物联网操作系统研究与思考

作者 / 何小庆 嵌入式系统联谊会秘书长(北京 100191)

何小庆，著名的嵌入式系统专家，麦克泰软件公司创始人，《单片机与嵌入式系统应用》编委会副主任。*本文来源于“嵌入式系统联谊会主题讨论会(总第22次)——物联网操作系统现状与发展前景研讨会”上何小庆老师的报告，已经过作者确认。该会议主办方：嵌入式系统联谊会，时间：2017年11月12日，地点：北京航空航天大学。

摘要：探讨了为什么需要物联网操作系统，物联网操作系统的内涵与外延，物联网操作系统的现状，及发展建议。

1 物联网操作系统的产生

1.1 RTOS的发展历史

　　提到物联网操作系统(物联网OS)，肯定离不开嵌入式操作系统，更离不开RTOS(实时多任务操作系统)。因为嵌入式操作系统的内核大都使用RTOS来实现，当然也有不用RTOS来实现的物联网OS，例如谷歌Android Things、微软Windows 10 IoT Core等。

　　RTOS始于上世纪七十年代，最早始于北美，截至2017年约有30年的发展历史。兴盛时有几百家，即使在今天在全世界范围当中也有几十家RTOS公司，中国也有几家RTOS公司。

　　表1列举了一些依然活跃的公司(注：指有商业公司对RTOS进行商业运作，以提供产品或服务的公司)，并以时间排序，也标注了近况，例如有些已经被收购了，诸如风河(Wind River)在2009年被英特尔(Intel)收购，但其产品依然还在;还有些产品被收购了，但产品基本上不存在了，诸如VRTX已经不在了，pSoS被Wind River收购后也不在了。表1下面几列是几家较新的企业，例如Zephyr、Nuttx等是新一代的开源嵌入式操作系统，也基本属于RTOS操作系统。

　　值得说明的是，中国也有几家不错的RTOS，除了熊谱翔先生创立的RT-Thread之外，中国最近有一家叫Sylix的RTOS公司，在一些军工的项目非常活跃^[1]。

1.2 嵌入式操作系统的演进之路

　　在我的《嵌入式操作系统风云录》书^[1]中，有1/3的章节详解了RTOS 的历史，其结论是：嵌入式操作系统(也有称为设备操作系统，device OS)(注：含手机)从1980年开始计算，每隔十年大概会有一次革命，会产生一代具有标志性的嵌入式操作系统(如图1)。其中，上世纪80年代是RTOS kernel(内核)，代表产品有uC/OS和FreeRTOS。上世纪90年代有RTOS，代表产品有Vxwork，因为Vxwork出来时没有把kernel单独拿出来，它把文件系统、网络、shelll、甚至工具IDE(集成开发环境)都配置好了，打包给用户，让用户使用起来非常方便。

　　但进入2000年之后，以Linux为代表，通用OS(GOS)进入嵌入式领域，是通用型的甚至开源的。当然微软嵌入式Windows(注：指Windows 10 IoT Core)也是GOS。 2010年之后是以Android(安卓)为代表。Android是面向移动应用的操作系统，因为Android最早的设计来自Andy Rubin，就是定位于使用Linux操作系统做手机，而在之前也有许多人为手机做过操作系统，例如Montavista，但是做得不是很好，甚至做起来非常困难。Android出来之后，其实也不是很容易，但到现在基本占了手机操作系统的八成的市场份额^[2]。

　　最新的是物联网操作系统。如果按十年为一个周期，2020年或许会有几家知名或者流行的面向物联网的操作系统出现。

1.3 为什么需要物联网操作系统?

　　无论是传统嵌入式的还是通用的OS，都无法满足物联网的需求，因为物联网太复杂了，需要一个从端到云的整套解决方案。

　　2016年在德国纽伦堡举办的“嵌入式世界”大会上，风河公司在会议发言中列出了物联网设备有8大需求：模块可升级的架构，不同级别的设备软件可伸缩，物联网设备安全，虚拟化，性能和可靠性，连接性，丰富的UI，认证。这说明需要一种新型操作系统，或者需要在现有的嵌入式操作系统上进行改造，来满足物联网操作系统的需求。　　目前市面上多数产品能够部分满足这8大需求，例如“模块可升级架构”，传统嵌入式OS是不能满足的;“UI”方面，RT-Thread的UI非常好;再有“认证”，目前很多国内OS产品还没有通过认证，因此如果用在工业领域里，这些产品可能还有距离。

　　物联网操作系统的概念始于2014年，但是直到2016-2017年才得到广泛的关注，根据Gartner预测的2017-2018年10大IoT技术，物联网操作系统(IoT Operating System)也位列其中(如图2)，这说明至少从产业界对此有一个共识：物联网操作系统需要有人去做。

1.4 物联网OS的起源和发展过程

　　物联网操作系统起源于传感网的两个开源OS——TinyOS和Contiki。今天的IoT对二者有相当的继承性。至今还有个别的学校物联网专业仍在讲传感网的OS。Contiki项目目前依然还很活跃，因为其作者是Adam Dunkels，是为名人，他原来是瑞典工学院计算机研究所的博士，后来创立了Thingsqure公司，是LWIP/uIP项目的作者，这个项目现在一直是他在维护。欧洲一些高校关于传感网的课程还是基于该系统在讲。TinyOS是美国加州大学伯克利分校的开源项目，至今已经停止维护了。

　　2010年欧洲有了面向物联网的OS——RIOT，但影响力很小。

　　2014年物联网OS开始热闹起来。《连线杂志》(Wired)和IEEE的《频谱》杂志2014年对物联网操作系统都有报道。为什么是在此时?因为两家有影响力的公司推出了产品，它们是：Arm的Mbed OS，微软的Windows 10 IoT Core。2014年10月陆续有一些小公司推出产品，包括Micrium公司的物联网方案Spectrum(基于uC/OS)、庆科发布MiCO OS。但有些产品还是换汤不换药，即把自己原有的RTOS增加一些功能组件，然后再对接一下亚马逊云或微软云等，就成为一套物联网的软件解决方案。　　2015年华为发表了LiteOS，不过影响力有限。影响力最大的是2015年初谷歌在其“I/O 开发者大会”上宣布的Brilo OS。其诞生的背景是之前刚把智能家居设备公司Nest收购，因此很快能推出Brillo OS。现在谷歌要把Brilo OS改名为Android Things。这时业界热闹起来，大家都觉得物联网OS一定是下一个风口，一定要跟风冲。所以在此之后，阿里也有YunOS(注：不主要针对物联网市场，开始是手机，后来手机不成，就转做汽车)。2016年Linux基金会推出Zephry。我国的海尔在2017年1月CES(美国消费电子展)上展出了基于UIhome OS的大冰箱，冰箱上镶了一个大平板(人机界面)，海尔在冰箱旁边有了一个很大的宣传牌：Your Home OS。2017年10月，阿里在云栖大会上宣布支持IoT的AliOS。

1.5 物联网OS的分类　　物联网OS涵盖从设备到网关、再到服务器、最后再到终端，只要有服务器/云和终端的地方都可以使用。由图3可见，一大类是嵌入式操作系统，另一类是Linux开源去做，还有一些是Android和苹果iOS(注：在此包含了手机)。

　　但是很有意思的是，据2016年IoT Developers Survey报告，Linux占70%以上的份额，其他小OS也不少，没有用操作系统的也很多。可见Linux和Android的占有率是很高的。另外如果去看RTOS的机会，未来应该是通用OS的3倍，因为多数物联网设备将使用MCU 作为主控单元，MCU 无法运行Linux OS。

　　以上可见，目前物联网世界中是多种OS并存的。

2 什么是一个物联网操作系统?

　　目前在学术界很难找到物联网操作系统的定义。ELSEVIER出版社的杂志《Next Generation Computing System》计划出版IoT专辑——Special Issue on Internet of Things，该专辑的征稿说明中定义了物联网OS (IoT OS)的一些关键特性，诸如协议设计和验证技术，还有模块、能耗、调度(基于能耗的调度)、硬件支持、架构、网络、协议栈、可靠性(即互通性)、通用API、实时性的能力等。

　　在产业界，微软网站称之为：The operating system built for Internet of Things(为物联网打造的操作系统)，谷歌网站的Android Things谈的不是OS，而是“Build connected devices for a wide variety of consumer，retail，and industrial applications，”大意是针对所面向的应用。Arm认为是开源的嵌入式的操作系统，是针对Thing(物)的设计，当然一定是包含Arm Cortex-M的物。

　　《嵌入式操作系统风云录》一书^[1]对物联网操作系统做出了一个基本定义，就是具备低功耗、实时性和安全的传感、连接、云端管理服务软件平台。前三个(低功耗、实时性和安全性)是技术，后三个(传感、连接和云端管理)是指从端到云的一套方案。

3 物联网OS的现状

　　物联网OS目前的情况还是大公司在布局，小公司在投石问路^[3-5]。这是因为技术和产品好做，商业模式还需要很多摸索。

　　物联网OS可以分成两类：一类是为物联网而生的OS，即针对物联网去做的OS，之前并没有，代表产品是Mbed OS、MiCO OS、Android Things等，它们还可以再分成支持MCU和支持MPU(嵌入式处理器)的两种，如图4。　　第二类是以嵌入式OS为基础，把它扩展成支持物联网应用的，这一类的最大市场份额是Linux和Android。除此之外，FreeRTOS经过加固、改造也能用于物联网应用^[6]，最近亚马逊推出Amazon FreeRTOS，uC/OS-III、ThreadX也可以用，例如瑞萨的Arm MCU平台——Synergy就是基于ThreadX。Vxwork称也有自己的嵌入式OS。Nucleus和RT-Thread 3.0等也都是适合物联网的OS。

　　但是目前市场上十余种物联网OS都处于发展初期。例如Arm Mbed OS已出了三个版本——1.0/2.0、3.0和5.0(最新是5.6.3)版本，但如果浏览Arm Mbed的官方网站，其中会有一句中文提示：Mbed操作系统仍处于开发阶段。说明Arm还是在摸索和发展中。

　　庆科MiCO OS的市场定位还处于调整期。MiCO OS商标没有了，之后庆科的MiCO SDK(软件开发包)是以什么样的市场品牌出来?大家正在观望。因为如果只为自己的智能硬件模块提供SDK，不能称作物联网OS。一个操作系统要求能够支持不同的硬件平台，这是操作系统的最基本条件。

　　Windows 10 IoT Core在向云端发展。我参加过多次微软研讨会，认为微软更强调“云管端”的云，即上面的云怎么对IoT设备进行控制，而淡化操作系统在设备端的作用。

　　AliOS正在进入IoT市场。AliOS开始和恩智浦(NXP)和ST等公司合作。

　　MCU厂商在2015年之后与物联网OS的互动较少，例如ST没怎么宣传要支持Mbed，但是最近比较积极地表示要支持AliOS。

　　只有市场互动起来，才可能带动更多的用户来用。华为LiteOS也做了黑客松大赛，但目前用户和合作伙伴规模相对较小，依靠NB-IoT 发展的策略偏于单调。

　　本节的结论是：很少看到和听到国内和国外企业宣传在使用某种物联网OS(注：这里指原生态的，诸如 Arm Mbed，而不是指本节开始所提到的第二类，诸如RT-Thread。因为第二类在物联网出现之前已经有了，因此已积累了很多应用和用户)，传统的RTOS和Linux还是主流。当然，被用户接纳是一个漫长的过程，但如果这个过程有了，那么后期客户会愿意主动地用它，这种前仆后继的浪潮就会产生，像海浪似的一浪推着一浪。

4 思考与建议

　　第一，无论是物联网操作系统还是其他操作系统，一个操作系统的普及，需要很长时间的市场引导，用户不太会在短时间决定选用哪一种，也不会轻易更换。即客户换多家公司的芯片可能也比换一个操作系统容易，所以一旦用起来，操作系统的黏性/忠诚度是很高的。

　　第二，目前物联网OS的内涵和外延还不是很清晰。有一种趋势是厂商都想做大，那么对于规模相对较小的团队，就要由小到大、由简到繁地展开，而不要什么都做、一步到位。例如RT-Thread的创始人熊谱翔先生称并没有做安全，这是一个很好的选择，因为安全又是另外一类技术，没有相当的技术储备和积累不一定能做，或许你可以从外部引入一些安全技术。　　第三，重视物联网OS的安全研究。因为安全是物联网中必备的功能，所以如果有一套安全方案，还是会很吸引用户的。例如FreeRTOS也没有现成的安全方案，如果增加了安全功能，会更易吸引人们去使用这套物联网操作系统。

　　第四，高校对物联网操作系统的研究和关注还要加强。2017年我曾在几次物联网教育会议上介绍过物联网操作系统，认为反响不太大。传统的嵌入式操作系统的课程改进目前处于窗口期了，未来可能升级，现在有些学校也开始考虑开设基于RTOS的嵌入式课程。实际上物联网OS是有机会进入到高校的，因为进到高校之后才可能影响产业界，高校计划企业要积极主动。

　　最后，企业要想将物联网操作系统普及开来，需要注意以下两点。首先确定好物联网OS的边界，不要什么都做。其次还要坚持，例如有些企业做着做着就不开源了;有些企业刚开始时热热闹闹地做生态，之后不做了，因为做生态投资投入很大，很难短时间见到产出，因此一些企业做几次开发者大会后就停下了，回头还是去做大客户。

5 结论

　　随着物联网应用落地和逐渐成熟，物联网OS正在兴起，目前处于百花齐放的繁荣期，产业届需要耐心培育。

　　参考文献：

　　[1]何小庆.嵌入式操作系统风云录[M].北京：机械工业出版社,2016

　　[2]Kantar：2017年中国智能手机市场Android份额高达87%[R/OL].(2017-5-12).http://tech.sina.com.cn/roll/2017-05-13/doc-ifyfecvz1148686.shtml

　　[3]江文瑞,何小庆.嵌入式计算设备[J].单片机与嵌入式系统应用,2014(9)

　　[4]何小庆.物联网操作系统浅析[J].单片机与嵌入式系统应用,2015(1)

　　[5]江文瑞,何小庆.物联网与实时操作系统[J].单片机与嵌入式系统应用,2014(12)

　　[6]何小庆.谈谈FreeRTOS及其授权方式[J].单片机与嵌入式系统应用,2015(10)

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第1期第27页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。