專欄介紹

新東網(wǎng)自2001年成立以來(lái)，掌握大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、通信、物聯(lián)網(wǎng)及區(qū)塊鏈等領(lǐng)先信息技術(shù)，擁有一支逾16年經(jīng)驗(yàn)的強(qiáng)大IT團(tuán)隊(duì)。為沉淀企業(yè)技術(shù)實(shí)力，繼續(xù)發(fā)揮行業(yè)優(yōu)勢(shì)，《東網(wǎng)快訊》特邀新東網(wǎng)技術(shù)大咖帶您走進(jìn)這些領(lǐng)先信息技術(shù)，揭秘新東網(wǎng)16年來(lái)的技術(shù)成果，每周一發(fā)布。

 

筆者工作以來(lái)，一直對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)有比較大的興趣，本文首先簡(jiǎn)要介紹目前市場(chǎng)上嵌入式操作系統(tǒng)的情況，然后分享下在國(guó)內(nèi)一款RT-Thread 系統(tǒng)上調(diào)試網(wǎng)絡(luò)攝像頭的收獲。

 

嵌入式操作系統(tǒng)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動(dòng)。

 

嵌入式操作系統(tǒng)與通用的操作相比較主要特點(diǎn)在于：

1．小內(nèi)核，穩(wěn)定可靠。

2．需要可裝卸、可裁剪，以便能靈活應(yīng)對(duì)各種不同的硬件平臺(tái)。

3．面向應(yīng)用，強(qiáng)實(shí)時(shí)性，可用于各種設(shè)備控制當(dāng)中。

 

國(guó)際上常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)大約有40種左右如：Linux、uClinux、eCos、uCOS-II、VxWorks、pSOS、Nucleus、ThreadX 、Rtems 、QNX、Free RTOS等。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展日趨火熱，包括一些大型國(guó)際公司也開(kāi)始布局適用于物聯(lián)網(wǎng)硬件的操作系統(tǒng)，比如ARM公司推出的mbed OS，華為公司的LiteOS等，國(guó)內(nèi)一些中小型廠家也投入其中，比如慶科公司推出的MICO等。

 

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展必然帶來(lái)的是智能硬件的爆發(fā)，那么這些智能硬件產(chǎn)品突出要解決兩個(gè)問(wèn)題：

 

1）智能手機(jī)和云端應(yīng)用。智能硬件多與手機(jī)進(jìn)行互動(dòng)，或由手機(jī)進(jìn)行操作控制，或借助手機(jī)反映出更多的設(shè)備信息；

 

2）智能硬件不再是孤立的設(shè)備，而是與云連接起來(lái)。

 

這些產(chǎn)品的需求主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

 

1） 芯片和硬件：各類不同架構(gòu)和平臺(tái)的芯片種類繁多，幾乎每一款智能硬件的基礎(chǔ)硬件平臺(tái)都不相同。互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代操作系統(tǒng)主要是Windows；移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代操作系統(tǒng)主要是Android和IOS；到了智能硬件和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，則很難產(chǎn)生一統(tǒng)天下的操作系統(tǒng)，于是行業(yè)需要各有特色，能滿足不同需求的操作系統(tǒng)；

 

2） 計(jì)算，存儲(chǔ)資源：大多智能硬件對(duì)于成本都有要求，因此計(jì)算和存儲(chǔ)資源會(huì)非常有限；目前手機(jī)上的處理器主頻一般是超過(guò)1G，ROM和RAM能達(dá)到64G，4G，而智能硬件上的計(jì)算資源很多是低于100M，ROM和RAM小于100K字節(jié)；

 

3） 傳感器：智能硬件通過(guò)各類傳感器來(lái)感知環(huán)境，并通過(guò)各種不同的傳感器融合算法得出感知的結(jié)果；

 

4） 功耗：智能硬件一般都是使用電池供電，因此需要設(shè)備大部分時(shí)間進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)；

 

5） 聯(lián)網(wǎng)：智能硬件不是單一，孤立的設(shè)備，它們需要通過(guò)各種有線或者無(wú)線的方式與其他設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信，有線方式主要是以太網(wǎng)，串口，無(wú)線方式則有WiFI，藍(lán)牙，2G/3G/4G，Zigbee， Thread等各種不同標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議；

 

6） 安全：一是指智能設(shè)備自身的可靠性，二是指設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)行通信的安全；

 

7） 開(kāi)機(jī)時(shí)間和響應(yīng)速度：電腦和手機(jī)的開(kāi)機(jī)時(shí)間可以達(dá)到幾十秒，但智能硬件一般需要在上電后的幾毫秒內(nèi)立刻啟動(dòng)并能夠運(yùn)行；

 

智能硬件的這些需求特點(diǎn)決定了Linux、Android、 IOS不是適合的操作系統(tǒng)，智能硬件需要使用RTOS，并且對(duì)RTOS提出了更高的要求：

 

1） 需要能夠支持不同架構(gòu)的處理器，需要有硬件抽象層和設(shè)備管理器來(lái)管理不同的硬件設(shè)備。

 

2） 能夠支持計(jì)算，存儲(chǔ)資源有限的設(shè)備，RTOS本身的ROM和RAM資源占用少。

 

3） 具備傳感器管理框架來(lái)管理眾多的傳感器設(shè)備，能夠提供或者整合感知融合算法。

 

4） 提供低功耗管理機(jī)制，來(lái)幫助設(shè)備進(jìn)行低功耗管理。

 

5） 網(wǎng)絡(luò)特性變成RTOS的基礎(chǔ)標(biāo)配，需要能夠支持各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以太網(wǎng)，Wi-FI，藍(lán)牙，2G/3G/4G，Zigbee， Thread等。

 

6） 能夠支持網(wǎng)絡(luò)升級(jí)功能，各種加密機(jī)制，安全的套接字功能。

 

7） 能夠支持輕量級(jí)的顯示UI，音頻和視頻框架和智能算法。

 

8） 支持POSIX標(biāo)準(zhǔn)，方便移植程序；并且能夠支持腳本語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。

 

筆者的工作是開(kāi)發(fā)智能卡相關(guān)產(chǎn)品，也認(rèn)為在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，智能卡作為安全認(rèn)證模塊，必然可以在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。于是完成工作任務(wù)之余，一探這些嵌入式操作系統(tǒng)的面目，期望能將我們的芯片融合其中。下面介紹下我在調(diào)試一款系統(tǒng)過(guò)程中的收獲。

 

當(dāng)前市場(chǎng)上有很多成熟的網(wǎng)絡(luò)攝像頭產(chǎn)品，這類產(chǎn)品的共同特點(diǎn)就是功能單一、固定，無(wú)法進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，不支持設(shè)備聯(lián)動(dòng)和功能擴(kuò)展。與物聯(lián)網(wǎng)的要求相差甚遠(yuǎn)，而基于RT-Thread的IoT-Camera，則為創(chuàng)客們提供了一款可以自己選擇外設(shè)傳感器、自己選擇算法、應(yīng)用、控制單元，進(jìn)行功能二次開(kāi)發(fā)的無(wú)線Camera產(chǎn)品。

 

IoT-Camera即可編程物聯(lián)網(wǎng)攝像頭，是由RT-Thread的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)專門(mén)針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的一款實(shí)物產(chǎn)品。其軟、硬件都完全開(kāi)源，問(wèn)世之初，便受到了廣大開(kāi)發(fā)者的關(guān)注。

 

圖一 IoT-Camera開(kāi)發(fā)板實(shí)物圖

 

IoT-Camera開(kāi)發(fā)板上封裝了Wifi、圖像處理和視頻技術(shù)，為使用者的二次開(kāi)發(fā)提供了便利。

 

一、RT-Thread嵌入式操作系統(tǒng)

 

 

RT-Thread是一款主要由中國(guó)開(kāi)源社區(qū)主導(dǎo)開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，它的開(kāi)發(fā)、維護(hù)團(tuán)隊(duì)主要來(lái)自中國(guó)國(guó)內(nèi)。曾獲得“第六屆中日韓開(kāi)源軟件競(jìng)賽”技術(shù)優(yōu)勝獎(jiǎng)。目前，國(guó)內(nèi)已有十多家企業(yè)將RT-Thread成功應(yīng)用到自己的產(chǎn)品中。

 

圖二 RT-Thread軟件結(jié)構(gòu)

 

RT-Thread作為一款穩(wěn)定小巧的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，包含了硬實(shí)施搶占式內(nèi)核，文件系統(tǒng)，TCP/IP協(xié)議棧，標(biāo)準(zhǔn)的POSIX  API接口，libc接口，圖形用戶界面等。

 

二、IoT-Camera開(kāi)發(fā)板

 

 

IoT-Camera開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行RT-Thread內(nèi)核，通過(guò)Wifi網(wǎng)絡(luò)可以將攝像頭采集到的數(shù)據(jù)上傳，用瀏覽器訪問(wèn)攝像頭IP地址就可以看到攝像頭采集到的實(shí)時(shí)圖像。

 

使用時(shí)，需要有一張TF卡片，在其根目錄下存儲(chǔ)內(nèi)核代碼和boot程序固件。開(kāi)發(fā)板默認(rèn)在串口上提供交互用的命令行。當(dāng)PC機(jī)與開(kāi)發(fā)板連接后，可以使用PuTTY軟件開(kāi)配置串口，并啟動(dòng)交互界面。

 

圖三 PuTTY軟件開(kāi)啟窗口

 

如上圖所示，串口波特率選擇115200，串口通道根據(jù)自己電腦的接口選擇（本臺(tái)電腦使用的是COM3口）。點(diǎn)擊Open即口啟動(dòng)操作界面。

 

系統(tǒng)啟動(dòng)后，先從flash加載燒錄好的uboot程序開(kāi)始執(zhí)行，接著從TF卡加載存儲(chǔ)的rboot.bin執(zhí)行，執(zhí)行地址默認(rèn)為0xA0200000。rboot啟動(dòng)超時(shí)后，自動(dòng)執(zhí)行/rboot.sh腳本。

 

圖四 通過(guò)shell指令設(shè)置rboot啟動(dòng)地址

 

在rboot.sh中可以設(shè)置系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)使用的rtthread.bin所在的位置。如:

boot /rtthread.bin（直接啟動(dòng)TF卡中的bin文件）

boot http://192.168.10.246:8000/firmware/rtthread.bin（需預(yù)先配置好網(wǎng)絡(luò)連接）

配置網(wǎng)絡(luò)連接的命令為wifi join your_ssid your_passwd。

rtthread.bin啟動(dòng)后，可以通過(guò)help命令列出rt-thread支持的命令行，默認(rèn)命令行為msh />。

輸入命令mjpeg start，啟動(dòng)視頻服務(wù)mjpeg server。

 

在PC上打開(kāi)瀏覽器，訪問(wèn)IoT-Camera的ip地址，即可看到攝像頭采集到的實(shí)時(shí)視頻圖像。