戰(zhàn)略性行業(yè)升級和規(guī)模化市場發(fā)展推動物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進入新一輪發(fā)展浪潮，據(jù)Gartner預(yù)測，到2020年全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將達到260億個，物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模達到1.9萬億美元。

 

面向物聯(lián)網(wǎng)新型終端大量組網(wǎng)的需求，傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)由于封閉式的特點無法直接套用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，移動端iOS和Android操作系統(tǒng)由于體積較大、功耗較高等原因也無法很好適配物聯(lián)網(wǎng)終端，因此操作系統(tǒng)需進行新一輪發(fā)展創(chuàng)新。架構(gòu)上，為實現(xiàn)通用化，架構(gòu)逐漸趨于一致，并具備物聯(lián)網(wǎng)獨有特點；技術(shù)上，面向新型終端安全性、低功耗、互聯(lián)性的需求，操作系統(tǒng)不斷提升自身性能。近年來，新興操作系統(tǒng)ARM的Mbed，微軟的Win10 IoT、谷歌的Fuchsia等皆在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有所發(fā)展與應(yīng)用，我國華為的liteOS、阿里的yunOS等也表現(xiàn)較好。

 

 

 

在移動互聯(lián)網(wǎng)時代，產(chǎn)業(yè)和生態(tài)的基點是智能終端，大部分價值在眾多APP應(yīng)用，操作系統(tǒng)為應(yīng)用提供統(tǒng)一接口，作為應(yīng)用框架成為生態(tài)核心。而物聯(lián)網(wǎng)以連接和數(shù)據(jù)為主，匯聚和處理數(shù)據(jù)成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展重心，操作系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)匯聚接入接口，生態(tài)定位發(fā)生改變。

 

物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)價值的向上轉(zhuǎn)移和操作系統(tǒng)生態(tài)定位的改變，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)核心從單核向雙核轉(zhuǎn)變。一方面，物聯(lián)網(wǎng)以大數(shù)據(jù)服務(wù)為主，注重海量數(shù)據(jù)的云端互聯(lián)，物聯(lián)網(wǎng)平臺的生態(tài)價值提升，成為物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)的核心環(huán)節(jié)。另一方面，物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)模式由移動互聯(lián)網(wǎng)衍生而來，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)仍是屏蔽底層硬件差異、管理軟硬件的重要工具，其影響力依然存在。同時，數(shù)據(jù)的采集和互聯(lián)，需要底層傳感器、上層應(yīng)用和云端的能力，操作系統(tǒng)提供接口，是數(shù)據(jù)接入?yún)R聚處理的重要支撐。

 

 

隨著新興物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)的興起，服務(wù)對象逐步變?yōu)榇蟊娤M者，新興物聯(lián)網(wǎng)在運維模式、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、數(shù)據(jù)處理上都與傳統(tǒng)的專用模式有很大區(qū)別，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)從獨立封閉走向開放互聯(lián)。同時，隨著通信、人工智能、自動駕駛等技術(shù)不斷成熟發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)終端智能化不斷加深，亟待提升能力的終端設(shè)備給物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)提出了新需求。一是面向不同廠家的設(shè)備，為實現(xiàn)互聯(lián)互通和互操作，操作系統(tǒng)必須實現(xiàn)互通性要求；二是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備資源受限，低功耗成為物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的必備特性；三是聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不斷增加，網(wǎng)絡(luò)安全性亟待提升，從操作系統(tǒng)層面保障軟硬件安全成為必須；四是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備形態(tài)功能各異，需增加軟硬件的支撐能力；五是針對大量異構(gòu)終端，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)需實現(xiàn)模塊化要求，實現(xiàn)可裁剪和迅速定制。

 

 

由于現(xiàn)有操作系統(tǒng)很難完全匹配物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，目前物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)領(lǐng)域涌現(xiàn)出3條技術(shù)路徑。一條是基于Android、iOS等操作系統(tǒng)進行裁剪和定制，來適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備的需求；另一條技術(shù)路線是以傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過增加設(shè)備聯(lián)網(wǎng)等功能，滿足物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備互聯(lián)需求，形成新的嵌入式操作系統(tǒng)；第三條技術(shù)路線是面向物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的新型操作系統(tǒng)。

 

 

 

 

物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)由內(nèi)核、外圍功能組件、物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架、通用智能引擎、集成開發(fā)環(huán)境等子模塊組成。這些子模塊之間相互配合，又互相形成層次依賴關(guān)系，共同組成一個完整的面向各種各樣物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的軟件基礎(chǔ)平臺。

 

內(nèi)核層面上實現(xiàn)伸縮性、安全性、低功耗。伸縮性方面，內(nèi)核通過重新編譯和二進制模塊選擇加載的方式適應(yīng)不同配置的硬件平臺，實現(xiàn)尺寸在K到M級范圍內(nèi)的伸縮。安全性上，支持內(nèi)存保護（VMM等機制）、異常管理等機制，以在必要時隔離錯誤的代碼，提供內(nèi)核統(tǒng)計與監(jiān)控功能，為維護或開發(fā)人員提供故障定位的工具。低功耗上，常用兩種技術(shù)手段實現(xiàn)節(jié)能，一是在CPU空閑時，降低CPU運行頻率或關(guān)閉CPU；二是最大程度地降低中斷發(fā)生頻率。

 

增加外圍模塊，支持連接、圖形等基本功能。為實現(xiàn)輕量級，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)功能模塊采取按需提供的方式。因此，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)把文件系統(tǒng)、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、數(shù)據(jù)庫等功能組件從內(nèi)核中獨立出來，組成外圍功能組件。在很多情況下，功能組件用到一到兩個就可以滿足需求，其它的功能組件必須裁剪掉。

 

通過協(xié)同框架，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備協(xié)同交互。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間需相互交互和協(xié)同，以達到單一物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無法完成的功能。而物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架，就是為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的協(xié)同提供了技術(shù)基礎(chǔ)，包括如下功能：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)現(xiàn)機制、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的初始化與配置管理、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的協(xié)同交互、云端服務(wù)等。

 

兼容物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議接口，完善協(xié)同框架功能。由于物聯(lián)網(wǎng)是萬物互聯(lián)的場景，設(shè)備之間互聯(lián)互通需求很大；同時，物聯(lián)網(wǎng)連接場景較多，如智能家居場景下，短距離高速率通信將各家居設(shè)備和手機、PC等終端相連，而智能物流場景下，需要覆蓋范圍廣且功率低的通信協(xié)議以支持長距離的傳輸。因此，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)需支持更多新型的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，以便互聯(lián)互通。

 

融合操作系統(tǒng)初現(xiàn)，前景仍有待觀望。微軟Win10 IoT通過設(shè)備系列實現(xiàn)API共用，開發(fā)工具獲取通用API，下載安裝時自動識別設(shè)備環(huán)境并編譯出專用API，保證在代碼統(tǒng)一編寫的同時，保持自身特有屬性。但目前用戶習(xí)慣多停留在Win32系統(tǒng)上，同時微軟的物聯(lián)網(wǎng)終端占有率較低，因此廠商不愿意投入人力物力發(fā)展跨終端系統(tǒng)。谷歌推出Fuchsia，采用全新Magenta內(nèi)核、Escher渲染器以及Dart語言，支持32位和64位的ARM處理器和64位PC處理器，打造全新融合操作系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)尚在開發(fā)之中，并且Android建立的用戶習(xí)慣和生態(tài)習(xí)慣短期內(nèi)較難改變，該系統(tǒng)發(fā)展前景仍有待觀測。

 

 

由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備大多數(shù)為無線設(shè)備，因此需要維持低功耗以實現(xiàn)長時間使用。目前，各操作系統(tǒng)企業(yè)紛紛在低功耗上發(fā)力，欲實現(xiàn)操作系統(tǒng)層面的低功耗。如華為推出的liteOS，功耗僅為10~3mW；Mbed與Silicon Labs合作，推出低功耗Mbed OS。具體技術(shù)方面，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)從調(diào)度機制、傳輸機制和電源管理三方面入手，實現(xiàn)低功耗。首先，調(diào)度機制一改原來Linux實時調(diào)度方式，采用“集中式任務(wù)調(diào)度”。其次，在傳輸方式上，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、路由算法優(yōu)化等方法來降低系統(tǒng)功耗。最后在電池管理上，進行深度休眠模式的自動選擇，顯著降低能耗。

 

 

以ARM-M系列TrustZone技術(shù)為基礎(chǔ)，保證硬件安全。2015年底，ARM將Trustzone技術(shù)引到M系列芯片，從而給物聯(lián)網(wǎng)安全提供了硬件保障。TrustZone 技術(shù)將SoC的硬件資源和軟件資源進行了劃分，并將其隔離為兩個執(zhí)行環(huán)境，即安全環(huán)境和普通環(huán)境，安全環(huán)境執(zhí)行安全子系統(tǒng)中的任務(wù)，如存儲密鑰、加密算法軟件庫等敏感事物，普通環(huán)境則處理剩下的其它所有事務(wù)。不同于A系列的TrustZone，M系列的環(huán)境切換是基于硬件安全狀態(tài)的切換，切換速度快，切合物聯(lián)網(wǎng)低功耗、實時性的需求。

 

軟件層面采用隔離手段保證安全。基于軟件的安全方案則是通過數(shù)據(jù)加密或在操作系統(tǒng)中植入安全特性等方法實現(xiàn)系統(tǒng)安全。如Mbed OS利用uVisor將部分代碼分成不同的BOX，每個程序的BOX之間會有不同權(quán)限的控制，跨BOX之間的權(quán)限訪問在設(shè)備出廠之初固化操作系統(tǒng)之內(nèi)。

 

 

車載操作系統(tǒng)面向車聯(lián)網(wǎng)和自動駕駛，提高連接性，增加ADAS接口。聯(lián)網(wǎng)化方面，汽車的聯(lián)網(wǎng)化逐步成為發(fā)展趨勢，操作系統(tǒng)需從底層為車聯(lián)網(wǎng)提供通信支持，需支持V2X車載通信協(xié)議，從車內(nèi)網(wǎng)，車際網(wǎng)，移動車載網(wǎng)三方面增強底層數(shù)據(jù)接入、處理能力。智能化方面，隨著自動駕駛技術(shù)不斷進步，車載操作系統(tǒng)也加強與ECU的耦合，傳感數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)接口與計算系統(tǒng)相連，操作系統(tǒng)管理調(diào)度計算資源，為自動駕駛提供軟件基礎(chǔ)。

 

機器人操作系統(tǒng)面向人工智能，引入AI引擎。從底層硬件上看，機器人為增強自身運動控制等能力，不斷加強感知功能，對底層傳感提出了更多要求，操作系統(tǒng)不斷增強對底層硬件的支持。從上層軟件上看，機器人面向不同的應(yīng)用場景，推出多種原生應(yīng)用，打造機器人操作系統(tǒng)生態(tài)，操作系統(tǒng)提供代碼庫等接口，以支持應(yīng)用。

 

 

目前，據(jù)中國信息通信研究院統(tǒng)計，從2013年起物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)專利申請量呈爆發(fā)式增長，由2012年的86個激增到2013年的189個，并且還在呈現(xiàn)逐步增長的趨勢。專利圍繞iOS、Andriod等移動操作系統(tǒng)，以及Contiki、Tiny OS、ARM Mbed、華為LiteOS等物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，其中部分為中國企業(yè)或個人申請的專利。然而相比于傳感器、有線通信技術(shù)和短距離通信技術(shù)等專利申請量較高的領(lǐng)域，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，關(guān)注于物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的技術(shù)專利仍然較少，技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新節(jié)奏仍然較慢。

 

 

一方面，從產(chǎn)業(yè)上看，我國物聯(lián)網(wǎng)目前尚處于發(fā)展期，需降低技術(shù)門檻加速普及，開源作為生態(tài)構(gòu)建手段，有利于加速我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。從技術(shù)上看，由于物聯(lián)網(wǎng)終端形態(tài)各異、連接互通性要求高、碎片化嚴重等特點，導(dǎo)致軟硬件開發(fā)兼容性要求較高，通過開源可以為兼容提供基礎(chǔ)。LiteOS、Brillo、Tizen等新興物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)采取開源策略，如Liteos代碼開源，構(gòu)建了包括芯片、模塊、開源硬件、創(chuàng)客以及軟件開發(fā)者等玩家的開源社區(qū)。但為了保證安全性和掌握控制權(quán)，某些操作系統(tǒng)的開源模式會類似于手機安卓“AOSP開源，GMS閉源”的方式，大部分開源開放，關(guān)鍵部分閉源授權(quán)，如Mbed免費且部分開源，固件當中仍然存在二進制機制，而且其中一部分以受到嚴密保護的閉源驅(qū)動程序形式提供給由芯片制造商推出的系統(tǒng)芯片產(chǎn)品。

 

另一方面，某些特殊行業(yè)存在自身特殊需求，如航天、水電等領(lǐng)域安全性保密性要求較高，操作系統(tǒng)閉源策略仍需并存。

 

 

由于物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)核心逐步向操作系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)平臺雙核心轉(zhuǎn)變，布局新型物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)企業(yè)紛紛配套物聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)，并根據(jù)自身特點各有側(cè)重，以打造物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。

 

側(cè)重以操作系統(tǒng)為核心。依托手機、PC端操作系統(tǒng)成熟生態(tài)的強大影響力，企業(yè)在布局物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)時，側(cè)重以操作系統(tǒng)為核心，將手機/PC端技術(shù)和生態(tài)優(yōu)勢轉(zhuǎn)移到物聯(lián)網(wǎng)。如蘋果采用完全封閉的發(fā)展策略，先后推出CarPlay、Watch OS、HealthKit等，將iOS系統(tǒng)及應(yīng)用生態(tài)深度整合到汽車、可穿戴設(shè)備當中，并通過資金支持、技術(shù)支持等方式深度參與終端上游元器件的開發(fā)、生產(chǎn)和制造過程，打造從終端到應(yīng)用的極致用戶體驗，如圖1所示。

 

側(cè)重以操作系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)平臺為核心。新型操作系統(tǒng)專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計，新產(chǎn)品需快速建立完整產(chǎn)業(yè)鏈以切入市場；同時，企業(yè)的主業(yè)大多數(shù)為互聯(lián)網(wǎng)或連接，在云端互聯(lián)上有自身優(yōu)勢，因此新型操作系統(tǒng)側(cè)重以雙核心構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。如ARM以Cortex®-M架構(gòu)、Mbed OS、設(shè)備管理系統(tǒng)和開源社區(qū)為核心布局物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)，如通過物理IP包授權(quán)、處理器授權(quán)、架構(gòu)/指令集授權(quán)與MCU芯片提供商建立緊密合作關(guān)系；以部分開源、支持二次開發(fā)的方式向合作伙伴免費提供mbed OS；與IBM、stream、愛立信、KDDI等多家云服務(wù)商合作打造統(tǒng)一開發(fā)環(huán)境吸引第三方開發(fā)者；與系統(tǒng)集成商合作面向行業(yè)用戶提供多種物聯(lián)網(wǎng)解決方案等，如圖2所示。

 

側(cè)重以物聯(lián)網(wǎng)平臺為核心。一方面，嵌入式操作系統(tǒng)自身交互性、互通性等性能較弱；另一方面，此類操作系統(tǒng)多應(yīng)用于工業(yè)等行業(yè)領(lǐng)域，智能化對行業(yè)應(yīng)用的大規(guī)模組網(wǎng)需求提升。因此，傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)需借助物聯(lián)網(wǎng)平臺，增強連接、分析、處理能力。

 

 

 

增量市場帶來大量新的機會。目前，并沒有一款成熟產(chǎn)品能夠完全適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，即使是微軟與風河等傳統(tǒng)操作系統(tǒng)公司，也需要調(diào)整自己的產(chǎn)品線來適應(yīng)新市場。我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，成為全球最大的市場，因此物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)增量市場的很大一部分必將來自中國。

 

物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)與云計算和移動互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合緊密。目前開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的中國廠商都有互聯(lián)網(wǎng)和云端的相關(guān)背景，依托此特點可進行優(yōu)勢轉(zhuǎn)移。如阿里巴巴依托阿里云推出的yunOS，并配套Yoc開放平臺；華為依托華為云，推出liteOS和Oceanconnect物聯(lián)網(wǎng)平臺，并且依托本身連接優(yōu)勢，大力推行低功耗廣域網(wǎng)，在連接上占據(jù)優(yōu)勢。

 

 

我國物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)目前在不同領(lǐng)域發(fā)展較不同步。在智能家居領(lǐng)域，慶科Mico與阿里yunOS發(fā)展較好，與底層硬件和家電廠商初步形成生態(tài)。阿里云以Yun OS和云平臺為核心，在兼容所有主流移動芯片架構(gòu)、MCU平臺的基礎(chǔ)上，采用組建商業(yè)聯(lián)盟、開放運營模式、創(chuàng)新產(chǎn)品服務(wù)策略打通智能家居等多個終端領(lǐng)域，并通過應(yīng)用預(yù)裝、大數(shù)據(jù)精準營銷等手段形成良性的利益分成機制；目前，阿里云與超過40家硬件廠商建立合作關(guān)系，推出較多智能家居成型產(chǎn)品，且應(yīng)用較好。在機器人領(lǐng)域，出現(xiàn)應(yīng)用于機器人上人工智能級OS，但暫未形成生態(tài)。如人工智能創(chuàng)業(yè)團隊圖靈機器人對外發(fā)布了一款人工智能機器人操作系統(tǒng)Turing OS。車載系統(tǒng)中Wince、QNX和安卓占據(jù)大部分市場份額，國內(nèi)新型操作系統(tǒng)暫未有成型產(chǎn)品。

 

 

（1）依托“物聯(lián)網(wǎng)”“智能硬件”，借助政策/市場引導(dǎo)支持

 

我國重量級物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)發(fā)展較緩，依托智能硬件、智慧城市等政策出臺，借助政策引導(dǎo)，建立專項基金，大力加快重量級操作系統(tǒng)發(fā)展。輕量級物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)發(fā)展較好，隨著市場需求不斷刺激，推動操作系統(tǒng)面向應(yīng)用場景和細分市場，進行差異化開發(fā)；聯(lián)動上下游，實現(xiàn)協(xié)同發(fā)展。

 

（2）加快創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)

 

關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，大力發(fā)展安全、低功耗、互聯(lián)互通相關(guān)技術(shù)；重量級操作系統(tǒng)逐步擴展功能性，與人工智能、數(shù)據(jù)分析等前沿技術(shù)緊耦合。安全性上，依托trustzone技術(shù)，利用隔離思想，從操作系統(tǒng)層面加強軟件安全；同時，利用TLS打造內(nèi)核+傳輸+云端全生命周期安全體系。低功耗上，完善調(diào)度和傳輸機制上低功耗方案，注重低功耗和實時性之間平衡發(fā)展，加強低功耗機制創(chuàng)新。互聯(lián)性上，借力國內(nèi)低功耗廣域網(wǎng)發(fā)展優(yōu)勢，大力加強操作系統(tǒng)對連接技術(shù)的支撐能力；在重量級操作系統(tǒng)內(nèi)部耦合云應(yīng)用引擎，加強云端互聯(lián)。

 

（3）加強與產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)合作

 

圍繞操作系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)平臺，加強操作系統(tǒng)與硬件企業(yè)、開發(fā)者和平臺運營企業(yè)合作，建立物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)。一是加強與硬件企業(yè)合作。定義標準的硬件驅(qū)動程序接口，實現(xiàn)內(nèi)核與硬件驅(qū)動程序的分離。通過定義標準API接口，實現(xiàn)應(yīng)用程序與硬件的分離。操作系統(tǒng)通過這種合作，能夠更加了解操作系統(tǒng)的主要需求來源，在硬件驅(qū)動、軟硬分離、終端適配、協(xié)同等方面更加有的放矢；二是加強與應(yīng)用開發(fā)者合作。將解決方案結(jié)合特定場景進行優(yōu)化，共同進行各自算法和代碼優(yōu)化；三是加強與平臺運營企業(yè)合作。終端側(cè)操作系統(tǒng)需要配合平臺側(cè)實現(xiàn)狀態(tài)查詢、配置管理、告警管理、傳感器管理等功能，合作的加強可推動“操作系統(tǒng)+物聯(lián)網(wǎng)平臺”生態(tài)的快速建立。