物联网世界中的可穿戴设备开发

　　微控制器 （MCU） 创新正在悄悄地以更小的外形尺寸封装更多的智能。这些进步使操作系统（OS）能够用于小型传感器设备，如可穿戴设备。

　　可穿戴设备、物联网传感器趋势

　　在更小尺寸的可穿戴设备和传感器设备中，智能正在增加。如今的MCU体积小，具有足够的成本效益，可用于各种传感器应用，而这些应用以前不包括价格和尺寸要求。随着MCU在这些应用程序中的激增，运行在这些应用程序中的操作系统也是如此。

　　向可穿戴设备添加操作系统在特性、功能和上市时间优势方面打开了新的大门。问题就变成了，仅仅使用任何针对MCU的操作系统就足够了，还是必须针对这些设备调整操作系统？

　　RoweBots最近在可穿戴设备技术会议上宣布了“可穿戴OS”的可用性，该技术专门针对可穿戴设备和物联网（支持物联网）的设备进行了优化。

　　“可穿戴操作系统”的出现

　　RoweBots的历史包括用于安全性和可靠性至关重要的军事系统中使用的Unison RTOS。这段历史包括传统的嵌入式系统实践，涉及在特定处理器架构上移植和运行操作系统，为板级支持包（BSP）添加驱动程序，以及为嵌入式应用开发提供API。

　　在过去的10年里，RoweBots也一直在物联网领域工作。“我们的操作系统产品以MCU和小型微处理器为目标，目标是创建高效的设计，”RoweBots首席执行官Kim Rowe说。“随着时间的推移，实时需求已经减少。闪存和RAM尺寸已成为嵌入式和物联网设计的关键成本因素。

　　罗威提到了他们的可穿戴操作系统的两个关键重点领域：

　　能够在一个小包装中做更多的事情。对精益产品开发 （LPD） 的支持是 RoweBots 物联网操作系统的基石（图 1）。

　　基于嵌入式 Linux 的开放式 API 允许 RoweBots 操作系统产品集成与平台上所需的功能和可用资源相匹配的库。

　　“在开发可穿戴操作系统时，我们采用了一种更打包的方法来提供实时操作系统（RTOS），”Rowe解释说。“我们并没有止步于控制器的芯片支持包。我们添加了处理特定垂直市场的软件包。可穿戴设备就是这些目标之一。这项工作的三个关键支柱是为可穿戴产品提供硬件支持，优化软件设计，以及加快上市时间。

　　可穿戴设备的世界需要一整套操作系统/处理器支持、连接、存储和云连接。此外，安全要求也很重要，RoweBots在军事工业中使用Unison RTOS的历史使他们在理解安全考虑因素方面取得了进展。其中大部分也被纳入可穿戴设备。

　　Rowe提到了不要停止MCU操作系统的开发以及制造商提供的传感器驱动程序支持的重要性。“传感器支持需要是通用的，”他说。“允许开发人员使用任意数量的温度传感器、加速度计或任何所需的外设，以允许选择并保持硬件独立性和抽象性，这一点非常重要。

　　电源管理

　　电源管理是另一个关键组件。一些MCU被简单地设计为非常低的功耗，几乎没有功耗模式。因此，例如，与ARM处理器的功能相比，大多数MCU的电源管理都很简单。

　　“MCU制造商通常会尝试最大限度地提高全方位的电源效率，”Rowe说。“然而，在一些更先进的处理器中，电源管理已经迈出了一大步。在你可以做些什么来睡觉和再次醒来方面，还有更多的选择。

　　Rowe提到的一些选项涉及可以更新的硬件中的集成电源模式，以及某些能够唤醒软件的芯片事件。

　　可穿戴连接

　　无线连接是可穿戴设备的另一个重要功能。Kim提到了体育产业中一些有趣的应用，这些应用需要不同的无线电类型。“我们的操作系统需要根据运动支持三种不同类型的无线电，”Row说。“一种是用于自行车比赛等个人操作。可穿戴设备用于提供有关速度，生命体征和碰撞信息的指标。这些东西使用蓝牙低功耗（BLE）。另一个延伸是公路赛或马拉松比赛，你不想随身携带手机。这些应用需要长距离 （LoRa） 无线电。足球或篮球应用是第三个例子。这些应用程序使用802.14，它允许队友之间的组通信功能“。

　　罗威补充说，罗威机器人已经为传统的嵌入式市场提供了一段时间的LTE和Wi-Fi解决方案。过去，他们也使用专有连接，如卫星电话。一个示例应用是卡特彼勒低成本跟踪器。

　　可穿戴安全

　　可穿戴设备的两个关键方面是通信/信息安全以及软件更新安全性和身份验证。在过去的六年中，Unison RTOS已经配备了完整的无线（OTA）更新功能，并始终关注安全性。这些功能在他们的可穿戴操作系统环境中被采用。

　　“每个人都想谈论安全，但没有人愿意为此付费，”Rowe说。“大约5年前，我们决定，使用我们的操作系统部署不安全的系统是不可接受的。因此，我们免费捆绑了重要的安全功能。

　　“例如，传输层安全性（TLS）通信是标准配置，以及用于文件传输的安全SFTP和用于远程控制（登录和命令执行）的SSH，”他补充道。

　　安全启动是可穿戴设备的另一个关键方面。这对于确保 OTA 更新的安全性非常重要。根据处理器的功能，它可以包含在硬件中或在软件中模拟。

　　例如，i.MX6（恩智浦/飞思卡尔）和RZ（瑞萨电子）安全启动技术以及其他类似机制将密钥嵌入硬件中，并提供芯片独有的嵌入式加密，用于对软件映像进行签名和加密。这允许具有安全启动技术的平台对映像的源进行身份验证，并知道映像本身未损坏，并且还提供了一种机制，以便在更新未成功发生或操作中存在错误时回滚到以前的版本。所有这些都造就了一个更可靠、更安全的系统。

　　Rowe进一步承认，该公司继续努力增强其产品的安全性，包括最近完成的微软Azure软件包，其中包括通过HTTP，MQTT和AMQP协议的安全通信，以及云平台本身。

　　图形和用户界面

　　也许与可穿戴设备和智能传感器相关的最有趣的挑战是独特的图形和用户界面（UI）。在较大的系统上，有很多功能和屏幕区域可用于花哨的图形和用户交互。这些系统也往往非常耗电。

　　在较小的一端，对于手表和手腕可穿戴设备，Rowe指出，可穿戴操作系统通常使用供应商推荐的软件包或第三方供应商的超低功耗图形和UI组件。毫不奇怪，可穿戴设备编程很像传统的嵌入式系统编程，使用应用程序库和C/C++编程语言，带有Eclipse变体或嵌入式集成开发环境（IDE）。

　　BSD 套接字网络、文件 I/O 以及嵌入式 Linux 和符合 POSIX 标准的 API 可加快这些构建中的开发速度。Kim引用了一个嵌入式Linux应用程序示例，该示例使用这些工具在2天内在操作系统上移植，运行和测试。移植后，基准测试显示，由于可穿戴操作系统的开销明显低于嵌入式Linux，在其操作系统上运行的同一应用程序的帧速率提高了50%。

　　具有类似功能的可穿戴设备小型化的另一个令人兴奋的例子涉及eSight技术产品。这些眼镜可以帮助患有特定类型的外周或近视失明症的人正常看清。eSight将相机放在鼻梁上，以进行自动曝光并补偿您的特定视力缺陷。在你的臀部，你有缩放和平移控制。可穿戴设备将图像放在您眼前的小屏幕上。这项技术使有视力问题的人能够正常看到，并且实际上改变了生活。

　　总结

　　可穿戴和物联网传感器和设备开发需要硬件、软件的组合以及重用它们的能力，以便在不牺牲性能和可靠性的同时缩短上市时间。无论您是在开发必须集成到更大物联网环境中的医疗、工厂车间还是可穿戴设备，使用垂直操作系统环境进行构建都可以通过更多完成的、经过测试的代码来提高可靠性和安全性，同时缩短上市时间，并保持组件和硬件供应商的灵活性。

　　审核编辑：郭婷