物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，推動了集成電路產(chǎn)業(yè)、傳感器產(chǎn)業(yè)、自動化產(chǎn)業(yè)、計算機軟件產(chǎn)業(yè)、移動網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，冠以“智慧”之詞的行業(yè)層出不窮，如智慧交通、智慧電網(wǎng)、智慧醫(yī)療、智慧校園、智慧工廠、智慧城市等。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)更是百花齊放，物聯(lián)網(wǎng)工程的復雜性、廣覆蓋性，意味著物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)具有多樣性。統(tǒng)一的、普適的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)是技術“小白”的夢想，是壟斷廠商追求的目標。
概述
物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)有不同于其他操作系統(tǒng)的特點，最主要的是其伸縮性。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的內(nèi)核應該能夠適應各種配置的硬件環(huán)境，從小到幾十KB內(nèi)存的低端嵌入式應用，到高達幾十MB內(nèi)存的復雜應用領域，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核都應該可以適應。同時，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的內(nèi)核應該足夠節(jié)能，確保在一些能源受限的應用下，能夠持續(xù)足夠長的時間。比如，內(nèi)核可以提供硬件休眠機制，包括CPU本身的休眠，以便在物聯(lián)網(wǎng)設備沒有任務處理的時候能夠持續(xù)處于休眠狀態(tài)。在需要處理外部事件時，又能夠快速地喚醒。
物聯(lián)網(wǎng)首先要解決的是“連接”“區(qū)別”“識別”“溝通”和“操作”5大問題，只有這些問題解決了，才能繼續(xù)涉及安全性、易用性、低成本等問題。而傳統(tǒng)的PC操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡操作系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)等均無法有效解決以上問題。
在物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展和水平化轉型的大背景下，運行在資源受限設備之上的操作系統(tǒng)內(nèi)涵也將不斷豐富，例如硬件抽象、安全、協(xié)議連接、互聯(lián)互通和設備管理等。
物聯(lián)網(wǎng)有3個層次：終端應用層、網(wǎng)絡層和感知層。其中最能體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)特征的就是物聯(lián)網(wǎng)的感知層。感知層由各種傳感器、協(xié)議轉換網(wǎng)關、通信網(wǎng)關和智能終端設備組成。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)就是運行在物聯(lián)網(wǎng)終端上，對終端進行控制和管理，并提供統(tǒng)一編程接口的操作系統(tǒng)軟件。
具體來說，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)除具備傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的設備資源管理功能外，還具備下列功能：
●屏蔽物聯(lián)網(wǎng)碎片化的特征，提供統(tǒng)一的編程接口；
●物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境培育；
●降低物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)的成本和時間；
●為物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一管理奠定基礎。
物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)架構正在由原來的垂直沙漏模型向水平模型轉化，從水平化角度看，其發(fā)展趨勢是更重視設備管理和設備連接性，不再拘泥于特定操作系統(tǒng)的功能。如Wind River和ARM都將物聯(lián)網(wǎng)平臺定位在提供連接性和設備管理上。
物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)按工作模式分為實時操作系統(tǒng)和非實時操作系統(tǒng)。
國際上常見的嵌入式操作系統(tǒng)大約有40種，如：Linux、uClinux、WinCE、PalmOS、Symbian、uCOS-II、VxWorks、Nucleus、ThreadX和QNX等。它們基本可以分為兩類：一類是面向控制、通信等領域的實時操作系統(tǒng)，如windriver公司的vxWorks、QNX系統(tǒng)軟件公司的QNX、ATI的Nucleus等；另一類是面向消費電子產(chǎn)品的非實時操作系統(tǒng)，這類產(chǎn)品包括個人數(shù)字助理（PDA）、移動電話、機頂盒、電子書、Webphone等，操作系統(tǒng)有Microsoft的WinCE,3Com的Palm,Google的Android，以及Symbian等。
“實時”的真正含義是指任務的完成時間可確定、可預知。操作系統(tǒng)面對的負載通常是變化的，有時任務少，有時任務多，實時操作系統(tǒng)要求無論負載多少，都必須保證滿足時間要求。
實時操作系統(tǒng)要求的不是運行速度，而是任務執(zhí)行時間的確定性。
物聯(lián)網(wǎng)操作按市場運作模式分為開源操作系統(tǒng)和商用操作系統(tǒng)。
開源操作系統(tǒng)（Open source operating system），是指源代碼公開的操作系統(tǒng)軟件，要遵循開源協(xié)議進行使用、編譯和再發(fā)布。在遵守相關開源協(xié)議的前提下，任何人都可以免費使用，隨意控制軟件的運行方式。開源操作系統(tǒng)最大的特點就是開放源代碼和自由定制，列舉優(yōu)勢如下：
●易理解：開源操作系統(tǒng)源代碼公開，開發(fā)人員更容易查看和理解代碼，獲取相關知識。
●公開透明：操作系統(tǒng)漏洞和缺陷更容易曝光，同時代碼的開發(fā)和維護也是公開的。
●可定制：用戶可以根據(jù)需求，依照不同的硬件平臺和應用場景進行定制。
●低成本：無商業(yè)版權費，節(jié)省了相關開發(fā)管理和人力投入成本。
●可持續(xù)：操作系統(tǒng)開發(fā)公司無法提供后續(xù)服務，依靠開源社區(qū)的開發(fā)人員參與持續(xù)維護系統(tǒng)。
●集思廣益：因為開源操作系統(tǒng)是公開，可以讓更多的開發(fā)者參與開發(fā)，匯集更多的智慧和想法。
對于物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展而言，碎片化是主要的問題，其中，芯片、傳感器、通信協(xié)議、應用場景千差萬別，廠商、學派山頭林立。比如無線通信標準就有藍牙、Wi-Fi、ZigBee、PLC、Z-Wave、RF、Thread、Z-Wave、NFC、UWB、LiFi、NB-IoT和LoRa等。很明顯，技術方案不統(tǒng)一，體系結構不一致，阻礙了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，也局限了互聯(lián)互通的范圍。
各種操作系統(tǒng)可以支持不同的硬件、通信標準和應用場景。開源，有利于打破技術障礙和壁壘，提高互操作性和可移植性，減小開發(fā)成本，同時也適合開源社區(qū)的開發(fā)人員參與進來。
操作系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)中一個十分關鍵的環(huán)節(jié)，開源更助推了物聯(lián)網(wǎng)的開放和發(fā)展。目前，開源操作系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中的應用已經(jīng)十分廣泛，以后也必將在物聯(lián)網(wǎng)中扮演越來越重要的角色。
手機操作系統(tǒng)市場，經(jīng)過多年的市場優(yōu)勝劣汰，Android操作系統(tǒng)因為開源而占市場84%以上的份額，iOS操作系統(tǒng)因為蘋果公司科技領先的優(yōu)勢，占市場份額16%左右，形成兩家獨大的局面，其他手機操作系統(tǒng)基本被市場淘汰。在物聯(lián)網(wǎng)普及初期，由于物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的多樣性和微處理器芯片的多樣性，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)必然呈現(xiàn)出多樣性的特點，而幾年后，經(jīng)過市場風雨的洗禮，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的種類會減少，優(yōu)質(zhì)的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)會存活下來。
另外，商用操作系統(tǒng)需要付費授權才可使用，一般不允許客戶改動操作系統(tǒng)核心編碼。
特點
物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的特點分為3個：連接、協(xié)同、智能。
1．連接
連接是各種各樣的終端設備能夠通過某種網(wǎng)絡技術，連接到一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡上，任何終端之間都可以相互訪問。下一代的基礎通信網(wǎng)絡，包括5G通信技術和網(wǎng)絡架構重構，核心目標是為物聯(lián)網(wǎng)提供泛連接網(wǎng)絡。目前已經(jīng)有很多廠商推出了相應的解決方案，比如Google的thread/wave，華為的Hi-Link，以及NB-IoT等。
傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)連接，都是指物聯(lián)網(wǎng)終端設備與物聯(lián)網(wǎng)云平臺之間的連接；
傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)連接
在這種模式下，物聯(lián)網(wǎng)設備通過各種各樣的連接技術，比如Wi-Fi、Ethernet、BLE和ZigBee等技術，連接到位于云端的物聯(lián)網(wǎng)平臺上。需要注意的是，這僅僅是一個邏輯結構，在物理層面上，物聯(lián)網(wǎng)設備在接入云平臺之前可能需要一個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關。因為很多連接技術是無法直接連接到位于Internet上的物聯(lián)網(wǎng)云平臺的，比如ZigBee、BLE、Z-Wave和NFC等。這些技術的通信范圍是一個小的局域網(wǎng)，比如一個家庭、一間辦公室等。而連入Internet的技術，則往往是Wi-Fi、Ethernet、2G/3G/4G等這類網(wǎng)絡技術，大部分物聯(lián)網(wǎng)設備并不能提供這種連接的能力。因此，需要有一個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關來彌補這個空隙，完成不同技術之間的轉換。如圖4.5所示為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的功能和網(wǎng)絡位置。
含有物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的連接方式
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關具備相對強大的計算能力，具備豐富的網(wǎng)絡接口，同時具備消息或數(shù)據(jù)的匯聚和分解功能。
在這種連接模式下，物聯(lián)網(wǎng)云平臺是所有物聯(lián)網(wǎng)終端設備的大腦，云平臺統(tǒng)一指揮物聯(lián)網(wǎng)終端的行為，如果這種連接一旦斷開，那么物聯(lián)網(wǎng)終端將無所適從，完全失去控制。
更理想的連接，應該是物聯(lián)網(wǎng)設備之間也能實現(xiàn)本地的直接連接:
本地連接方式
物聯(lián)網(wǎng)設備之間也建立連接，同時保留與云平臺的連接。這樣的好處就是，一旦云平臺的連接中斷，物聯(lián)網(wǎng)終端可以采用本地之間的終端連接，繼續(xù)提供服務。同時，物聯(lián)網(wǎng)設備本地之間的交流和通信，直接通過本地連接完成，而不用再上升到云端。
要實現(xiàn)這種“云端連接”加“本地連接”的模型，需要物聯(lián)網(wǎng)設備支持消息中繼功能。即物聯(lián)網(wǎng)設備可以把另外的物聯(lián)網(wǎng)設備消息或數(shù)據(jù)轉發(fā)到云平臺，同時把云平臺下發(fā)的數(shù)據(jù)轉接給另外的物聯(lián)網(wǎng)設備。
2．協(xié)同
協(xié)同是指接入網(wǎng)絡的任何設備之間，能夠通過學習，實時地了解自己和對方的能力與狀態(tài)，能夠根據(jù)特定的輸入條件或者特定的環(huán)境狀態(tài)，多種設備間實現(xiàn)有效互動、協(xié)調(diào)工作，完成某種單一設備無法完成的工作。協(xié)同是物聯(lián)網(wǎng)的核心和本質(zhì)，主要表現(xiàn)在下面幾個方面：
物聯(lián)網(wǎng)設備之間的自動發(fā)現(xiàn)，尤其是不同功能、不同類別的設備的相互發(fā)現(xiàn)。比如在智慧交通領域，汽車靠近信號燈時，應該可以快速發(fā)現(xiàn)信號燈并建立聯(lián)系。這樣，信號燈就可以根據(jù)與自己建立聯(lián)系的汽車數(shù)量，來靈活調(diào)度信號燈的切換時間。
物聯(lián)網(wǎng)設備之間的能力交互。設備之間，只有相互了解對方的能力，了解對方能干什么，才能實現(xiàn)有效的交互和協(xié)同。類似中國人之間的“找關系”，只有知道對方是干什么的，有哪些能力，才會有目的地發(fā)起請求，從而一起協(xié)作互動達到目標。
新增物聯(lián)網(wǎng)成員（設備、功能）的自動傳播。在一個局域網(wǎng)（智慧家庭）中，加入了一個新（成員）的功能設備，這個新的（成員）設備需要盡快地“融入”原有的（網(wǎng)絡組織）設備群之中。新設備有能夠廣播自己的能力，同時原有的設備也可以快速地“理解”新加入的（成員）設備的功能和角色，達到一種統(tǒng)一的新網(wǎng)絡狀態(tài)。
3．智能
智能是指物聯(lián)網(wǎng)設備具備類似于人的智慧，比如根據(jù)特定條件和環(huán)境的自我調(diào)節(jié)能力，能夠通過持續(xù)的學習不斷優(yōu)化和改進，以便更人性化地為人類服務。
物聯(lián)網(wǎng)設備應該具備自我學習能力，能夠通過積累過往的經(jīng)驗或數(shù)據(jù)，對未來進行預判，為人們提供更加智能的服務。這種機器學習的能力，屬于物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的一部分，能夠抽象成一些基本的服務或API，內(nèi)置到內(nèi)核中，提供給應用開發(fā)者或設備開發(fā)者調(diào)用。
機器學習服務不僅是位于終端操作系統(tǒng)中的一段代碼，還應該有一個龐大的云平臺作為支撐。大量的計算和預測功能在云平臺上執(zhí)行，而終端上只是做一些簡單計算和結果的執(zhí)行。這樣終端加云平臺軟件，就形成了一個分布式的計算網(wǎng)格，有效分工，協(xié)同計算，有序執(zhí)行，形成一個支撐物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)。
架構
物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)是支撐物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模發(fā)展的最核心軟件。根據(jù)上面總結的物聯(lián)網(wǎng)的主要特征，結合操作系統(tǒng)的主要功能和分層結構，總結出以下物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)整體架構
物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)整體架構
物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)是由操作系統(tǒng)內(nèi)核、外圍功能組件、物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架、通用智能引擎和集成開發(fā)環(huán)境等幾個大的子系統(tǒng)組成。這些子系統(tǒng)之間相互配合，共同組成一個完整的面向各種各樣物聯(lián)網(wǎng)應用場景的軟件基礎平臺。需要說明的是，這些子系統(tǒng)之間有一定的層次依賴關系，比如外圍功能組件需要依賴于物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核，物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架需要依賴于外圍功能組件，而公共智能引擎，需要依賴于下層的內(nèi)核、外圍功能組件甚至是物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架。
目前主流的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，比如Google的Brillo、Linux開放基金會的Ostro項目，以及HelloX項目，都遵循這種框架。根據(jù)這個框架，我們自下而上解析物聯(lián)網(wǎng)結構如下：
1．系統(tǒng)內(nèi)核
內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心組件，線程、任務管理、內(nèi)存管理、內(nèi)核安全和同步等機制，都是在內(nèi)核中實現(xiàn)的。從功能上說，大部分操作系統(tǒng)的內(nèi)核都相差不大，在功能的實現(xiàn)上，面向不同領域的操作系統(tǒng)，其實現(xiàn)目標和實現(xiàn)技術是不同的。比如對傳統(tǒng)的通用個人計算機操作系統(tǒng)來說，內(nèi)核更加關注用戶交互的響應時間、資源的充分利用、不同應用程序之間的隔離和安全等。
物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核功能結構
物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的內(nèi)核也應該具備嵌入式操作系統(tǒng)的一些特征，比如可預知可計算的外部事件響應時間、可預知中斷響應時間、對多種多樣的外部硬件的控制和管理機制等。當然，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核必須足夠可靠和安全，以滿足物聯(lián)網(wǎng)對安全性的需求。
物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的功能與其他操作系統(tǒng)基本類似，主要包括任務管理、內(nèi)存管理、中斷管理、內(nèi)核同步、安全與權限管理，以及應用管理等。為了確保內(nèi)核的正常運行，也應提供內(nèi)核統(tǒng)計與監(jiān)控功能，即監(jiān)視內(nèi)核的運行狀態(tài)、監(jiān)視內(nèi)核對象的數(shù)量和狀態(tài)等，為維護人員或開發(fā)人員提供故障定位的工具。在每一個內(nèi)核子模塊中，都會通過更加具體的機制或者算法，來滿足物聯(lián)網(wǎng)應用的需求，同時確保內(nèi)核的整體安全性和可靠性。
內(nèi)核也是直接與物理設備打交道的軟件，所有對物理設備的管理，包括物理設備檢測，以及物理設備驅(qū)動程序加載和卸載等功能，都是在內(nèi)核中實現(xiàn)的。為了有效地管理物理設備，內(nèi)核需要定義一套標準的設備管理框架，設備驅(qū)動程序需要遵循這套框架，才能納入內(nèi)核的管理。為了訪問多種多樣的物理設備，內(nèi)核同時也會定義一套叫做硬件抽象層的軟件，這本質(zhì)上是對一些常用硬件操作的抽象，比如讀寫設備配置空間，有的CPU是通過I/O接口來訪問設備空間的，有的則是把設備配置空間直接映射到內(nèi)存空間，通過常規(guī)內(nèi)存訪問來讀取設備配置空間。為了適應這種不同的情況，內(nèi)核一般會定義兩個叫做__device_read和__device_write的宏，根據(jù)設備類型的不同，這些宏定義的實現(xiàn)代碼也會不同，但是對操作系統(tǒng)內(nèi)核和設備驅(qū)動程序來說，只需要調(diào)用這兩個一致的宏，即可對設備配置空間進行訪問。這是典型的硬件抽象層的例子。
除此之外，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的內(nèi)核還提供面向物聯(lián)網(wǎng)應用的常用連接功能，比如對藍牙的支持、對ZigBee的支持和對Wi-Fi的支持等。各類領域應用可以直接利用物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核的這些連接功能，實現(xiàn)最基本的通信需求。
2．外圍組件
物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核只是提供最基本的操作系統(tǒng)功能，供物聯(lián)網(wǎng)應用程序調(diào)用。但只有物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核是遠遠不夠的，在很多情況下，還需要很多其他功能模塊的支持，比如文件系統(tǒng)、TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議棧和數(shù)據(jù)庫等。把這些功能組件從物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核中獨立出來，組成一個獨立的功能系統(tǒng)，稱為外圍組件。
之所以把這些功能組件稱為“外圍”，是因為在很多情況下，這些功能組件都是可選的。在實際的物聯(lián)網(wǎng)應用中，這些外圍組件不會全部用到，大部分情況下用到一個或兩個外圍組件就可以滿足需求了，其他的功能組件必須裁剪掉。在物聯(lián)網(wǎng)應用中，很多情況下的系統(tǒng)硬件資源非常有限，如果保留沒有用到的功能組件，會浪費很多資源。同時，保留一些用不到的組件，會對整個系統(tǒng)帶來安全隱患。這些外圍組件都是針對物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)進行定制和開發(fā)的，與物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核之間的接口非常清晰，具備高度的可裁剪性。
在通用（PC）操作系統(tǒng)中，這些外圍組件的處理方式卻與物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)不同，這些組件會被統(tǒng)一歸類到內(nèi)核中，隨內(nèi)核一起分發(fā)，作為一個整體提供給用戶。即使應用程序不用這些組件，也不能把這些組件裁剪掉。之所以這樣做，是因為通用（PC）操作系統(tǒng)的資源相對豐富，多保留一些功能模塊對整體系統(tǒng)的影響并不大。同時，通用（PC）操作系統(tǒng)的安全性要求相對較低。
物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核和外圍組件結合起來可以解決物聯(lián)網(wǎng)的“連接”需求。這包括內(nèi)核提供的基本物聯(lián)網(wǎng)本地連接（藍牙、ZigBee、NFC和RFID等），以及外圍組件中的TCP/IP協(xié)議棧等提供的復雜網(wǎng)絡連接。
除TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議棧外，常見的外圍組件還包括文件系統(tǒng)、圖形用戶界面（GUI）、安全傳輸協(xié)議、腳本語言執(zhí)行引擎（比如JavaScript語言的執(zhí)行引擎等）、基于TCP/IP協(xié)議的安全傳輸協(xié)議（SSL、SSH等）、C運行庫和在線更新機制（軟件升級、在線更新補丁）等。需要說明的是，TCP/IP協(xié)議棧是面向互聯(lián)網(wǎng)設計的通信協(xié)議棧，由于物聯(lián)網(wǎng)本身特征與互聯(lián)網(wǎng)有很大差異，TCP/IP協(xié)議棧在應用到物聯(lián)網(wǎng)的時候，面臨許多問題和挑戰(zhàn)，需要對TCP/IP協(xié)議棧做一番優(yōu)化和改造。我們把改造之后的TCP/IP協(xié)議棧稱為“面向物聯(lián)網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議”，簡寫為TCP/IP IoT。
物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)外圍功能組件結構
3．物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架
物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)“協(xié)同”功能，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構的組成部分。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的內(nèi)核和外圍組件實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)設備之間的“連接”功能。但是，僅僅實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設備的連接網(wǎng)絡，是遠遠不夠的。物聯(lián)網(wǎng)的精髓在于，物聯(lián)網(wǎng)設備之間能夠相互交互和協(xié)同，使物聯(lián)網(wǎng)設備能夠充分合作，相互協(xié)調(diào)一致，以達到單一物聯(lián)網(wǎng)設備無法完成的功能。物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架，就是為物聯(lián)網(wǎng)設備之間的協(xié)同提供技術支撐。
物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架是一組軟件的集合，由多個功能相互獨立，又相互依賴的軟件模塊組成。比如，Google的Weave物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架，由云平臺組件Weave Cloud、面向設備端的LibWeave及面向智能手機客戶端的Weave Client等組件組成。WeaveCloud是整個框架的中心管理器，所有基于Weave的物聯(lián)網(wǎng)設備，首先都連接到Weave Cloud上，接收Weave Cloud下發(fā)的指令，并向Weave Cloud上報相關數(shù)據(jù)。Weave Client也需通過Weave Cloud來管理和控制基于Weave的物聯(lián)網(wǎng)設備。
物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架包括如下功能：
●物聯(lián)網(wǎng)設備發(fā)現(xiàn)機制。物聯(lián)網(wǎng)設備一般不提供直接的用戶交互界面，需要通過如智能手機或計算機等設備連接，然后對設備進行管理和配置。在物聯(lián)網(wǎng)設備第一次加電并連接網(wǎng)絡之后，智能手機/計算機等如何快速準確地找到這個物聯(lián)網(wǎng)設備，就是物聯(lián)網(wǎng)設備發(fā)現(xiàn)機制要解決的問題。尤其是在物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量眾多、功能多樣的情況下，如何準確快速地發(fā)現(xiàn)和連接到物聯(lián)網(wǎng)設備上，是一個很大的挑戰(zhàn)。設備發(fā)現(xiàn)機制的另外一個應用場景是設備與設備之間的直接交互。比如在同一個局域網(wǎng)內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)設備，可以相互發(fā)現(xiàn)并建立關聯(lián)，在必要的時候能夠直接通信，相互協(xié)作，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設備之間的協(xié)同。
●物聯(lián)網(wǎng)設備的初始化與配置管理，包括設備在第一次使用時的初始化配置、設備的認證和鑒權，以及設備的狀態(tài)管理等。
●物聯(lián)網(wǎng)設備之間的協(xié)同交互，包括物聯(lián)網(wǎng)設備之間的直接通信機制。物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架需要能夠提供一套標準或規(guī)范，使得建立關聯(lián)關系的物聯(lián)網(wǎng)設備之間能夠直接通信，不需要經(jīng)過后臺服務器。
●云端服務。大部分情況下，物聯(lián)網(wǎng)服務需要云端的支持。物聯(lián)網(wǎng)設備要連接到云端平臺上，就需要進行認證和注冊。物聯(lián)網(wǎng)設備在運行期獲取的數(shù)據(jù)，也需要傳送到云端平臺上進行存儲。如果用戶與物聯(lián)網(wǎng)設備距離很遠，無法直接連接，則用戶也需要經(jīng)過云端平臺來間接控制或操作物聯(lián)網(wǎng)設備。物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架至少要定義并實現(xiàn)一套標準的協(xié)議來支撐這些操作。
除此之外，物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架還必須實現(xiàn)一些基本的服務來支撐上述功能。比如，物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架需要定義一套標準的物聯(lián)網(wǎng)設備命名體系，以能夠準確、唯一地標識每一臺物聯(lián)網(wǎng)設備。物聯(lián)網(wǎng)設備之間，以及用戶與物聯(lián)網(wǎng)設備之間，在相互操作之前還必須要完成認證和鑒權，以確保物聯(lián)網(wǎng)的安全。另外一個基礎服務就是標準的物聯(lián)網(wǎng)操作模式。比如在智能家電應用中，用戶可以通過一個標準的Open命令來遠程打開空調(diào)；通過一個Adjust命令來調(diào)節(jié)空調(diào)的溫度。這些標準的命令必須由物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架進行定義才能實現(xiàn)不同廠商、不同類型設備之間的互操作。如果沒有這些標準的操作模式（操作命令），那么要打開A廠商的空調(diào)是Open命令，要打開B廠商的空調(diào)則可能是Turn On命令，這樣就無法實現(xiàn)相互操作。
上述協(xié)同功能和基本服務都是建立在網(wǎng)絡通信基礎之上的，協(xié)同框架還必須實現(xiàn)或者選擇一種合適的網(wǎng)絡通信協(xié)議。物聯(lián)網(wǎng)的特征，要求這種通信協(xié)議盡可能地低功耗和高效率。一些常用的標準協(xié)議，比如CoAP或者MQTT可以承擔這個功能。大部分物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架比如IoTivity，就是基于CoAP協(xié)議的。
物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架結構
我們通過智慧商場的例子，進一步說明物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架的作用。在智慧商場解決方案中，一般都會包括火警探測器與智慧門禁系統(tǒng)。這兩類物聯(lián)網(wǎng)設備在被安裝在商場之前，必須經(jīng)過安全的初始配置，以確保不會被惡意控制。初始配置完成之后，這兩類設備會連接到統(tǒng)一的協(xié)同框架云端系統(tǒng)，并實時更新其狀態(tài)。與此同時，火警探測器也會通過物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架的設備發(fā)現(xiàn)機制與門禁系統(tǒng)建立聯(lián)系，并相互知道自己的存在。一旦火警探測器探測到火警發(fā)生，則會直接告訴門禁系統(tǒng)打開門禁，以方便人們盡快逃生。這種情況下，如果沒有物聯(lián)網(wǎng)設備之間的直接通信功能，所有的通信都需要經(jīng)過后臺系統(tǒng)轉接，那么不但響應時間會增加，更致命的是，一旦與后臺之間的物理網(wǎng)絡中斷，則終端之間將無法實現(xiàn)自動聯(lián)動。這種網(wǎng)絡故障，在火警災難發(fā)生時是最常見的。
為支撐上述機制的有效運行，物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架還必須提供一致的通信協(xié)議和通信技術，物聯(lián)網(wǎng)設備只要遵循這套協(xié)議，就能夠相互識別對方的消息。同時，物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架還必須提供一套唯一的命名規(guī)范，確保任何一個物聯(lián)網(wǎng)終端設備都能獲取到唯一的名字，其他設備能夠通過這個唯一的名字與之交互。同時，這套唯一的命名規(guī)范，最好能夠把物聯(lián)網(wǎng)終端設備的功能也體現(xiàn)出來。這樣物聯(lián)網(wǎng)設備之間通過設備名字，就可以確定其提供的功能，從而做出有針對性的動作。比如上述例子，火警探測器可以命名為Fire alert detector，而門禁系統(tǒng)可以命名為Entrance accesscontrol，這樣這兩者可以通過名字知道對方的功能角色。當然，這只是一個例子，在實際的命名系統(tǒng)中，應該有一套計算機能夠識別的編碼體系。
目前物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)內(nèi)的一些協(xié)同框架，基本都是與物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核獨立的，即這些協(xié)同框架可以被應用在基于任何操作系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)解決方案中，只要這些操作系統(tǒng)能夠提供必要的接口即可。但采取這種方式顯然有其明顯的弊端，那就是無法采用一套統(tǒng)一的代碼，來適應所有的操作系統(tǒng)。比如Google的Waeve，針對Linux和Android等復雜的操作系統(tǒng)，采用C++語言開發(fā)了LibWeave組件。而針對資源受限的嵌入式應用場景，則又采用C語言開發(fā)了uWeave。這樣對物聯(lián)網(wǎng)設備的開發(fā)者來說，就不得不掌握兩套完全迥異的API，了解兩套機理完全不同的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架，顯然無法降低成本。
理想的實現(xiàn)方式是，物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架能夠與物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核緊密綁定，只提供一套API給開發(fā)者，通過物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核本身的伸縮機制，來適應不同的應用場景。比如在沒有Wi-Fi支持的嵌入式場景中，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核會裁剪掉TCP/IP等組件，而采用低功耗藍牙技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。而如果目標硬件配置了Wi-Fi或者Ethernet等網(wǎng)絡接口設備，則會保留TCP/IP協(xié)議棧。不論是哪種形態(tài)，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核都會提供統(tǒng)一的API給物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架使用，即底層的通信機制對物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架是透明的。基于這樣的設計原則，類似Google Weave這樣的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架就無須針對不同的目標硬件設計多套解決方案了，只需要一套就可解決問題。
4．公共智能
引擎通過物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架，可以使物聯(lián)網(wǎng)設備之間建立關聯(lián)，充分協(xié)作，完成單一物聯(lián)網(wǎng)設備無法完成的功能。但是這種協(xié)同的功能，還是局限于事先定義好的邏輯。比如上述智慧商場中火警探測器和門禁系統(tǒng)的例子，必須在領域應用中編寫代碼，告訴火警探測器，一旦發(fā)生火警就告訴門禁系統(tǒng)打開門禁。如果沒有這樣的程序邏輯，火警探測系統(tǒng)是不會通知門禁系統(tǒng)打開門禁的。
如果希望物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)超出預定義的范圍，能夠達到一種自學習的程度，比如最開始火警探測器并不知道在發(fā)生火警時通知門禁系統(tǒng)打開門禁，而是隨著運行時間的增加，逐漸地學習到這種能力。這樣，只有物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架是無法做到的，必須引入智能引擎的支持。
公共智能引擎
物聯(lián)網(wǎng)智能引擎，是指包含了如語音與語義識別、機器學習等功能模塊，以使得物聯(lián)網(wǎng)能夠超出事先定義好的活動規(guī)則，能夠像人一樣具備智慧的能力。在物聯(lián)網(wǎng)智能引擎內(nèi)的功能模塊，都是基礎能力，可以供各種物聯(lián)網(wǎng)應用所調(diào)用。比較典型的例子就是，在物聯(lián)網(wǎng)設備中加入語音識別功能，人們通過自然語言，與物聯(lián)網(wǎng)設備直接對話，以此達到下達指令的目的。
另外一個公共智能引擎中的重要模塊，是DSL語言與其對應的處理引擎。DSL（DomainSpecific Language，領域特定語言）是針對某一種特定的應用領域開發(fā)的編程或操作語言，專門應用于一個相對獨立的領域。這與計算機編程語言不一樣，計算機編程語言大部分都通用，可以為多種應用領域編寫程序。正是因為它的通用性，無法照顧到某一個具體的領域，因此采用通用計算機語言來實現(xiàn)某一個具體領域的應用時就非常麻煩，需要專業(yè)的程序員經(jīng)過復雜的編程工作來實現(xiàn)。DSL語言則是針對某一個很細的功能領域開發(fā)，專門應用于這個特定的領域。這樣就可以針對這個特定的領域建立一些內(nèi)置對象，定義領域特定的動作，并根據(jù)領域的習慣定義領域特有的語法。采用DSL語言來編寫領域應用就非常簡單。
