智慧家庭操作系统关键技术研究

智慧家庭操作系统关键技术研究作者：尹德帅居文军马成东钱学文

来源：《物联网技术》2020年第04期

摘要：智慧家庭操作系统是智慧家庭的核心支撑。文中对物联网/智慧家庭操作系统的行业发展进行了总结，介绍了智慧家庭操作系统对于智慧家庭生态发展带来的价值。通过智慧家庭的业务架构，提出了智慧家庭操作系统应当能够针对不同智能设备支持统一的内核和功能的可裁剪性，并给出了智慧家庭操作系统的技术架构，对智慧家庭操作系统的内核、互联互通、场景管理、设备管理等关键技术进行了详细分析，以期为智慧家庭操作系统的设计与研发提供参考。

关键词：智慧家庭;物联网;操作系统;智能家电;设备管理;大数据

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）04-00-05

0 引言

物联网是新一轮产业革命的重要方向和推动力量，是新一代信息网络技术的高度集成和综合运用。据Gartner预测，到2020年全球联网设备数量将达到250亿个，物联网市场规模达到1.9万亿美元[1]。作为物联网一个重要的垂直应用领域，智慧家庭以家庭为基础，融合物联网、云计算、大数据等新一代信息技术，为消费者提供健康、智能、舒适、安全和充满关爱的家庭生活方式。同时随着互联网业务在消费者市场的繁荣发展以及在整个社会消费升级的趋势下，智能化成为了家电行业互联网转型的重要目标。智能家电的迅速发展也极大地推动着智慧家庭产业的发展和升级。

智慧家庭中存在各种类型的智能设备，包括智能家电、家居设备、安全设备、智能硬件、传感器等，不同类型的智能设备具有不同的处理能力、通信方式和应用场景，这种多元化的软硬件组合使得智慧家庭的设计开发和管理变得非常复杂，“碎片化”已经严重影响了智慧家庭的市场化落地和生态体系建设。纵观PC和智能手机的发展，可以看出操作系统如Windows，Android，iOS等能够屏蔽底层的硬件差异，为上层应用提供统一的开发环境和用户交互体验，是互联网和移动互联网发展的核心驱动力。在智慧家庭中，操作系统能够解决智能设备“碎片化”问题，提供统一、标准化平台，形成互联互通、设备管理、信息安全、人机交互、用户体验、开发环境等集成融合的解决方案，从而满足智慧家庭面临的共性需求，有效促进智慧家庭生态系统的良性发展，推进智慧家庭的应用和普及。

本文针对物联网及智慧家庭操作系统发展的现状进行了调研和分析，总结出智慧家庭操作系统的关键技术，如内核技术、互联互通、設备管理、场景管理、信息安全等，并对这些关键技术进行了深入分析。

1 物联网/智慧家庭操作系统发展现状

物联网感知层的设备更小、功耗更低，需要安全可靠的组网能力;通信层需要支持各种通信协议和协议之间的转换;应用层需具备云计算能力。因此，物联网操作系统应当具有管理物的能力、可裁减和可扩展的架构、泛在互联能力、安全等技术特征[2]。物联网操作系统的发展呈现两种技术路径：

（1）由智能手机操作系统剪裁而来，具备较强的应用能力，同时获得智能手机生态的强大支持;

（2）针对嵌入式操作系统进行功能优化，针对底层硬件平台开发，拥有更高的可靠性和更强的性能表现[3]。

目前行业已经出现了多种为物联网定制的操作系统，如ARM的mbed、谷歌的Android Things、华为的Lite OS等。另外，还有专门为智慧家庭定制的操作系统，如海尔的UHomeOS 等。

1.1 物联网操作系统

本文调研了三种主流的物联网操作系统，分别为ARM mbed OS，Android Things和华为Lite OS。

1.1.1 ARM mbed OS

mbed OS是ARM发布的物联网操作系统，是专为物联网中的“物体”设计的开源嵌入式操作系统[4]。mbed OS基于ARM Cortex-M微控制器，能够支持连接产品所必需的全部功能，可应用于智能城市、智能家庭和穿戴式设备等领域。mbed OS可以提供内核、安全保障、基于标准的通信功能以及针对传感器、I/O设备和连接性开发的驱动程序，能够加快部署产品周期。mbed OS具有模块化软件堆栈，有助于开发者对开发设备进行自定义，以及通过可配置的软件组件来降低设备对于内存的需求。mbed OS在微控制器上运行，是mbed IoT设备平台的客户端部分，与mbed设备连接器、mbed设备服务器和mbed客户端配合使用。mbed OS围绕物联网设备的安全性、连接性、可管理性、效率和生产率这五个核心原则进行设计，基于事件驱动的单线程架构，确保mbed OS可以应用到尺寸最小、成本最低且功耗最低的物联网设备中。

1.1.2 Android Things

Android Things是谷歌于2016年发布的面向智能设备的操作系统，其前身是2015年谷歌发布的物联网平台Brillo，在Brillo的基础上，Android Things加入了Android SDK，Android Studio，Google Play服务以及Google云平台等Android开发工具和服务。熟悉Android的开发者可以轻松进行Android Things应用的开发。Android Things支持谷歌的物联网通信协议Weave，可以让智能设备连接到云端，目前Nest，Hue，SmartThings，LiFX等已经宣布支持Weave，Android Things。Android Things对core Android Framework进行了扩展，通过Things Support Library提供附加的API，使得开发者可以集成各种智能硬件设备，包括不带屏幕的智能设备。Android Things提供了主流的I/O驱动外设接口，可与传感器和执行器通信交互，同时能够支持蓝牙、低功耗无线个域网（Low-Power Wireless Personal Area Networks，LoWPAN）等技术[5]。考虑到Android Things需要使用谷歌的云端服务，因此目前在国内无法顺利使用。

1.1.3 华为Lite OS

华为LiteOS是华为于2015年发布的面向IoT领域构建的轻量级物联网操作系统，遵循BSD-3开源许可协议，可广泛应用于智能家居、个人穿戴、车联网、城市公共服务、制造业等