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XiUOS 简介

背景

XiUOS (X Industry Ubiquitous Operating System) 未名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，来自未名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未名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。

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，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，感 和 联 主要在物联网节点级设备、传感器等设备上实现，知 和 控 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 未名工业物联网操作系统，主要定位于感和联的层次，将感知获得的数据传递给边缘设备和数据中心设备，并具备相当的节点级智能，能对知和控提供一定程度的支持，如下图所示。

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FreeRTOS，Zephyr，RIOT，µC/OS，国内的RT-Thread，LiteOS，AliOS 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。

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:

• 现有OS多关注单个物联网节点设备; XiUOS更关注由多节点设备组成的网络化集群，强调对大规模部署和管理运维的支持；
• 现有OS多关注OS的基础功能，如基本网络连接，传感器接入等; XiUOS更关注基础功能之上的高级业务功能，如将智能化下沉到节点端的智能化感知功能，智能无线自助网络功能等；
• 现有OS力图做多领域通用OS; XiUOS更关注工业物联领域，对复杂工业环境的"感联知控"支持更为专精；
• 现有OS的生态是相对封闭和独立的; XiUOS更关注生态的开放性，强调对标准规范的支持，依托现有的各开源生态体系，而非再建另一个封闭的生态体系。

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。

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

XiUOS的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。

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。在未名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，这种定制化由未名泛在操作系统的核心XUOS Core提供。未名工业物联操作系统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未名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、智、联、控”框架。

• 感: 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。

• 联: 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。

• 智: 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。

• 控: 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。

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。