# XiUOS矽璓工业物联操作系统简介

# 背景

XiUOS (X Industry Ubiquitous Operating System) 矽璓工业物联操作系统是一款面向工业物联场景的泛在操作系统,来自泛在操作系统研究计划。所谓泛在操作系统(UOS: Ubiquitous Operating Systems),是支持互联网时代人机物融合泛在计算应用模式的新型操作系统,是传统操作系统概念的泛化与延伸。在泛在操作系统技术体系中,不同的泛在计算设备和泛在应用场景需要符合各自特性的不同UOS,XiUOS即是面向工业物联场景的一种UOS,主要由一个极简的微型实时操作系统(RTOS)内核和其上的智能工业物联框架构成,支持工业物联网(IIoT: Industrial Internet of Things)应用。

XiUOS诞生于浙江省北京大学信息技术高等研究院,其研发获得了杭州市萧山区政府的大力支持。萧山是浙江乃至中国的制造业重镇,工业基础雄厚,正在谋求传统制造业数字化转型升级、实现新旧动能转换,寻求工业互联网和物联网等信息技术的助力。XiUOS矽璓工业物联操作系统正是在这样的背景下应运而生,希望通过研发的工业物联网软硬件系统为助力,促进先进计算技术和工业场景的深度融合,助推工业企业的数字化转型,是产业应用需求和学术研究计划结合的产物。

关于"矽璓","矽"即硅,"璓"类玉,寓意从沙子到美石的演进升华之路。在开源社区的帮助下,未来矽璓去瑕,玉汝于成。

# 定位

XiUOS是一种工业物联网操作系统,目标是通过工业物联网的部署和应用,促进工业领域人、机、物的深度互联,促进工厂的数字化转型升级,使能智能化工业生产新体系。要实现该目标,工业物联网操作系统需要解决“感、联、知、控“四方面的问题:

  • 感: 复杂多样的工业生产实体智能地识别、感知和采集生产相关数据;
  • 联: 工业数据在互联互通的网络上进行传输和汇聚;
  • 知: 对这些网络化的工业大数据形成快速处理和实效分析;
  • 控: 将数据分析所得到的信息反馈到工业生产中,对生产活动进行改善。

其中, 主要在物联网节点级设备、传感器等设备上实现, 的核心主要在边缘计算设备和数据中心设备上实现。面向物联网节点级设备的 矽璓工业物联操作系统,主要定位于的层次,具备相当的节点级智能,将感知获得的数据传递给边缘设备和数据中心设备,具有对PLC等的控制能力,能对提供支持,如下图所示。

IIoT-OS

# 特色

目前市面上已有非常多成功的物联网操作系统,如国外的FreeRTOSZephyrRIOTµC/OS,国内的RT-ThreadLiteOSAliOS Things等,这些系统多是从实时嵌入式系统(RTOS: Real time OS)发展而来,通常具有非常小巧的实时内核,多运行在资源受限的微控制单元(MCU: Microcontroller Unit)/单片机上,对低功耗有较高要求,常见的处理器为ARM Cortex-M系列。

矽璓工业物联操作系统XiUOS和现有大多数的物联网OS关注点并不相同,具有自己的特色:

  • XiUOS不仅着眼于内核的基础功能,如简单实时的调度,静态内存的预分配与动态内存的碎片合并相结合的机制,任务隔离巧妙耦合硬件体系结构特征的算法;而且更关注基础功能之上的业务驱动的高级功能,如以感知数据本身为中心的传感器驱动方法,以方便用户设备联网的无线网络自动接入功能,在节点端启动图像与声音识别的智能化功能;
  • XiUOS不仅注重于OS本身在多领域的通用性,而且更寻求其在工业物联领域的独特性,将复杂的工业控制流程解耦为多个不可再分的“控制元”,以软件定义的方式对各种“控制元”进行再组合或构造,从而在节点端完成对工业设备的实时控制,满足工业企业的对精准控制的刚需;
  • XiUOS不仅关切单个节点设备本身功能和效用的发挥,而且更聚焦于在大规模工业生产环境中组成的网络化集群,强调对大规模部署和管理运维的支持,强调节点设备群构成的物联体系对工业生产的促进作用;
  • XiUOS吸取现有闭源和开源RTOS在各自细分领域的特征,更加关注生态的开放性,依托并逐步融入现有的主流开源生态体系,形成其在工业领域的重要角色和作用。

此外,XiUOS是软硬件协同的物联网解决方案,提供自研的有特色的硬件系统,支持ARM和RISC-V两种体系结构的处理器,在同一物理终端上同时支持多种通信方式和多种总线接口,可直接部署于工业生产环境,使得工业物联网用户不必关心底层各类硬件的实施细节,从而更加专注于应用逻辑本身的效能。

简而言之,现有物联网OS主要关注的是做优秀的单节点OS,XiUOS是在现有单节点OS的基础上构建面向多节点的网络化智能物联软件栈,为工业物联网领域应用开发、系统部署、管理运维提供友好方案,因此现有物联网OS和XiUOS功能是主要是互补的而非竞争的,如Linux之于Android。

# 设计

# 部署

XiUOS是面向工业领域多节点设备的网络化OS,其部署主要包括节点端的多节点集 群和边缘端/云端的计算设施,如下图所示。

XiUOS Deployment

在节点端,支持多种工厂环境传感设备,既包括基础的环境传感器感知温湿度、烟雾气体、噪音等,也包括智能传感器可对人体、物体、声音进行识别,这些传感器支持多种网络通信互联协议,可以按需自组网络,通过网关设备向外交换数据,实现智能物联框架的“感、联”功能。网关设备对同一个集群中的节点设备进行管理,负责和边缘/云端系统交换数据,并可具备有限的“知、控”功能。

节点端感知的数据经网关传输给边缘/云端系统之后,边缘/云端的工业互联网平台可对汇聚而来的数据进行分析,将有价值的数据在控制中心的大屏、管理人员的移动设备上进行展示,并根据工业应用的业务规则,通知和调度“设备、排程、人员”,对生产过程进行优化,完成“知、控”。

# 结构

节点设备层的XiUOS体系结构如下图所示,主要包括硬件层、系统层、框架层和应用层。

XiUOS Architecture

# 硬件层

硬件层主要是XiUOS支持的处理器、感知器件和通信器件,以及工业领域的可编程逻辑控制器PLC。

  • 处理器: 支持ARM Cortex-M系列和RISC-V架构的处理器,以及FPGA芯片。

  • 通信器: 支持5G/4G/WIFI/BT/NBIoT/LoRa等的网络通信器件。

  • 感知器: 支持工业领域的各种环境感知传感器,如烟雾、气体、噪声、电流电压等,还支持对声音和物体进行感知识别的摄像头、麦克风等音视频设备。

  • 控制器: 主要PLC厂商如西门子、施耐德、欧姆龙、三菱、台达等的PLC系统,XiUOS可从PLC中获取工业生产相关数据。

自主研发的硬件系统对处理器、通信器、感知器提供综合支持,具有如下特点:

  • XiUOS的硬件系统支持RISC-V和ARM两种体系结构,强调RISC-V和ARM在工业应用中的共生共赢,又注重突出各自特点;
  • XiUOS的硬件系统在同一物理实体终端上同时支持 4G、NB-IoT、WiFi、ZigBee、LoRA、BlueTooth、Ethernet,在硬件上天然地使得现有应用能够方便、快捷地“联”结各种网络;
  • XiUOS的硬件系统在同一物理实体终端上同时支持 SPI、IIC、UART、CAN、RS485、RS232、USB、SDIO等总线接口,在硬件上天然地满足工业物联网对外设多样性的需求;
  • XiUOS的硬件系统能够直接部署于工业生产环境中,而非验证性的开发板评估板。

XiUOS硬件系统中的处理器、通信器、传感器、控制器采用解耦的模块化设计,利于XiUOS操作系统方便地通过软件定义的方式屏蔽各种硬件外设的差异,使得工业物联网用户不必关心底层硬件的实施细节,从而更加专注于应用逻辑本身的效能。

# 系统层

系统层主要完成单节点的系统管理功能,包括基本的内存管理、调度管理、设备管理等。在泛在操作系统研究计划中,不同应用场景的UOS系统层能力可以是不同的,主要体现在内核可以根据应用场景的需求进行定制化,甚至可以有不同的内核,这种定制化由泛在操作系统核心XUOS Core提供。矽璓工业物联操作系统XiUOS遵循该设计和理念,其系统层--面向工业物联场景的泛在操作系统核心(XUOS Core for IIoT)--的内核(Kernel)理论上可以有多种选择,如自研的XiUOS微内核,对POSIX规范支持较完善的实时操作系统NuttX,国内非常具有影响力的RT-Thread等。

目前XiUOS的应用框架主要在NuttX和RT-Thread这两款相对而言POSIX较友好、发展较成熟的开源RTOS上开展实验和设计,这可以最大化地复用开源社区的优秀成果,特别是各种硬件驱动。

自研XiUOS微内核的研发也在进行中,一些新的算法和新的设计将主要在自研内核中进行探索和验证。

系统层为上层框架支持尽可能符合POSIX规范的API。

# 框架层

框架层是XiUOS矽璓工业物联操作系统的关键部分。

框架层是面向工业物联场景进行设计的,也可用于有相似需求的智慧城市、智能农场/仓储等场景,核心是“感、联、控、智”框架。

  • : 传感框架的主要任务是简化传感器的驱动、控制和数据管理。

    传感器多种多样,包括简单的温度、湿度、气压、噪音、污染物、电流电压等传感器,还有复杂的摄像头、麦克风等,这些传感器首先要能方便地接入到系统中,XiUOS提供方便的IIC、UART 等接口驱动,方便接入新传感器。

    每种传感器在底层使用上都有区别,为了简化编程,XiUOS设计了统一的传感器编程模型,提供统一的面向数据的编程抽象,屏蔽底层设备的使用差异,开发者只需要使用 open/write/ioctl/等接口就可以对各种传感器进行操作和开发。

    传感器种类多样,读取的数据格式也是多种多样,XiUOS对传感器数据进行了抽象,对主流的传感器数据可完成自动的解析及结构化。对于开发者添加的新传感器,提供方便的解析库以及数据结构化规范,方便开发者进行数据解析和管理。

  • : 互联框架的主要任务是提供网络互联能力,尤其是复杂环境下的无线自组网能力。

    基本的网络互联支持包括提供各种网络协议栈和消息通信库。协议栈包括 TCP/IP、NB-IoT、LoRa等的软件栈支持,方便开发者开发通信功能。此外,还提供丰富便捷的消息通信组件,包括 MQTT、CoAP 等常用IoT 通信库。

    XiUOS支持节点自组织网络,不需要手工配置,可极大简化工厂、野外等复杂环境下的部署和管理。

  • : 控制框架的主要任务是提供控制能力,包括告警和设备监测与控制。XiUOS提供对 PLC 的数据采集库,支持从PLC采集数据,可对设备进行实时监控和远程控制。

  • : 智能框架是XiUOS的一个特色,将智能识别和分析能力下沉到物联网节点设备上(通常为带加速器的ARM Cortex-M/A 或 RISC-V处理器),使之在节点端即可实时对声音、物体、人体、缺陷模式等进行识别,大大拓展物联网节点的应用范围,内容包括AI算法加速库、微型AI引擎等。

    AI算法加速库提供工业物联网方面的常用 AI 模型,比如仪表盘识别模型等。微型AI引擎提供运行系统,如TensorFlow Lite for IoT,方便开发者开发常用AI算法。此外,还根据处理器和加速器的具体情况,提供加速器驱动,来高效利用节点端算力。

XiUOS框架层还提供一些重要的共性基础设施,包括C/C++基础库、MicroPython脚本引擎、轻量级实时数据库、安全系统、在线更新OTA等。

# 路线图

XiUOS 将整体开源发布,采用木兰协议。XiUSO的具体开放路线采取逐步开放的方式,按照研发的成熟度分期分批发布系统的各个部分。

Last Updated: 4/29/2021, 10:52:52 AM