物聯網操作系統研究與思考

摘要：探討了為什么需要物聯網操作系統，物聯網操作系統的內涵與外延，物聯網操作系統的現狀，及發展建議。

關鍵詞：物聯網操作系統；RTOS； Linux； Android

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2018.1.004

何小慶，著名的嵌入式系統專家，麥克泰軟件公司創始人，《單片機與嵌入式系統應用》編委會副主任。*本文來源于“嵌入式系統聯誼會主題討論會（總第22次）——物聯網操作系統現狀與發展前景研討會”上何小慶老師的報告，已經過作者確認。該會議主辦方：嵌入式系統聯誼會，時間：2017年11月12日，地點：北京航空航天大學。

1 物聯網操作系統的產生

1.1 RTOS的發展歷史

提到物聯網操作系統（物聯網OS），肯定離不開嵌入式操作系統，更離不開RTOS（實時多任務操作系統）。因為嵌入式操作系統的內核大都使用RTOS來實現，當然也有不用RTOS來實現的物聯網OS，例如谷歌Android Things、微軟Windows 10 IoT Core等。

RTOS始于上世紀七十年代，最早始于北美，截至2017年約有30年的發展歷史。興盛時有幾百家，即使在今天在全世界范圍當中也有幾十家RTOS公司，中國也有幾家RTOS公司。

表1列舉了一些依然活躍的公司（注：指有商業公司對RTOS進行商業運作，以提供產品或服務的公司），并以時間排序，也標注了近況，例如有些已經被收購了，諸如風河（WindRiver）在2009年被英特爾（Intel）收購，但其產品依然還在：還有些產品被收購了，但產品基本上不存在了，諸如VRTX已經不在了，pSoS被Wind River收購后也不在了。表1下面幾列是幾家較新的企業，例如Zephyr、Nuttx等是新一代的開源嵌入式操作系統，也基本屬于RTOS操作系統。

值得說明的是，中國也有幾家不錯的RTOS，除了熊譜翔先生創立的RT-Thread之外，中國最近有一家叫Sylix的RTOS公司，在一些軍工的項目非常活躍[1]。

1.2 嵌入式操作系統的演進之路

在我的《嵌入式操作系統風云錄》書[1]中，有1/3的章節詳解了RTOS的歷史，其結論是：嵌入式操作系統（也有稱為設備操作系統，device OS）（注：含手機）從1980年開始計算，每隔十年大概會有一次革命，會產生一代具有標志性的嵌入式操作系統（如圖1）。其中，上世紀80年代是RTOS kernel（內核），代表產品有uC/OS和FreeRTOS。上世紀90年代有RTOS，代表產品有Vxwork，因為Vxwork出來時沒有把kernel單獨拿出來，它把文件系統、網絡、sheⅢ、甚至工具IDE（集成開發環境）都配置好了，打包給用戶，讓用戶使用起來非常方便。

但進入2000年之后，以Linux為代表，通用OS（GOS）進入嵌入式領域，是通用型的甚至開源的。當然微軟嵌入式Windows（注：指Windows 10IoT Core）也是GOS。2010年之后是以Android（安卓）為代表。Android是面向移動應用的操作系統，因為Android最早的設計來自Andy Rubin，就是定位于使用Linux操作系統做手機，而在之前也有許多人為手機做過操作系統，例如Montavista，但是做得不是很好，甚至做起來非常困難。Android出來之后，其實也不是很容易，但到現在基本占了手機操作系統的八成的市場份額[2]。

最新的是物聯網操作系統。如果按十年為一個周期，2020年或許會有幾家知名或者流行的面向物聯網的操作系統出現。

1.3 為什么需要物聯網操作系統？

無論是傳統嵌入式的還是通用的OS，都無法滿足物聯網的需求，因為物聯網太復雜了，需要一個從端到云的整套解決方案。

2016年在德國紐倫堡舉辦的“嵌入式世界”大會上，風河公司在會議發言中列出了物聯網設備有8大需求：模塊可升級的架構，不同級別的設備軟件可伸縮，物聯網設備安全，虛擬化，性能和可靠性，連接性，豐富的UI，認證。這說明需要一種新型操作系統，或者需要在現有的嵌入式操作系統上進行改造，來滿足物聯網操作系統的需求。

目前市面上多數產品能夠部分滿足這8大需求，例如“模塊可升級架構”，傳統嵌入式OS是不能滿足的；“UI”方面，RT-Thread的UI非常好；再有“認證”，目前很多國內OS產品還沒有通過認證，因此如果用在工業領域里，這些產品可能還有距離。

物聯網操作系統的概念始于2014年，但是直到2016-2017年才得到廣泛的關注，根據Gartner預測的2017-2018年10大IoT技術，物聯網操作系統（IoTOperating System）也位列其中（如圖2），這說明至少從產業界對此有一個共識：物聯網操作系統需要有人去做。

1.4 物聯網OS的起源和發展過程

物聯網操作系統起源于傳感網的兩個開源OSTinyOS和Contiki。今天的IoT對二者有相當的繼承性。至今還有個別的學校物聯網專業仍在講傳感網的OS。Contiki項目目前依然還很活躍，因為其作者是Adam Dunkels，是為名人，他原來是瑞典工學院計算機研究所的博士，后來創立了Thingsqure公司，是LWIP/uIP項目的作者，這個項目現在一直是他在維護。歐洲一些高校關于傳感網的課程還是基于該系統在講。TinyOS是美國加州大學伯克利分校的開源項目，至今已經停止維護了。

2010年歐洲有了面向物聯網的OS——RIOT，但影響力很小。

2014年物聯網OS開始熱鬧起來。《連線雜志》（Wired）和IEEE的《頻譜》雜志2014年對物聯網操作系統都有報道。為什么是在此時？因為兩家有影響力的公司推出了產品，它們是：Arm的Mbed OS，微軟的Windows 10 IoTCore。2014年10月陸續有一些小公司推出產品，包括Micrium公司的物聯網方案Spectrum（基于uC/OS）、慶科發布MiCO OS。但有些產品還是換湯不換藥，即把自己原有的RTOS增加一些功能組件，然后再對接一下亞馬遜云或微軟云等，就成為一套物聯網的軟件解決方案。

2015年華為發表了LiteOS，不過影響力有限。影響力最大的是2015年初谷歌在其“I/O開發者大會”上宣布的Brilo OS。其誕生的背景是之前剛把智能家居設備公司Nest收購，因此很快能推出Brillo OS。現在谷歌要把BriloOS改名為Android Things。這時業界熱鬧起來，大家都覺得物聯網OS一定是下一個風口，一定要跟風沖。所以在此之后，阿里也有YunOS（注：不主要針對物聯網市場，開始是手機，后來手機不成，就轉做汽車）。2016年Linux基金會推出Zephry。我國的海爾在2017年1月CES（美國消費電子展）上展出了基于UIhome OS的大冰箱，冰箱上鑲了一個大平板（人機界面），海爾在冰箱旁邊有了一個很大的宣傳牌：Your Home OS。2017年10月，阿里在云棲大會上宣布支持IoT的AIiOS。

1.5 物聯網OS的分類

物聯網OS涵蓋從設備到網關、再到服務器、最后再到終端，只要有服務器/云和終端的地方都可以使用。由圖3可見，一大類是嵌入式操作系統，另一類是Linux開源去做，還有一些是Android和蘋果iOS（注：在此包含了手機）。

但是很有意思的是，據2016年IoT DevelopersSurvey報告，Linux占70%以上的份額，其他小OS也不少，沒有用操作系統的也很多。可見Linux和Android的占有率是很高的。另外如果去看RTOS的機會，未來應該是通用OS的3倍，因為多數物聯網設備將使用MCU作為主控單元，MCU無法運行LinuxOS。

以上可見，目前物聯網世界中是多種OS并存的。

2 什么是一個物聯網操作系統？

目前在學術界很難找到物聯網操作系統的定義。ELSEVIER出版社的雜志《Next GenerationComputing System》計劃出版IoT專輯——SpecialIssue on Internet of Things，該專輯的征稿說明中定義了物聯網OS （IoT OS）的一些關鍵特性，諸如協議設計和驗證技術，還有模塊、能耗、調度（基于能耗的調度）、硬件支持、架構、網絡、協議棧、可靠性（即互通性）、通用API、實時性的能力等。

在產業界，微軟網站稱之為：The operatingsystem built for Internet of Things（為物聯網打造的操作系統），谷歌網站的Android Things談的不是OS，而是“Build connected devices for awide variety of consumer， retail， and industrialapplications，”大意是針對所面向的應用。Arm認為是開源的嵌入式的操作系統，是針對Thing（物）的設計，當然一定是包含Arm Cortex-M的物。

《嵌入式操作系統風云錄》一書[1]對物聯網操作系統做出了一個基本定義，就是具備低功耗、實時性和安全的傳感、連接、云端管理服務軟件平臺。前三個（低功耗、實時性和安全性）是技術，后三個（傳感、連接和云端管理）是指從端到云的一套方案。

3 物聯網OS的現狀

物聯網OS目前的情況還是大公司在布局，小公司在投石問路[3-5]。這是因為技術和產品好做，商業模式還需要很多摸索。

物聯網OS可以分成兩類：一類是為物聯網而生的OS，即針對物聯網去做的OS，之前并沒有，代表產品是Mbed OS、MiCO OS、Android Things等，它們還可以再分成支持MCU和支持MPU（嵌入式處理器）的兩種，如圖4。

第二類是以嵌入式OS為基礎，把它擴展成支持物聯網應用的，這一類的最大市場份額是Linux和Android。除此之外，FreeRTOS經過加固、改造也能用于物聯網應用[6]，最近亞馬遜推出AmazonFreeRTOS，uC/OS-III、ThreadX也可以用，例如瑞薩的Arm MCU平臺——Synergy就是基于ThreadX。Vxwork稱也有自己的嵌入式OS。Nucleus和RT-Thread 3.0等也都是適合物聯網的OS。

但是目前市場上十余種物聯網OS都處于發展初期。例如Arm Mbed OS已出了三個版本1.0/2.0、3.0和5.0（最新是5.6.3）版本，但如果瀏覽Arm Mbed的官方網站，其中會有一句中文提示：Mbed操作系統仍處于開發階段。說明Arm還是在摸索和發展中。

慶科MiCO OS的市場定位還處于調整期。MiCOOS商標沒有了，之后慶科的MiCO SDK（軟件開發包）是以什么樣的市場品牌出來？大家正在觀望。因為如果只為自己的智能硬件模塊提供SDK，不能稱作物聯網OS。一個操作系統要求能夠支持不同的硬件平臺，這是操作系統的最基本條件。

Windows 10 IoT Core在向云端發展。我參加過多次微軟研討會，認為微軟更強調“云管端”的云，即上面的云怎么對IoT設備進行控制，而淡化操作系統在設備端的作用。

AliOS正在進入IoT市場。AliOS開始和恩智浦（NXP）和ST等公司合作。

MCU廠商在2015年之后與物聯網OS的互動較少，例如ST沒怎么宣傳要支持Mbed，但是最近比較積極地表示要支持AliOS。

只有市場互動起來，才可能帶動更多的用戶來用。華為LiteOS也做了黑客松大賽，但目前用戶和合作伙伴規模相對較小，依靠NB-IoT發展的策略偏于單調。

本節的結論是：很少看到和聽到國內和國外企業宣傳在使用某種物聯網OS（注：這里指原生態的，諸如Arm Mbed，而不是指本節開始所提到的第二類，諸如RT-Thread。因為第二類在物聯網出現之前已經有了，因此已積累了很多應用和用戶），傳統的RTOS和Linux還是主流。當然，被用戶接納是一個漫長的過程，但如果這個過程有了，那么后期客戶會愿意主動地用它，這種前仆后繼的浪潮就會產生，像海浪似的一浪推著一浪。

4 思考與建議

第一，無論是物聯網操作系統還是其他操作系統，一個操作系統的普及，需要很長時間的市場引導，用戶不太會在短時間決定選用哪一種，也不會輕易更換。即客戶換多家公司的芯片可能也比換一個操作系統容易，所以一旦用起來，操作系統的黏性/忠誠度是很高的。

第二，目前物聯網OS的內涵和外延還不是很清晰。有一種趨勢是廠商都想做大，那么對于規模相對較小的團隊，就要由小到大、由簡到繁地展開，而不要什么都做、一步到位。例如RT-Thread的創始人熊譜翔先生稱并沒有做安全，這是一個很好的選擇，因為安全又是另外一類技術，沒有相當的技術儲備和積累不一定能做，或許你可以從外部引入一些安全技術。

第三，重視物聯網OS的安全研究。因為安全是物聯網中必備的功能，所以如果有一套安全方案，還是會很吸引用戶的。例如FreeRTOS也沒有現成的安全方案，如果增加了安全功能，會更易吸引人們去使用這套物聯網操作系統。

第四，高校對物聯網操作系統的研究和關注還要加強。2017年我曾在幾次物聯網教育會議上介紹過物聯網操作系統，認為反響不太大。傳統的嵌入式操作系統的課程改進目前處于窗口期了，未來可能升級，現在有些學校也開始考慮開設基于RTOS的嵌入式課程。實際上物聯網OS是有機會進入到高校的，因為進到高校之后才可能影響產業界，高校計劃企業要積極主動。

最后，企業要想將物聯網操作系統普及開來，需要注意以下兩點。首先確定好物聯網OS的邊界，不要什么都做。其次還要堅持，例如有些企業做著做著就不開源了；有些企業剛開始時熱熱鬧鬧地做生態，之后不做了，因為做生態投資投入很大，很難短時間見到產出，因此一些企業做幾次開發者大會后就停下了，回頭還是去做大客戶。

5 結論

隨著物聯網應用落地和逐漸成熟，物聯網OS正在興起，目前處于百花齊放的繁榮期，產業屆需要耐心培育。

參考文獻：

[1]何小慶.嵌入式操作系統風云錄[M].北京：機械工業出版社，2016

[2]Kantar， 2017年中國智能手機市場Android份額高達87%[R/OL].（2017-5-2）.http：tech.sina.com.cn/rool/2017-05-13/doc-ifyfecvz1148686.shtrnl

[3]江文瑞，何小慶.嵌入式計算設備[J].單片機與嵌入式系統應用：2014（9）

[4]何小慶.物聯網操作系統淺析[J].單片機與嵌入式系統應用，2015（1）

[5]江文瑞，何小慶.物聯網與實時操作系統[J].單片機與嵌入式系統應用，2014（12）

[6]何小慶.談談FreeRTOS及其授權方式[J].單片機與嵌入式系統應用，2015（10）