OS产生了深远的影响。

  2017年底,亚马逊公司发布Amazon FreeRTOS。借助Amazon FreeRTOS在嵌入式系统的影响力,亚马逊公司扩展其在物联网系统中的市场地位。Amazon FreeRTOS结合AWS IoT云和边缘计算Greengrass技术,为开发者提供一站式解决方案。

  微软公司在物联网设备端布置Azure Sphere OS,可以运行在单片机上。在边缘侧,微软公司有Azure IoT Edge,它可以在Linux和Windows系统上运行。在云端,微软公司有Auzre IoT Stack,它负责对物联网设备进行安全管理和维护。2019年4月,微软公司收购了嵌入式系统公司Express Logic公司,将其ThreadX RTOS部署在其物联网那个解决方案的端侧。ThreadX是嵌入式系统中颇具影响力的商业RTOS,有大量成熟的应用。

  无论是学术界还是产业界,都还没有对IoT OS给出一个统一的定义。阿里巴巴集团把AliOS Things称为面向IoT领域的物联网轻量级嵌入式操作系统。亚马逊公司称Amazon FreeRTOS是针对单片机的物联网操作系统。ARM公司称Mbed OS是物联网系统中针对“物”的免费和开源的嵌入式操作系统。

  一是管理物的能力。这里的“物”指物联网边缘节点上的嵌入式实时低功耗设备。

  二是泛在的通信功能,即支持各种无线和有线、近场和远距离的通信方式以及协议,如蓝牙、Wi-Fi、Zigbee、NB-IoT、LoRa和NFC等通信技术。

  三是物联网设备的可维护性,即支持设备的安全动态升级(OTA)和远程维护。

  四是物联网安全。这是一个广泛的概念,包含设备、通信和云安全,具备防御外部安全入侵和篡改能力。

  五是物联网云平台。通过物联网云平成远程设备管理、数据存储和分析、安全控制和业务支撑,这是物联网大数据和人工智能的基础。

  综上所述,IoT OS是一种面向“物”的通信和管理平台,物联网操作系统有3个重要部分:嵌入式实时操作系统、物联网的通信协议和物联网云平台。

  Huawei LiteOS是面向物联网领域轻量级物联网操作系统,它的内核分为两个层次:第一层是基础内核;第二层是扩展内核,源代码是开源的。

  Huawei LiteOS提供端云协同能力,集成LwM2M、CoAP、Mbed TLS、LwIP等全套 IoT协议栈,用户只需关注自身的应用,直接使用LiteOS SDK端云互通组件封装的API,通过几个步骤就能简单快速地实现与云平台安全可靠连接。端云解决方案针对NB-IOT 应用场景的应用是现阶段Huawei LiteOS的优势之一。

  Amazon FreeRTOS是一款适用于微控制器的操作系统。通过软件库对FreeRTOS内核进行扩展,可以轻松地将小型低功耗设备安全连接到AWS IoT Core等AWS云服务或运行AWS IoT Greengrass的功能更强大的边缘设备。Amazon FreeRTOS具有轻松编程、部署和管理低功耗互联设备,广泛的硬件和技术生态系统等优势。

  RT-Thread是一个集RTOS内核、中间件组件和开发者社区于一体的技术平台,由熊谱翔先生带领并集合开源社区力量开发而成。同时,RT-Thread也是一个组件完整丰富、高度可伸缩、简易开发、超低功耗、高安全性的物联网操作系统。RT-Thread的优势为具备一个IoT OS平台所需的所有关键组件,如GUI、网络协议栈、安全传输、低功耗组件等;拥有良好的软件生态,支持市面上所有主流的编译工具,如GCC、Keil、IAR等;支持各类标准接口,如POSIX、CMSIS、C++应用环境、Javascript执行环境等,方便开发者移植各类应用程序。

  我们可以看出,上述3种IoT OS具备物联网系统开发所需要的基本功能,可以满足多数物联网边缘节点项目开发需求。相对HUAWEI LiteOS 和RT-Thread,Amazon FreeRTOS无论在功能上、产品成熟度和支持硬件架构上有优势。Huawei LiteOS 提供NB-IoT端云解决方案,为基于NB网络物联网产品开发提供极大便利性。RT-Thread的特长是开发者多,开源社区在中国很活跃。

  随着人工智能的发展,边缘计算是IoT OS发展的一个关注点。2017年ARM公司推出了Mbed Edge,与ARM Mbed Cloud和Mbed OS组成边缘计算的IoT方案。2019年,华为公司发布智能边缘平台IEF,推出开源KubeEdge项目,重点针对平安监控等需要边缘智能的应用场景。微软公司有Azure IoT Edge与Windows/Linux 和Sphere OS配合。亚马逊公司在边缘计算一直走在前列,Amazon FreeRTOS第一个版本就有边缘计算Greengrass应用案例。未来的研究重点是什么?笔者认为,重点将是云端人工智能技术如何透过边缘计算与设备节点的IoT OS结合起来。目前,这些设备节点多是运行在单片机的RTOS或者IoT OS上,无法支持大型的Linux OS和容器技术。

  物联网安全是IoT OS发展的另外一个热点,许多IoT OS集成了Mbed TLS。TLS是一种在互联网上实现加密通信的安全协议,Mbed TLS是ARM公司的一个开源版本。许多物联网云具备密钥管理和数字证书功能,多数IoT OS支持安全的空中下载技术 (Over-the-Air Technology,OTA)机制。物联网安全是一个复杂的技术和系统工程,需要产业链的通力合作,需要芯片和云端合作提供一套完整解决方案。IoT OS是物联网安全实施和发展的一个很好的平台。

  2014年ARM Mbed OS发布到今天已经5年时间了,市场有十余种开源的IoT OS,还有一些商业IoT OS,更准确地说是支持IoT应用的商业嵌入式OS。在一个新的物联网项目启动的时候,开发者通过芯片公司生态系统能很方便接触到1~2种支持IoT OS的开发板,比如STM32 Discovery kit IOT node, 就实现Amazon FreeRTOS和AliOS Things。新的物联网应用已经看到IoT OS的身影,比如NB-IoT项目,如果开发者采用OPENCPU模块,SDK里面就包含了Huawei LiteOS。 ARM和研华公司也展示过国外的Mbed OS应用,如可穿戴设备和工业物联网场景。

  IoT OS更趋向是一种集成技术,将已经成熟的操作系统、通信和云计算技术集成到从传感器到云的物联网场景中。IoT OS不只是提供CPU资源管理和应用编程接口(API)传统意义的操作系统,IoT OS也无法只布置设备端,它需要端云联动。IoT OS一直由产业界在推动其发展,产业界在寻找可以解决物联网开发过于繁琐、开发团队顾此失彼而延误开发周期的问题,总之是希望为物联网生态系统打造一个类似智能手机的Android OS生态环境。

  IoT OS的愿景是美好的,目前还处在发展之中。例如,ARM Mbed OS从2017年初5.6版本以后加快更新的周期,大约每3个月有1个新版本出来,到现在已经是5.12版本。再如,Amazon FreeRTOS自2017年底发布1.0版本之后到2018年7月,不到1年时间就有1.1、1.2和1.3三个主要版本。笔者预计还会有新的IoT OS出现,以解决物联网发展和应用中出现的新问题,同时,期待着未来有更好的IoT OS技术和产品呈现给产业,迎接万物互联、万物智能的时代。

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