物联网工程专业规划教材


物联网操作系统的最基本功能，与Android操作系统在移动互联网领域的地位和作用类似。先看一下Android，其最大的贡献在于，实现了智能终端硬件和软件的分离。任何应用程序开发者，基本不用考虑智能终端的物理硬件配置（CPU型号、内存、各种外设等），只需根据Android提供的编程接口编写应用程序，就可以运行在所有基于Android的智能终端上。硬件的功能是有限的，如果软件和硬件紧密捆绑不分离，则整个系统的功能也是有限的。但是一旦把硬件功能剥离出来，则通过软件的变动，可以使得整个系统的功能大大扩充。举例来说，带闪光灯的拍照手机，如果硬件和软件捆绑，则其功能就仅仅局限于一台照相机和一部手机。但是软硬件分离后，就可以变成手电筒、信号灯等原来无法实现的功能。对于物联网来说，要实现类似移动互联网一样的良性发展，也需要达到软硬件分离的效果。物联网终端的硬件功能很有限，比如一个传统的车载OBD模块，仅仅提供定位、GPRS、车辆信息读取等功能。但是通过额外的应用软件，则可以把OBD模块变成一个防盗器（事先划定位置范围，超出后报警），甚至其它功能设备。保险公司也可以定制开发自己的程序，安装到OBD上，获取必要的数据。这种通过软件创新，把已知（硬件功能）变成未知（软件功能）的能力，才是激发人类兴趣的源泉，也是为行业带来活力的关键。

除此之外，物联网还需要达到另外一种分离：硬件驱动程序与操作系统内核的分离。考虑这样一种场景：电冰箱的内置摄像头坏了，重新更换了一个新型号、功能更强大的摄像头。这时候运行在冰箱内的操作系统，必须能够根据新摄像头的硬件特征（比如设备ID等），自动从网上下载对应的驱动程序，然后安装。这个过程对运行在操作系统上的应用程序来说是透明的。Android貌似是无法做到硬件驱动程序与操作系统内核分离的，一旦增加一个新的硬件，必须编写对应的驱动程序，然后重新编译Android内核。

下图示意了基于这两种分离思想（应用软件与硬件分离、设备驱动与操作系统内核分离），构筑的一个物联网生态体系：


图中的实线表示永久逻辑连接，虚线表示临时的逻辑交互。大概过程是这样的：

1、              物联网终端（大到汽车、冰箱，小到门锁、追踪卡、手环等）上运行物联网操作系统，以及基于物联网操作系统的应用（APP）。APP从“M2M APP Store”上下载；

2、              物联网终端上运行的应用程序，由用户通过智能手机进行控制。智能手机通过本地通道（比如蓝牙、WiFi、Zigbee等）连接到物联网终端，控制终端上的APP的安装和卸载，以及M2M终端的相关配置（安全信息等）；

3、              一旦物联网终端上运行了一个APP，如果该APP是基于client-server模式（比如智能手机上的微信），则物联网终端需要跟APP的“应用程序后台”进行交互，实现业务逻辑；

4、              物联网终端跟“终端管理后台”建立持久的通信连接，用于实时更新物联网操作系统内核版本、实时更新物联网终端的硬件驱动程序等。还是上面讲的例子，一台冰箱更换了内置摄像头，这时候物联网终端需要连接到终端管理后台，去下载对应的驱动程序。一般情况下，终端管理后台由物联网终端制造厂商建立并维护，比如针对家电领域，是由家电厂商建设的，针对汽车领域，则是由车厂建设；

5、              物联网终端上运行的APP，由第三方开发者或者ICP/ISP开发，并上载到M2M APP Store，供用户按照需求下载；

6、              物联网终端之间能够通过本地通信通道（蓝牙、WiFi、Zigbee等）进行通信，这种通信无需借助后台。比如，汽车到达路口后，可以跟信号灯通信，向信号灯注册。这样信号灯就能够掌握各个方向的排队汽车数量，然后根据数量来决定信号的变换，达到优化交通的目的。物联网终端之间的直接通信（端端通信）是物联网关键能力之一，也是物联网区别于移动互联网的关键地方之一。


为加深对这个生态模型的理解，举一个餐饮行业的例子。先说一下需求吧，我经常去家门口的一家餐馆吃饭，而且每次去，点的餐食基本都一样。但现在的问题是，每次去都要排队，点餐，交钱，然后拿餐牌，找座位，等待。显然这是一个重复乏味的过程，如果能够通过自动化的物联网应用，使得这个过程简化或者自动化，那就很理想了。

我们开发一种通用的智能手环，智能手环上运行物联网操作系统。手环除了具备通用的闹钟提醒、身体生物指标测量和报告等功能外，还具备RFID功能，该功能的打开与否，由用户控制，比如甩一下手环、按一个按钮等。在餐馆门口，安装一套ID识别设备，一旦一个带手环的人进入餐馆，并打开了RFID功能，就立即被检测到。检测设备把进入者的ID上报给后端服务器，后端服务器进一步判断这个人是否已经有消费记录。如果没有，OK，遵循通常的点餐、交钱、等待等流程，但是这个过程中，后台系统会建立针对这个人的档案，并记录其点餐列表、等待时间、座位号等信息。

如果这个人第二次来就餐，那好了，运行在手环上的APP（由餐馆开发并上载到M2M APP Store，由用户安装到手环上）会立即震动提醒消费者，并通过自带的小屏幕，自动把上一次点的餐食列表等信息呈现给消费者，让消费者确认是否点同样的餐食。如果确认点同样的餐食，则消费者只需要找个空闲的位置坐下，然后等待即可，手环上的APP会自动检测出座位号，并联系餐馆的后台服务器下订单。吃完后，通过手环确认一下，可自动完成支付，甚至可以对本次消费满意度点评。显然，排队、点餐、交钱等过程完全省略了，大大提升了就餐方便程度。

    要实现这个过程，最关键的一点就是，手环上需要运行一个餐馆特定的APP，这个APP能够跟RFID联动，并跟餐馆后台交互，完成就餐过程的自动化。这样的APP可能有多个，因为你可能要去很多餐馆就餐。如果没有物联网操作系统的支持，这是无法做到的。或者说也可以做到，但是你的手腕上需佩戴很多手环，一个餐馆一个。这样的话，你的职业也变了，变成餐馆的活体广告牌了。

这个餐饮行业的应用，几乎把上面生态模型中的每个模块都涉及到了：手环与餐馆检测系统的交互，属于端端通信，手环上运行的APP，需要从M2M APP Store下载。具体下载哪些餐馆的APP，由消费者通过智能手机控制。手环上的任何一个APP，都需要跟自己的后台进行通信。假设手环上的某个配件（比如某个按钮、甚至RFID等）坏了，需要更换一个新的，这时候手环需要跟终端管理后台进行通信，下载新配件的驱动程序。

上述过程的最核心需求，就是物联网操作系统支持的两大分离特性：应用软件和硬件分离，操作系统内核和硬件设备驱动程序的分离。

在物联网领域，很多情况下，硬件终端的功能比手环简单得多，无需或者无法运行第三方开发的APP。这种场景下，上述架构也可以很好的实现人与物的交互。举例来说，为了实现对环境的实时检测，未来可能会开发很多依靠太阳能供电、无显示屏等外设的“环境监测器”，以公共服务的形式，安装到任何可以安装的地方。用户通过智能手机，可以随时读取这些小玩意儿上的检测数据。这时候，如果是第一次读取某种型号监测器上的数据，则首先用手机上的M2M APP Store客户端软件，扫一下监测器上的二维码，客户端会自动根据二维码中记录的信息，到M2M APP Store上下载一个应用程序。这个应用程序调用蓝牙、Zigbee等无线服务，从监测器上获取数据，然后显示出来。

基于这样的一个物联网生态环境，可以改变很多既有的商业模式，达到更高效率的整体效果。比如下面这张图，说明了这个效果：



如果没有物联网操作系统，那么应用程序提供商（腾讯/阿里等）就需要跟硬件设备提供商进行紧密捆绑，形成联盟。这一个一个的联盟，有点“龙虎结姻”的感觉，强强联合，但又不是一类生物。对消费者来说，也非常麻烦。比如你买了跟阿里结成联盟的家电，那么就必须购买阿里的智能家居服务，即使腾讯做得更好，你也无法更换。但是如果有了物联网操作系统，那么就会打破这种紧密耦合的关系。硬件厂商只需要通过物联网操作系统，把硬件的能力暴露出来即可。互联网厂商只需要开发对应的应用程序，放到M2M APP Store即可。具体怎么组合，由最终用户决定。可能的一种场景是，阿里的家电控制、节能等功能做得很好，而腾讯的用户感知、大数据分析做得更好，用户会在家电上同时安装两个APP，分别获取最好的体验。显然，这在没有物联网操作系统的时候是无法做到的。

还有一个好处，就是让更专业的人，去做更专业的事。互联网公司聚焦做用户体验，硬件厂商聚焦做硬件，God god and Satan unto Satan。

基于这样一个生态环境架构，物联网操作系统的架构大致如下：



通过定义标准的硬件驱动程序接口，实现操作系统内核与硬件驱动程序的分离。通过引入Java虚拟机，并定义基于C语言的标准API接口，实现应用程序与硬件的分离。这与Android的实现思路有雷同的地方，但是也有不同的地方：

1、               物联网操作系统的整体映像尺寸，必须是能够高度伸缩的，以适应硬件资源受限的应用场景。比如既能够适应手环等硬件资源相对丰富的应用场景，也能够适应环境监测器等不是非常智能的应用。具体来说，操作系统的尺寸，应该能够从10几K甚至更小，到数十M的伸缩量级；

2、               除提供Java接口外，物联网操作系统还应该提供标准的C语言接口，以应对高效率、高实时性的应用。比如，物联网终端的生产厂商可以使用C接口，开发针对该硬件的高效应用，第三方企业则可以使用Java接口，开发可广泛移植到同类设备上的应用；

3、               物联网操作系统的驱动程序框架，应该设计的足够灵活和足够兼容性，并能够动态加载和卸载设备驱动程序；

4、               物联网操作系统的版本分支或者变种数量，会非常大。针对每隔行业，甚至每种硬件（比如汽车、冰箱等），都会有一个对应的版本，这需要编译开发工具进行良好的支持。

除此之外，物联网操作系统还有很多其它不同于一般智能操作系统的不同之处，在此不做详细描述。

最后，还是为作者正在主导开发的物联网操作系统Hello China做一番招聘广告。首先说明的是，为了适应不同的文化背景和国际化需求，Hello China这个名字后续要修改为HelloX，其中的X可以代表任何东西。这样就貌似有点打招呼的意思，比如“Hello，car”，“Hello，ring”…，通过这个操作系统，你能够跟任何东西对话，符合物联网的含义。英文的口号是“HelloX,through which you can talk to everything.”。

Hello China操作系统的大部分功能都已实现，后续将向本文描述的物联网生态环境方向做进一步开发。这需要大量的相关人才的参与，不仅仅是操作系统内核的开发人员，更多的是生态环境相关模块的开发人员：

1、               Java开发人员，聚焦Java虚拟机的移植和定制、优化，以及相关Java类库和程序的开发；

2、               M2M APP Store开发人员，基于流行的分布式、大数据等架构，这部分也是整个物联网生态环境的核心；

3、               编译环境的开发和定制，当前基于Eclipse开放环境进行定制；

4、               硬件驱动程序开发人员，基于HelloX操作系统的驱动程序框架，开发各类底层硬件的驱动程序；

5、               操作系统内核优化和开发。

我们已经设计了合理的利益分配制度，相信任何参与的人，只要有实实在在的付出，总会得到意料之外的回报。而且您的有效付出，会立即得到反馈和确认。

同时，物联网是被广泛看好的未来IT发展方向，蕴藏着无数的机会。同时物联网也一定是以软件为主导的行业，这与移动互联网一样，硬件和网络从来都是配角。因此，通过参与物联网操作系统的开发，对准物联网生态环境，直接切入物联网领域的核心，对个人来说，也是非常难得的发展机会。