智慧家庭操作系統關鍵技術研究

尹德帥　居文軍　馬成東　錢學文

摘 要：智慧家庭操作系統是智慧家庭的核心支撐。文中對物聯網/智慧家庭操作系統的行業發展進行了總結，介紹了智慧家庭操作系統對于智慧家庭生態發展帶來的價值。通過智慧家庭的業務架構，提出了智慧家庭操作系統應當能夠針對不同智能設備支持統一的內核和功能的可裁剪性，并給出了智慧家庭操作系統的技術架構，對智慧家庭操作系統的內核、互聯互通、場景管理、設備管理等關鍵技術進行了詳細分析，以期為智慧家庭操作系統的設計與研發提供參考。

關鍵詞：智慧家庭;物聯網;操作系統;智能家電;設備管理;大數據

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）04-00-05

0 引 言

物聯網是新一輪產業革命的重要方向和推動力量，是新一代信息網絡技術的高度集成和綜合運用。據Gartner預測，到2020年全球聯網設備數量將達到250億個，物聯網市場規模達到1.9萬億美元[1]。作為物聯網一個重要的垂直應用領域，智慧家庭以家庭為基礎，融合物聯網、云計算、大數據等新一代信息技術，為消費者提供健康、智能、舒適、安全和充滿關愛的家庭生活方式。同時隨著互聯網業務在消費者市場的繁榮發展以及在整個社會消費升級的趨勢下，智能化成為了家電行業互聯網轉型的重要目標。智能家電的迅速發展也極大地推動著智慧家庭產業的發展和升級。

智慧家庭中存在各種類型的智能設備，包括智能家電、家居設備、安全設備、智能硬件、傳感器等，不同類型的智能設備具有不同的處理能力、通信方式和應用場景，這種多元化的軟硬件組合使得智慧家庭的設計開發和管理變得非常復雜，“碎片化”已經嚴重影響了智慧家庭的市場化落地和生態體系建設。縱觀PC和智能手機的發展，可以看出操作系統如Windows，Android，iOS等能夠屏蔽底層的硬件差異，為上層應用提供統一的開發環境和用戶交互體驗，是互聯網和移動互聯網發展的核心驅動力。在智慧家庭中，操作系統能夠解決智能設備“碎片化”問題，提供統一、標準化平臺，形成互聯互通、設備管理、信息安全、人機交互、用戶體驗、開發環境等集成融合的解決方案，從而滿足智慧家庭面臨的共性需求，有效促進智慧家庭生態系統的良性發展，推進智慧家庭的應用和普及。

本文針對物聯網及智慧家庭操作系統發展的現狀進行了調研和分析，總結出智慧家庭操作系統的關鍵技術，如內核技術、互聯互通、設備管理、場景管理、信息安全等，并對這些關鍵技術進行了深入分析。

1 物聯網/智慧家庭操作系統發展現狀

物聯網感知層的設備更小、功耗更低，需要安全可靠的組網能力;通信層需要支持各種通信協議和協議之間的轉換;應用層需具備云計算能力。因此，物聯網操作系統應當具有管理物的能力、可裁減和可擴展的架構、泛在互聯能力、安全等技術特征[2]。物聯網操作系統的發展呈現兩種技術路徑：

（1）由智能手機操作系統剪裁而來，具備較強的應用能力，同時獲得智能手機生態的強大支持;

（2）針對嵌入式操作系統進行功能優化，針對底層硬件平臺開發，擁有更高的可靠性和更強的性能表現[3]。

目前行業已經出現了多種為物聯網定制的操作系統，如ARM的mbed、谷歌的Android Things、華為的Lite OS等。另外，還有專門為智慧家庭定制的操作系統，如海爾的UHomeOS等。

1.1 物聯網操作系統

本文調研了三種主流的物聯網操作系統，分別為ARM mbed OS，Android Things和華為Lite OS。

1.1.1 ARM mbed OS

mbed OS是ARM發布的物聯網操作系統，是專為物聯網中的“物體”設計的開源嵌入式操作系統[4]。mbed OS基于ARM Cortex-M微控制器，能夠支持連接產品所必需的全部功能，可應用于智能城市、智能家庭和穿戴式設備等領域。mbed OS可以提供內核、安全保障、基于標準的通信功能以及針對傳感器、I/O設備和連接性開發的驅動程序，能夠加快部署產品周期。mbed OS具有模塊化軟件堆棧，有助于開發者對開發設備進行自定義，以及通過可配置的軟件組件來降低設備對于內存的需求。mbed OS在微控制器上運行，是mbed IoT設備平臺的客戶端部分，與mbed設備連接器、mbed設備服務器和mbed客戶端配合使用。mbed OS圍繞物聯網設備的安全性、連接性、可管理性、效率和生產率這五個核心原則進行設計，基于事件驅動的單線程架構，確保mbed OS可以應用到尺寸最小、成本最低且功耗最低的物聯網設備中。

1.1.2 Android Things

Android Things是谷歌于2016年發布的面向智能設備的操作系統，其前身是2015年谷歌發布的物聯網平臺Brillo，在Brillo的基礎上，Android Things加入了Android SDK，Android Studio，Google Play服務以及Google云平臺等Android開發工具和服務。熟悉Android的開發者可以輕松進行Android Things應用的開發。Android Things支持谷歌的物聯網通信協議Weave，可以讓智能設備連接到云端，目前Nest，Hue，SmartThings，LiFX等已經宣布支持Weave，Android Things。Android Things對core Android Framework進行了擴展，通過Things Support Library提供附加的API，使得開發者可以集成各種智能硬件設備，包括不帶屏幕的智能設備。Android Things提供了主流的I/O驅動外設接口，可與傳感器和執行器通信交互，同時能夠支持藍牙、低功耗無線個域網（Low-Power Wireless Personal Area Networks，LoWPAN）等技術[5]。考慮到Android Things需要使用谷歌的云端服務，因此目前在國內無法順利使用。

1.1.3 華為Lite OS

華為LiteOS是華為于2015年發布的面向IoT領域構建的輕量級物聯網操作系統，遵循BSD-3開源許可協議，可廣泛應用于智能家居、個人穿戴、車聯網、城市公共服務、制造業等領域，大幅降低設備布置及維護成本，有效降低開發門檻、縮短開發周期[6]。LiteOS目前支持ARM Cortex-M0，Cortex-M3，Cortex-M4，Cortex-M7等芯片，同時華為聯合業界主流MCU廠家，通過開發者活動，目前已經適配了數十套通用MCU開發套件，5套NB-IoT集成開發套件。LiteOS Kernel是華為Lite OS操作系統的基礎內核，包括任務管理、內存管理、時間管理、通信機制、中斷管理、隊列管理、事件管理、定時器等操作系統基礎組件，可以單獨運行，具有高實時性、高穩定性、超小內核、基礎內核體積可以裁剪、低功耗、支持功能靜態裁剪等特點。華為LiteOS是華為物聯網解決方案的重要組成部分，是支持物聯網終端產業快速發展、使能終端設備智能化的軟件開發平臺。

1.2 智慧家庭操作系統UHomeOS

UHomeOS是海爾U+專為智慧家庭定制的場景生態安全操作系統。該操作系統是基于硬件模塊、融合互聯互通、大數據、人工智能等技術成果，集結智能家居行業生態服務資源，提供跨場景、全兼容、多資源、高安全的基礎操作環境，以家庭用戶為中心，串聯起人、家電、服務，賦能家電，讓家電理解用戶需求，主動為用戶提供個性化生態場景服務，提升用戶體驗。針對智慧家庭中不同處理能力的智能設備，UHomeOS具有統一的內核，支持擴展與裁剪，分為Full/Compact/Lite三個版本;能夠支持國際主流的互聯互通協議，如OCF，MQTT等;同時也集成了語音識別、圖像識別、自然語言處理等能力。UHomeOS為智慧家庭的設備提供了集成化的解決方案，涵蓋終端用戶、家電等，能夠為行業用戶提供完善的服務[7]。目前，UHomeOS已經在海爾的部分產品上實施，如冰箱、烤箱、洗衣機等。

2 智慧家庭操作系統架構及關鍵技術

2.1 智慧家庭操作系統技術架構

智慧家庭是物聯網的垂直應用領域，其技術架構與物聯網的架構體系基本一致，但在終端設備側，即感知層相比物聯網所定義的感知層范圍更加廣泛。物聯網最初的定義是通過RFID技術來感知數據并將設備與互聯網連接。感知數據的主要設備是各種傳感器，比如環境感知類傳感器，包括溫濕度、氣壓、空氣質量傳感器等;情景感知類傳感器包括壓力、距離等傳感器;意境感知類傳感器包括速度傳感器等。這些傳感器被大量應用在工業、農業、交通、醫療等領域，可以說傳感器是人們感知物理世界的一種方式。在智慧家庭中，擴大了物聯網感知層的范圍，加入了圖像感知、語音感知、文字感知等。自2014年后，智能硬件、智能家電相繼爆發，這些智能設備能夠向云平臺上報數據并接受控制，所以從廣義的角度看，家庭中所有能夠收集數據并上報數據的智能設備都屬于感知層范疇，這些數據包括物理世界的傳感器數據、設備本身的數據、用戶產生的數據、互聯網數據等。

同時，家庭中各種智能設備的處理能力、應用場景也各不相同，如傳感器設備、家居類設備、家用電器等，因此對于運行在智能設備上的操作系統與傳統的物聯網設備也有一定差別，需要統一的操作系統平臺，并根據設備的能力和應用場景的不同，支持功能的可定制和可剪裁性。

此外，智慧家庭要為消費者提供豐富的場景體驗，比如智慧空氣的場景體驗，一旦感知到室外的空氣情況后，家庭中的空氣類設備如空調、凈化器、加濕器就能夠聯動，為消費者提供健康舒適的智慧體驗。因此，在智能設備上運行的操作系統要具有智慧家庭場景管理能力。

對于智慧家庭操作系統來說，在繼承物聯網操作系統所需的實時性、可靠性、安全性、低功耗等功能特點外，還要結合智慧家庭的設備特點和應用場景，具有系統的可剪裁可定制、場景管理、互聯互通、端到端信息安全、設備控制及管理等功能。

智慧家庭操作系統針對不同智能設備的能力分為全生態版、緊湊版和輕量版，可應用到不同的智能設備中。比如具有屏幕的智能冰箱上可以運行全生態版系統，支持智能冰箱和用戶進行高頻交互;在智能烤箱上，可以運行緊湊版智慧家庭操作系統，能夠支持設備的管理控制以及相應的場景聯動等功能;能力受限的智能設備，如照明設備，可以應用輕量版智慧家庭操作系統，實現基本控制、數據采集以及場景聯動等功能。

智慧家庭操作系統分為硬件層、內核層和應用層。在全生態版本中還增加了Java生態層，用于支持開發者基于智慧家庭操作系統開發各類智慧應用，包括用戶圖形交互框架、智能語音的自然語言處理框架、體感交互框架等，也包括智慧家庭場景的管理引擎、家庭模型、場景安全等功能。智慧家庭操作系統基于微內核技術，包含線程管理、地址空間管理、線程間通信、中斷處理等基本功能的精簡微內核。在微內核之上，構建了智慧家庭應用場景的操作系統內核，其中包括智慧家庭所需的互聯互通協議棧，用于智能設備的在線升級（Over the Air，OTA）功能等。

本文針對智慧家庭操作系統的內核、互聯互通、設備控制及管理等關鍵技術進行深入的分析。

2.2 智慧家庭操作系統內核技術

微內核操作系統[8-9]作為近年操作系統內核技術的熱點話題，其可靠性、可擴展性、實時性和安全性為解決目前物聯網操作系統的碎片化問題提供了較好的思路，物聯網/智慧家庭操作系統有實時性和非實時性要求，也有需要圖形界面與無需圖形界面的系統，同時還面臨著多硬件架構問題，而微內核可以很好地解決這些技術難題。

微內核是一種最小化的操作系統內核，其設計思想是內核本身不提供操作系統的相關服務，而是提供實現這些服務的機制，諸如底層的地址空間管理，線程調度以及進程間通信，即只提供了很小一部分的硬件抽象，大部分功能由一種特殊的用戶態程序—服務來完成。這些系統服務主要包括設備驅動、文件系統和用戶界面等。微內核的設計思路符合嵌入式平臺對操作系統的需求，并且非常適用于構建虛擬機運行環境。微內核具有高可靠性和實時性特性。

微內核操作系統的可靠性來源于其秉持的最小權限準則。對于單內核操作系統而言，內核實現了所有操作系統服務，其中包括大量第三方開發的驅動程序模塊。若任意一個系統服務存在漏洞，在執行過程中發生錯誤，將導致整個系統崩潰。反觀微內核操作系統，其設計的初衷就是盡可能地壓縮內核職能，只保留實現操作系統的基本功能，把包括驅動程序在內的大多數服務在用戶態中實現，以此降低內核崩潰的幾率。

實時性主要是指操作系統在操作硬件設備和執行程序過程中對時間的嚴格控制，要求在規定時間內完成所有操作。微內核作為系統內核意味著其本身的運行很容易做到實時化。而且大多數微內核操作系統都實現了實時調度機制以確保服務程序的響應速度。

因此，微內核的這些特性非常適合物聯網/智慧家庭的應用場景。物聯網/智慧家庭設備對操作系統既有實時性要求也有非實時性要求，更有實時程序與非實時應用程序并行運行的要求。實時組件可以是磁盤驅動服務或網絡服務[10]，其他組件構建在這些服務之上，例如文件系統或視頻播放器。基于微內核，為了滿足智慧家庭場景實時性的需求，需要在微內核上構建智慧家庭操作系統內核，如圖1所示。

智慧家庭操作系統內核在微內核上運行，主要包括任務、線程、進程間通信以及內存管理等。所有服務（包括設備驅動）在用戶模式下運行，處理這些服務同處理其他任務的程序一樣。因為每個服務只是在自己的地址空間運行，所以這些服務之間彼此都受到保護[11]。智慧家庭操作系統內核與其他應用程序均使用底層系統服務。此外，智慧家庭操作系統內核可以使用更高層的系統服務，例如網絡服務器驅動系統的網卡等。具有實時能力的微內核服務通常還可以向非實時應用提供服務，并根據可用資源來調度其客戶。智慧家庭操作系統內核API設計遵循最小化原則，可為用戶應用程序提供簡單的功能。使用底層微內核API來處理大的應用程序較為繁瑣，為提高應用程序開發效率，需要支持庫、系統服務和工具。工具集包括C庫、內存管理、線程管理、程序加載、事件處理、接口定義語言以及封裝接口等。

2.3 智慧家庭操作系統互聯互通協議棧

物聯網/智慧家庭中，需要所有的智能設備實現互聯互通。智能設備之間的互聯協同是物聯網和智慧家庭場景功能實現的基礎。智慧家庭目前面臨的最嚴峻的挑戰是缺乏統一的互聯互通協議，無法實現跨品牌的智能家電互聯互通，這個痛點伴隨著智慧家庭的整個發展過程，如何實現跨品牌的智能家電互聯互通是智能家電能否被消費者接受并買單的重要因素。因此，需要在智慧家庭操作系統設計中加入互聯互通協議棧，以實現智慧家庭中智能設備間、智能設備與APP、智能設備和云平臺間的互聯互通。智慧家庭互聯互通協議棧如圖2所示。

協議適配層用來適配目前主流的通信協議，以保證運行不同協議的智慧家庭設備能夠互相聯通。協議適配層為上層提供了統一的交流語言，能夠使運行不同協議的設備間相互發現。協議適配層還允許將運行智慧家庭操作系統的設備當作小型網關使用，進而為設備間的信息分享和分布計算及聯合決策提供支撐。同時協議適配層也可用來進行上層協議的轉換和轉發。

設備相互發現的用處在于發現網內設備，該層一直處于監聽狀態，時刻監聽來自協議適配層的信息。為達到設備相互發現的目的，設備標識也是關鍵，因此該物聯網操作系統對設備進行了抽象化處理，使得種類繁多、功能差異較大的設備有了統一標識。

設備間相互發現后，需要相互分享各設備的能力及目前的狀態，還包括周圍設備的變動信息。

分布計算和聯合決策是在設備間信息分享后，各設備根據自身狀態及周圍設備的狀態變動信息進行分布式計算和聯合決策。在信息傳遞機制上，該模塊主動為上層傳遞信息。

2.4 智慧家庭操作系統家庭場景管理模型

智慧家庭場景是以家庭為中心的應用場景，消費者需要便捷地控制家庭中的各種智能設備，使家庭中的智能設備能夠無縫連接、共享信息，主動為用戶完成特定的任務，如智能燈光、智能溫度控制、智能能源管理、智能環境監測、智能清掃、智能娛樂等。家庭設備與外界交互、反饋，即通過家電設備自動發出購物、安全管理、健康娛樂需求等指令，與智能社區交互，從而極大得提升家庭生活的舒適性、便利性和安全性[12]。

模型是對現實的抽象，由于現實中智慧生活的復雜性，因此對智慧家庭的場景建模有助于更好地理解系統的復雜性，為智慧家庭操作系統的設計提供指導。在消費者家庭中主要涉及家庭成員和智能設備，在對家庭的場景模型抽象化過程中，智慧家庭操作系統主要提供家庭及設備的管理服務。家庭模型是對社會中家庭及各種關系的抽象，包括家庭成員、成員角色、智能設備、家庭成員權限等對象和關系，建立虛擬的數據和服務模型;通過對設備和家庭成員以及各種權限關系的抽象，構建智慧家庭的三維立體模型[13]。家庭模型是場景引擎服務的基礎，通過建立智慧家庭的三維立體模型，結合智能設備的運行狀態和家庭成員的實時信息，場景引擎學習用戶的行為，感知用戶的意圖，幫助用戶決策。

建立如圖3所示的兩層抽象模型，包括家庭模型和上層家庭模型服務，為上層業務邏輯應用和場景引擎提供家庭模型服務。

家庭模型層、設備模型是對家電設備的虛擬抽象，包括設備的功能屬性和設備的擴展屬性（空間、權限）等，為業務邏輯提供數據管理服務。人員模型是對家庭成員的抽象，除了人員本身的屬性外，還需要定義個人與設備的從屬關系。空間信息是對智能設備物理位置的抽象和人員活動場所信息的抽象。角色和權限模型為家庭場景提供安全保障，為個人隱私提供保護。

在智慧家庭模型服務層，基于建立的虛擬家庭模型提供設備管理服務和家庭管理服務。通過家庭模型為用戶提供的功能包括家庭管理員機制、家庭成員管理、家庭成員關系維護等。家庭管理員可以創建家庭、修改家庭名稱、查詢家庭信息、創建家庭信息列表、刪除家庭、修改家庭成員名稱等。家庭成員可以加入家庭、查詢家庭信息、修改名稱、主動退出家庭等。設備管理服務為家庭成員提供家電設備的管理功能，包括設備綁定、設備解綁、獲取設備別名、獲取設備位置信息、獲取設備詳細信息、更新位置信息、更新設備別名、獲取設備列表、查詢設備是否在線等。

2.5 智慧家庭操作系統設備管理

設備管理服務是智慧家庭操作系統的核心組件，其主要功能是管理局域網內發現的智能設備，并根據智能設備的狀態做出響應。設備管理服務需要對接入網絡的設備自發現、自組網、自學習網絡狀態[14]。設備管理服務與家庭模型相結合為智慧家庭操作系統的場景引擎提供輸入信息，從而為用戶提供場景服務，如圖4所示。

設備檔案管理：設備檔案管理是存儲設備自身信息和網絡內其他設備信息的小型數據庫，其內容信息會隨著設備自身狀態的變化以及網絡內其他設備狀態的變化而更改。

設備加載：在啟動時加載設備的初始信息，同時用戶對設備的配置、功能信息進行更改后，對這些信息進行存儲以便設備在下次啟動或者設備斷電重啟后能應用用戶新配置的數據。

綁定與解綁：設備自身有兩種狀態，綁定狀態與非綁定狀態。綁定狀態是指設備已經同用戶的賬號相聯系，只有與用戶綁定的設備才能被用戶控制，同時只有同用戶綁定的設備才能參與場景規則的調度，同其他綁定的設備一起提供場景服務。非綁定狀態是指該設備是孤立的，同任何用戶賬號都無關聯關系。設備的綁定狀態和非綁定狀態不影響該設備的基本功能，例如冰箱不會因為處于非綁定狀態而影響制冷。

訪問控制：用以控制對該設備的訪問，防范非法訪問和越權訪問。同時處于對設備的安全使用考慮，訪問控制還可以保證設備在某些極端條件下屏蔽設備的某些功能甚至禁止設備啟動，例如在發現用戶試圖啟動微波爐但發現其內部沒有食物時，微波爐會禁止啟動并且發出警告信號。

變更管理：對設備自身狀態變化和網絡內其他設備的狀態變化進行管理，更新設備檔案管理數據庫。

狀態查詢：提供設備狀態信息給上層軟件組件，例如場景引擎等。

統計查詢：對設備使用情況進行統計。統計的信息包括設備自身狀態變化的頻率、變化的內容等。統計信息還包括用戶如何使用該設備、用戶的使用習慣、用戶對該設備的使用偏好等。同時統計查詢功能可以提供針對不同用戶的統計查詢支持。

組網管理：組網管理是設備管理模塊的核心組件。該組件接收互聯互通模塊的上報信息，根據上報信息進行組網管理。

3 結 語

智慧家庭行業正處于飛速發展時期，各種智能化技術如物聯網、大數據、人工智能等在智慧家庭中的應用，不僅推動著傳統制造業的智能化轉型升級，也為消費者帶來了更加智慧和美好的生活場景。而智慧家庭操作系統將這些智能化技術進行集中整合后，可以形成一個完整的智能化解決方案，不僅能夠為用戶提供一致的智能化體驗，也大大降低了智慧家庭研發企業的研發成本，同時還能夠為第三方服務提供商和開發者提供統一的開發環境，從而支撐智慧家庭的生態構建。智慧家庭操作系統的研究開發還處于初始階段，各企業和研究院所都在不斷探索和實踐。本文根據智慧家庭應用的特點，提出了智慧家庭操作系統的技術架構，并針對智慧家庭內核、互聯互通、場景管理、設備管理等關鍵技術進行了詳細分析，為智慧家庭操作系統的設計與研發提供參考。

參考文獻

[1] PETER M. Gartner：Forecast Analysis Internet of Things—Endpoints，Worldwide. 2017 [EB/OL]. https：//www.gartner.com/en/documents/3841268.

[2]虞保忠，郝繼鋒.物聯網操作系統技術研究[J].航空計算技術，2017（3）：102-104.

[3]中國信息通信研究院.物聯網白皮書[EB/OL]. 2016. http：//www.caict.ac.cn/kxyj/qwfb/bps/201804/t20180426_158398.htm.

[4] ARM mbed 操作系統開發者網站[EB/OL]. https：//www.mbed.com/zh-cn/development/mbed-os/.

[5]谷歌Android Thing開發者網站[EB/OL]. https：//developer.android.google.cn/things.

[6]華為LiteOS開發者網站[EB/OL].https：//www.huawei.com/minisite/liteos/cn/.

[7]海爾優家開發者網站[EB/OL]. http：//haieruplus.com/uhomeos.htm.

[8]鄧昀，程小輝，王新政.微內核結構嵌入式實時操作系統的研究與設計[J].微電子學與計算機，2012，29（10）：133-139.

[9] LIEDTKE J. Towards，real microkernels [J]. Communications of the ACM，1996，39（9）：70-77.

[10]王紅玲，呂強，褚亞銘.一個微內核操作系統的設計與實現[J].微電子學與計算機，2008，25（4）：9-12.

[11]古輝，邱霆.基于微內核的地址空間研究[J].浙江工業大學學

報，2009，37（4）：426-428.

[12]肖丁，王乾宇，蔡銘，等.智能家居場景聯動中基于知識圖譜的隱式沖突檢測方法研究[J].計算機學報，2019，42（6）：1190-1204.

[13]毛博，徐恪，金躍輝，等.DeepHome：一種基于深度學習的智能家居管控模型[J].計算機學報，2018，41（12）：2689-2701.

[14]秦利紅，秦會斌，諸堅彬，等.基于Android平臺智能家居客戶端的設計與實現[J].計算機應用與軟件，2016，33（9）：88-91.

作者簡介：尹德帥，高級工程師，主要研究方向為軟件系統架構與大數據

居文軍，高級工程師，主要研究方向為計算機軟件、物聯網智能家居。

馬成東，高級工程師，主要研究方向為物聯網。

錢學文，碩士，主要研究方向為操作系統、物聯網。