用于物联网的操作系统及物联网终端设备

摘要

本发明提出了一种用于物联网的操作系统及物联网终端设备，包括：BSP层子系统与多个硬件平台相适配，用于初始化操作系统内核的环境；kernel层子系统与BSP层子系统相连，用于对BSP层子系统提供的移植接口和文件系统用进行管理；服务层子系统在kernel层子系统的管理下，对程序应用提供远程无感知升级服务，设置基于物联网的专属IPv6协议；第三方开源库子系向kernel层子系统和服务层子系统提供运行过程中采用的数据库和安全算法。本发明在SUB?GHZ、2.4G等无线频段上实现IPv6技术，提供远程无感知升级服务、支持基于ELPLUS IPv6协议的室内定位服务、云接入服务和传感器服务。

说明书

技术领域

本发明涉及物联网及网络通信技术领域，特别涉及一种用于物联网的操作系统及物联网终端设备。

背景技术

当前应用到智能设备端的操作系统多种多样，例如ucos，linux，vxworks，tinyOS，contiki等系统。这些操作系统仍然按照传统思维，仅提供系统层面的功能，例如多线程、存储管理、I/O管理、文件管理、网络通信。但是在物联网领域，更需要一种可定制、可以提供更多服务的操作系统，满足日益复杂化的物联网智能设备的需要。

专利(申请号：201310325297.4；名称：物联网的网络操作系统装置及方法)提出了一种物联网的网络拓扑结构、操作装置和操作方法，可以对物联网中的各设备和多个设备构成的虚拟智能设备实现联合检测和联合控制的智能业务按照优先级别进行精准操控。但是，该技术方案仍没有给出一种适于物联网的操作系统及相应的通信协议，并且缺乏外部服务业务的扩展。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种用于物联网的操作系统及物联网终端设备，在SUB-GHZ、2.4G等无线频段上实现IPv6技术，提供远程无感知升级服务、支持基于ELPLUSIPv6协议的室内定位服务、云接入服务和传感器服务。

为了实现上述目的，本发明一方面的实施例提供一种用于物联网的操作系统，包括：板级支持包BSP层子系统、操作系统内核kernel层子系统、服务层子系统和第三方开源库子系统，其中，

所述BSP层子系统与多个硬件平台相适配，用于初始化操作系统内核的环境，建立文件系统，向下层的所述硬件平台提供移植接口，并向上层的所述操作系统内核kernel层子系统屏蔽所述硬件平台的信息；

所述kernel层子系统与所述BSP层子系统相连，用于对所述BSP层子系统提供的移植接口和文件系统用进行管理，以及对操作系统的任务和存储数据进行管理；

所述服务层子系统与所述kernel层子系统和外部的程序应用相连，用于在所述kernel层子系统的管理下，对所述程序应用提供远程无感知升级服务，并通过云接入接口与外部的云平台相连，以提供云接入服务，以及设置基于物联网的专属IPv6协议，通过所述基于物联网的专属IPv6协议与外部的物联网终端进行通信；

所述第三方开源库子系统与所述kernel层子系统和所述服务层子系统相连，用于向所述kernel层子系统和所述服务层子系统提供运行过程中采用的数据库和安全算法。

进一步，所述BSP层子系统提供的移植接口包括：I/O接口、射频RF接口。

进一步，所述服务层子系统对所述程序应用提供远程无感知升级服务，包括：

所述服务层子系统通过云接入接口向云平台上报物联网终端的类型和版本号；

所述云平台读取所述当前物联网终端的类型和版本号并存储至本地，并定时从所述物联网终端的厂商服务器获取最新版本号，并根据所述当前物联网终端的类型判断本地存储的对应版本号是否为所述最新版本号，如果不是，则通过所述云接入接口向所述服务层子系统发送应用程序更新命令；

所述服务层子系统在接收到所述应用程序更新命令后，从所述云平台下载最新版本号对应的应用程序升级文件，存储至所述BSP层子系统的文件系统中，由所述kernel层子系统对所述文件系统中的应用程序升级文件进行完整性校验，并在校验成功后，由所述服务层子系统将所述应用程序升级文件写入对应的程序应用中，以对所述程序应用进行升级。

进一步，所述kernel层子系统采用循环校验码CRC方式对所述应用程序升级文件进行完整性校验。

进一步，所述服务层子系统还用于采用基于物联网的专属IPv6协议与外部的物联网终端设备进行通信，获取当前物联网终端与外部的每个物联网终端之间通信的信号强度，根据所述信号强度解算出当前物联网终端与外部的每个物联网终端的相对位置，对所述当前物联网终端的地理位置进行定位。

进一步，所述基于物联网的专属IPv6协议包括：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，其中，

所述物理层和所述数据链路层采用IEEE802.15.4标准；

所述网络层采用低速无线个人域网LoWPAN和IPv6协议标准；

所述传输层采用用户数据协议UDP和传输控制协议TCP协议标准；

所述应用层采用消息队列遥测传输MQTT协议标准。

进一步，所述服务层子系统进一步接收物联网终端设备内的多个传感器采集的环境监测数据，包括：所述服务层子系统通过预设传感器接口接收所述多个传感器返回的环境监测数据，将所述环境监测数据存储至本地的物联网终端设备内，以及通过云接入接口推送至远程的云平台，由所述云平台提供给其他终端设备。

进一步，所述环境监测数据包括：温湿度数据、气体数据、PM2.5浓度数据、水质监测数据、红外信号监测数据、光照强度数据和紫外线强度数据。

进一步，所述第三方开源库子系统提供的安全算法包括数据加密标准DES算法、高级加密标准AES算法和公钥加密算法RSA算法。

根据本发明实施例的用于物联网的操作系统，采用板级支持包BSP层、操作系统内核kernel层、服务层的三层结构，通过在BSP层提供的RF接口，可以在SUB-GHZ、2.4G等无线频段上实现IPv6技术，网络设备的穿透性更强，传输更远，在空间结构更复杂，网络设备距离更远的地方尤为适用。在服务层设计基于物联网的专属IPv6协议，增加对IPv6的支持，网路结构更灵活，网络容量更大。在基于物联网的专属IPv6协的应用层采用标准MQTT协议，统一了应用层的标准，更容易的应用开发和更好的开放性。服务层提供远程无感知升级服务、支持基于ELPLUSIPv6协议的室内定位服务、云接入服务和传感器服务。本发明采用模块化的设计可以根据智能硬件的需求，来定制操作系统可以提供的各种服务。

本发明另一方面的实施例提出一种物联网终端设备，该物联网终端设备采用上述实施例提供的用于物联网的操作系统。

根据本发明实施例的物联网终端设备，内置用于物联网的操作系统，该系统可以在SUB-GHZ、2.4G等无线频段上实现IPv6技术，网络设备的穿透性更强，传输更远，在空间结构更复杂，网络设备距离更远的地方尤为适用。在服务层设计基于物联网的专属IPv6协议，增加对IPv6的支持，网路结构更灵活，网络容量更大。在基于物联网的专属IPv6协的应用层采用标准MQTT协议，统一了应用层的标准，更容易的应用开发和更好的开放性。服务层提供远程无感知升级服务、支持基于ELPLUSIPv6协议的室内定位服务、云接入服务和传感器服务。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的用于物联网的操作系统(ELPLUS)的结构图；

图2为根据本发明实施例的用于物联网的操作系统(ELPLUS)的架构图；

图3为根据本发明实施例的远程无感知升级的示意图；

图4为根据本发明实施例的OSI参考模型及BLE和Zigbee协议层的示意图；

图5为根据本发明实施例的ELPLUSIPv6与OSI对应关系的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例的用于物联网的操作系统，包括：板级支持包BSP层子系统1、操作系统内核kernel层子系统2、服务层子系统3和第三方开源库子系统4。

具体地，BSP层子系统1与多个硬件平台5相适配，用于初始化操作系统内核的环境，建立文件系统，向下层的硬件平台5提供移植接口，并向上层的kernel层子系统2屏蔽硬件平台的细节信息，可以适配到不同的硬件平台上。

参考图2，BSP层子系统1采用Bootloader引导程序，这是整个操作系统最先执行的部分，用于初始化时钟、存储器等，可以为后续操作系统内核的运行提供合适的环境。

在本发明的一个实施例中，BSP层子系统1可以提供的移植接口包括：I/O接口、射频RF接口。其中，I/O接口为具体的硬件接口，通过I/O接口与硬件平台进行通信。底层的硬件平台可以通过射频RF接口与BSP层子系统1进行数据传输，可以工作在SUB-GHZ、2.4G等频段上工作。

BSP层子系统1建立文件系统，对各个程序应用均采用文件系统的管理方式，方便应用的维护和升级。

kernel层子系统2与BSP层子系统1相连，用于对BSP层子系统1提供的移植接口和文件系统用进行管理，以及对操作系统的任务和存储数据进行管理。例如，kernel层子系统2可以实现度I/O接口进行管理。

服务层子系统3与kernel层子系统2和外部的程序应用相连，用于在kernel层子系统2的管理下，对程序应用提供远程无感知升级服务，并通过云接入接口(网关)与外部的云平台相连，以提供一站式云接入服务，提高开发速度。

服务层子系统3设置基于物联网的专属IPv6(ELPLUSIPv6)协议，通过基于物联网的专属IPv6协议与外部的物联网终端进行通信。

图3为根据本发明实施例的远程无感知升级的示意图。其中，物联网终端设备A、物联网终端设备B、物联网终端设备C和物联网终端设备D均通过网关与云平台进行通信。其中，物联网终端设备A～D均安装有本发明的用于物联网的操作系统。

具体地，每个物联网终端设备上电后，由服务层子系统3对程序应用提供远程无感知升级服务，包括：服务层子系统3通过云接入接口(网关)向云平台上报物联网终端的类型(type)和版本号(version)。终端程序管理器负责管理物联网终端设备的应用程序，云平台读取物联网终端设备的类型和版本号，然后存储至终端管理器。需要说明的是，终端管理器内存储有多个类型的物联网终端的类型号和版本号。

此外，云平台会定时从物联网终端设备的厂商服务器获取该物联网终端的最新版本号。然后，云平台根据存储至本地的物联网终端的类型，来判断该类型对应的版本号与最近一次从厂商服务器读取的最新版本号是否一致，如果不是，则表示物联网终端设备的版本不是最新版本，需要更新，通过云接入接口向服务层子系统3发送应用程序更新命令。

具体地，云平台在发现终端管理器内的最新版本号和当前物联网终端对应的版本号不同时，并且终端管理器的版本号的数值更大，判断当前版本号不是最新版本号，需要对相应的终端程序进行升级更新。云平台通过云接入接口向服务层子系统3发送应用程序更新命令。

云平台首先对终端管理器发起升级命令，从终端管理器下载加入CRC校验的应用程序，然后对当前物联网终端发起应用程序更新命令。

服务层子系统3在接收到应用程序更新命令后，从云平台下载最新版本号对应的应用程序升级文件，存储至BSP层子系统1的文件系统中。由kernel层子系统2对文件系统中的应用程序升级文件进行完整性校验，并在校验成功后，删除旧版本的应用程序，向云平台发送升级成功提示，自身复位应用程序，并发送类型和版本号。由服务层子系统3将应用程序升级文件写入对应的程序应用中，以对程序应用进行升级。

在本发明的一个实施例中，kernel层子系统2可以采用循环校验码CRC方式对应用程序升级文件进行完整性校验。

如果验证不成功，则通知云平台升级失败，并删除下载的不完整的应用程序文件。云平台接收到该升级失败通知后，将再次发起升级操作，直到成功下载为止。

本发明提供远程无感知升级的功能，支持操作系统及应用的远程升级，为了用户无感知的升级，增强了用户体验。

进一步，服务层子系统3还用于采用基于物联网的专属IPv6协议与外部的物联网终端设备进行通信，获取当前物联网终端设备与外部的每个物联网终端之间通信的信号强度，根据信号强度解算出当前物联网终端与外部的每个物联网终端的相对位置，对当前物联网终端的地理位置进行定位。

当前物联网领域常用的短距离通信协议包括Zigbee、WiFi、蓝牙BLE这三种协议通常都工作在2.4G的无线技术，因此其传输距离和穿透能力都受到了一定的限制，同时同样的工作频率也容易引起彼此间的干扰。如图4所示，Zigbee和BLE协议都只定义到开放系统互连参考模型(OpenSystemInterconnect，OSI)的最下面的物理层和链路层，没有网络层的支持、组网节点数量有限且组网方式不灵活。WiFi虽然定义了物理层、链路层、网络层和传输层，组网灵活。但是WiFi的功耗较高，不适合电池供电的物联网节点。三种协议都没有统一的应用层的支持，应用程序只能采用私有的通信协议，造成开发不方便。

针对以上物联网短距离通信协议存在的问题，本发明提出一种低功耗、远距离、易组网、网络容量大、公有应用协议的ELPLUSIPv6的通信技术。

下面参考图5对基于物联网的专属IPv6(ELPLUSIPv6)协议进行说明。

基于物联网的专属IPv6协议包括：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。

物理层和数据链路层采用IEEE802.15.4标准，IEEE802.15.4标准专门针对电池供电的网络设备设计的标准，具有低功耗和低数据率的特点。ELPLUSIPv6协议选择SUB-GHZ,2.4G等频段的RF制式。

网络层采用低速无线个人域网LoWPAN和IPv6协议标准，采用6LoWPAN标准实现。传输层采用用户数据协议UDP和传输控制协议TCP协议标准；

应用层采用MQTT(MessageQueuingTelemetryTransport，消息队列遥测传输)协议标准实现。

需要说明的是，服务层子系统3进一步接收物联网终端设备内的多个传感器采集的环境监测数据，包括：服务层子系统3通过预设传感器接口接收多个传感器返回的环境监测数据。需要说明的是，服务层子系统3在接收到环境监测数据后，分别将环境监测数据存储至本地和推送至云端。

具体地，服务层子系统3将环境监测数据通过云接入接口发送至远程的云平台，以及将环境监测数据存储至本地的物联网终端设备内，以供后续用户查看分析使用。服务层子系统3进一步通过云接入接口推送至远程的云平台，由云平台提供给其他终端设备，例如：手机或平板电脑上。从而，其他终端设备可以通过云平台共享该环境监测数据。

优选的，环境监测数据包括：温湿度数据、气体数据、PM2.5浓度数据、水质监测数据、红外信号监测数据、光照强度数据和紫外线强度数据。需要说明的是，环境监测数据不限于上述举例，还可以为外部环境需要监测的其他环境数据，可根据用户的需求设置对应的传感器进行采集监测，在此不再赘述。

第三方开源库子系统4与kernel层子系统2和服务层子系统3相连，用于向kernel层子系统2和服务层子系统3提供运行过程中采用的数据库SQLite和安全算法，方便应用的开发。

在本发明的一个实施例中，第三方开源库子系统4可以提供的安全算法包括数据加密标准DES算法、高级加密标准AES算法和公钥加密算法RSA算法等。

本发明通过第三方开源库子系统提供对数据库及安全算法的支持，免除开发过程中在需要的时候，由开发者整合资源的麻烦。

根据本发明实施例的用于物联网的操作系统，采用板级支持包BSP层、操作系统内核kernel层、服务层的三层结构，通过在BSP层提供的RF接口，可以在SUB-GHZ、2.4G等无线频段上实现IPv6技术，网络设备的穿透性更强，传输更远，在空间结构更复杂，网络设备距离更远的地方尤为适用。在服务层设计基于物联网的专属IPv6协议，增加对IPv6的支持，网路结构更灵活，网络容量更大。在基于物联网的专属IPv6协的应用层采用标准MQTT协议，统一了应用层的标准，更容易的应用开发和更好的开放性。服务层提供远程无感知升级服务、支持基于ELPLUSIPv6协议的室内定位服务、云接入服务和传感器服务。本发明采用模块化的设计可以根据智能硬件的需求，来定制操作系统可以提供的各种服务。

本发明还提出一种物联网终端设备，该物联网终端设备可以采用上述实施例提供的用于物联网的操作系统。

本发明实施例的物联网终端设备可以应用于智能家居、智能交通、智慧农业、智能医疗和工业控制等领域。

例如，物联网终端设备可以为以下形式：

(1)智能家居：智能开关，智能插座，智能灯，智能电器，酒店车库的位置定位及导航等；

(2)智能交通：路灯的智能控制设备；

(3)智慧农业：农作物的生长监控设备；

(4)智能医疗：医疗设备智能化设备；

(5)工业控制：生产车间、机房等的智能化设备。

根据本发明实施例的物联网终端设备，内置用于物联网的操作系统，该系统可以在SUB-GHZ、2.4G等无线频段上实现IPv6技术，网络设备的穿透性更强，传输更远，在空间结构更复杂，网络设备距离更远的地方尤为适用。在服务层设计基于物联网的专属IPv6协议，增加对IPv6的支持，网路结构更灵活，网络容量更大。在基于物联网的专属IPv6协的应用层采用标准MQTT协议，统一了应用层的标准，更容易的应用开发和更好的开放性。服务层提供远程无感知升级服务、支持基于ELPLUSIPv6协议的室内定位服务、云接入服务和传感器服务。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。