杜圣东基于Android的物联网智能终端操作系统核心技术.doc

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1、基于Android的物联网智能终端操作系统核心技术研究杜圣东2010年12月 一、引言Windows操作系统统领PC时代近30年，Linux操作系统更是支撑起了高速稳定的互联网时代。从现在已经是步入发展快车道的移动互联网走到即将到来的全面物联网（Internet of Things）时代，是否拥有自主知识产权的智能终端操作系统，对我国物联网战略及信息安全来讲，十分关键。如果用人体来比做物联网，那我们的眼睛、鼻子、耳朵、皮肤就是信息传感设备；触觉神经元链接系统就是高速网络；大脑自然就是后端海量数据中心里负责做任务处理、分析、反馈的服务器集群。下面的物联网定义是当前大部分学者普遍认同的观点:通过射

2、频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统(GPS)、激光扫描器等信息传感和采集设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。自从2008年初谷歌对Android这款轻量级的移动操作系统进行开源以来，吸引了摩托罗拉、高通、LG、三星、华为、HTC、思科、中国移动等制造商和运营商加盟研发和推广。谷歌把移动智能手机终端作为切入点，来引领其整合全球信息的战略，也是基于对下一代信息技术革命大趋势的把握。至今，搭载android系统的终端每天出货量超80万部。从2009年一款实现了可测量血压并实时传输个人记录到医院中心系统的An

3、droid终端面世开始，接下来还出现了可以作为车载导航的Android终端，可以扫描二维码、控制微波炉冰箱、可以控制机顶盒的Android终端。从中可以看出，Android不只是款手机操作系统，谷歌大力推广Android系统也不只是收广告费那么简单，而是其一直在引领和推动物联网的实实在在的应用和发展。如果说我们还在为物联网是什么、该怎么制定标准而争吵。那很可能在下一个信息10年，我国的信息战略要经受的不只是被微软追讨版权这么简单。因为物联网时代不仅仅是信息技术的革命：PC和互联网时代，机器是机器，人是人，通过灾备、防病毒等，对我们的影响谈不上深远；而在人和生产环境、生活环境、甚至是军事设施等物

4、理环境进行大融合或局部融合（类似于公有云、私有云概念）的物联网时代，终端操作系统受制于人，是难以想象的这也是为什么要开展物联网终端操作系统研究，而且具有必要性和紧迫性。以物联网最早的应用领域物流工程为例。嵌入标签的货物从识别、装箱、发货、运输到签收等每一个环节都可以在互联网上和物流中心系统进行查询和监控。但物流行业应用现状是，RFID扫读器、中心系统设备、GPS定位系统、GIS导航系统、仓储管理系统等这一系列的设备和软件并没有完成真正意义上的物连和互通，各环节之间或孤立或联系不紧密。后端物流行业大数据中心建立起来并不难，难点在于还没有很好的办法对前端各类设备和应用软件进行整合，过于分散的模式使

5、得资源冗余浪费、成本太高且物流过程难以一体化管控。这也是本文提出基于Android的工业级物联网智能终端操作系统，来作为物联网前端中继节点这种设计思路的目的所在。二、针对问题提出初步研究框架及思路现有物联网定义中“按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来”这种说法很宽泛，没有阐明一种具体可行的应用模式和解决方案。本文提出一种更深入的广义物联网概念，那就是代表我们眼睛、鼻子耳朵的信息传感设备把采集到的信息直接推送到高速网络之前，需要经过一定的集中过滤处理或轻量级的实时数据分析和反馈处理。这个环节是通过一个智能终端操作系统（好比物联网小脑）来完成的。本文中的物联网终端不是传统物联网范畴中定义的各类

6、分散的、自成一体的终端设备（比如红外感应终端、RFID扫读器终端等），而是对各类好比神经末梢的终端感应采集点进行整合，集中互联、管控的具有操作系统特性的一体化终端系统，主要具有如下核心功能：（1）根据标准协议与周围感应设备和采集点进行集中的指令和数据交互（2）根据标准接口和协议通过互联网或移动通信网与后端数据中心互联互通，来完成任务提交、分发、调度和物体识别、管控等功能，同时满足部分轻量级任务现场实时处理的功能需求。通过这种物联网后端和终端设计架构，能有效利用带宽，提高响应效率，优化物联网整体规划、设计和组织管理。当然这个物联网终端操作系统相对于进行海量数据处理和应用服务分析的后端系统来讲，应

7、该是轻量级的，并具有移动便携性（比如物流过程中的随车终端，集GPS定位、GIS导航、装卸货品扫描、与物流中心主系统对接进行任务提交、数据共享、移动办公等功能的一体化物流物联网终端设备）和快速定制性（比如在家庭应用中，集实时病人血压检测，人工心脏监控，医院主系统对接进行病情记录等功能的一体化远程医疗物联网终端设备，可通过硬件和软件模块化定制装卸的方式，快速转变为能够进行物品扫描和GPS定位的物流物联网终端设备）特点。要支持上述多个典型物联网行业应用的终端操作系统，其架构应该是高度抽象化和通用的。区别于传统的PC操作系统和专业性很强的嵌入式系统，本文提出的物联网智能终端操作系统具有如下特点：（1）

8、轻量级特点：传统PC操作系统架构复杂，需要较高性能的硬件配置和系统内核处理能力。传统嵌入式系统专业应用领域过于细分，硬件和软件具有行业定制高度相关等特点，其扩展性、通用性有限。物联网智能终端操作系统只是起到一个中继节点的功能，复杂的数据处理和分析在物联网后端进行，相比传统的PC系统更轻量级；但这个物联网中继节点的功能相比传统嵌入式系统更强大、更通用，行业相关性程度小以便于扩展。（2）移动便携性特点：传统PC操作系统一般作为家用或服务器配置，通过有线或局域无线上网。传统嵌入式系统一般也是内嵌或固定放置，对某一细分的专业领域提供支持物联网智能终端操作系统应该是随处可配置的，家居、车载、交通运输工具

9、等随处可挂载，这个中继点对局部范围“物”的扫描、识别、采集和数据初步处理之后，再通过移动通信网（或传统互联网、VPN）与物联网后端大数据中心进行交互。（3）通用性特点：传统PC应用范围有限，或只限于通常的家用和办公功能；嵌入式系统或只限于灯光控制、导弹控制等精细专业的应用领域。而物联网智能终端操作系统架构需进行高度抽象化；通过定义好的标准协议与传感信息设备进行数据和指令互通，并作为物联网中继节点与后端数据中心交互，通过这种标准化方式可扩展到任何行业进行应用；（4）快速定制性特点：通过内置硬件模块化可插拔，软件模块化可装卸的方式，可以让一款医疗物联终端设备很快变成一款能扫描货品的物流物联终端设备

10、，而做到这一切就像在windows系统上安装网卡设备、驱动和拨号软件后立刻上网这样便捷。通过上述的分析，工业级物联网智能终端操作系统在整个物联网规划、设计、布局和组织管理中的地位十分关键。谷歌的策略更是在加速这个行业的发展，可喜的是国内如华为、联想、中兴这些大厂都已经着手对谷歌Android操作系统进行深入的研究，而将来这个移动操作系统会不断地演化和扩展，引领真正的物联网时代。三、核心研究内容要开展基于Android的工业级物联网智能终端操作系统研究，需要对如下关键问题进行分析和提出解决方案：（1）物联网智能中间件研究：针对上文中的通用性和轻量级特性要求，智能终端操作系统可以理解为整个物联网架

11、构前端中的轻量级中间件。在不同的空间和应用环境，集中联系和管控无所不在的信息传感、采集设备，结合可识别的物的特点，对各种感知和采集到的数据进行现场实时轻量级的分析，或通过互联网、移动通信网提交到物联网后端数据中心进行处理。如何让Android操作系统具有上述特性，拥有与物联网传感设备进行标准化的数据和指令交互功能、与后端数据中心进行互联互通的功能，需要对Android的系统结构和协议栈进行深入研究和改进。（2）DavikVM虚拟机研究和优化：Davik Virtual Machine虚拟机是整个Android操作系统的核心，也是性能优化的关键。系统核心函数库中的组件，大部分已经是业界标准（如S

12、SL）或约定成俗的标准（如WebKit、SQLite）；软件应用层则由广大软件商进行扩展，应用层框架及核心组件库会持续通过新开发应用的加入而增长、强化，这些都不是研究的重点。而DalvikVM虚拟机则是一个专为嵌入式设备打造的JAVA虚拟机，它不同于传统的JAVA虚拟机(JVM)，DalvikVM拥有自己的高度优化的code-byte格式，可以初步保证在嵌入式设备上高效运行。但要达到类似物联网应用的工业标准，如何进一步提高其性能和稳定性，是需要深入研究的课题。（3）软硬件整合研究：Android的底层驱动在传统的诸多 Linux嵌入式应用上早有实现。但要满足本文所阐述的物联网终端系统便携性和通

13、用性特点，需要对硬件层、驱动层、操作系统内核层进行进一步的抽象和提炼，并对现有的软硬件整合流程进行改造（应用层不能直接访问硬件、通过JNI与底层C/C+库交互、多硬件厂商驱动程序非开源情况下怎么维护驱动库，类似这些问题可能需要改进），使其系统结构达到满足硬件及软件模块化、构件化、可插拔的使用要求。（4）行业应用示范及推广：物联网作为继PC、互联网之后的世界信息产业第三次浪潮，关注和炒作不可谓不火爆。但涉及到某个具体的应用领域，具体应用的物连网前后端设计，具体应用的原型系统实现等等方面，业界却鲜有实用的提法和方案。没有切实可行的行业解决方案，和迟迟提不出来的物联网技术标准是推进物联网战略的最大障

14、碍。这个障碍只有靠在某个需求最大最贴近物联网原始概念的行业进行规模试验和推广，而物流工程领域是示范应用的首选。四、结语任何高科技如果只给大家勾勒出一个美丽的童话而迟迟不能变成现实的话，那么多先进的技术都失去了意义。物联网目前只是一些小范围的试验，而且多半是没有创新地对已有RFID扫描、传感等设备的堆砌和原有技术的应用，远未达到真正意义上的物连网高度和大规模应用的程度。国外3000元左右Android手机，华为能用900元人民币做出来，性能虽然有一定损失，但可见其耗能和成本不是根本原因。没有切实可行的行业解决方案，和迟迟提不出来的物联网技术及协议标准才是最大的障碍。这个障碍只有靠在类似物流工程这

15、样最贴近物联网原始概念的领域进行行业推广和大规模试验，在对物流工程领域进行行业资源整合及物联网应用部署，并切实解决问题的过程中，才能提炼出最有效的物联网标准，和最具实用意义和价值行业扩展性物联网解决方案。【备注】（1）物联网后端：不管是公有云、私有云还是SAAS、ASP模式，作为物联网或云的后端处理中心，其组织形式和功能相似-提供海量数据处理、海量应用服务的服务器网格或集群（类似于提供公共云服务的谷歌机器农场；提供私有云服务的电信、银行等关键行业后端服务器集群环境）。（2）物联网前端中继节点：物联网前端感应、数据采集点数量庞大，但好比人体神经末梢的每个采集点信息量很小，如何把局部范围内的一系列感应采集设备集中联系并管理起来是迫切需要解决的问题。物联前端中继节点将是物联网系统架构中必不可少的关键环节，它具有如下功能：a.根据标准协议与周围感应设备和采集点进行集中的指令和数据交互b.根据标准接口和协议通过互联网或移动通信网与后端数据中心互联互通，来完成任务提交、分发、调度和物体识别、管控等功能，同时满足部分轻量级任务现场实时处理的功能需求。（3）物联网终端：本文提出的区别于传统分散型各类已有终端设备，而是对其进行整合的具有物联网前端中继节点功能的、具有操作系统特性的物联网一体化终端管理设备集成系统。