CN110262874B - 一种基于java虚拟机的新型物联网多任务操作系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于java虚拟机的新型物联网多任务操作系统及方法，用于实现：在嵌入式设备上面使用软硬件结合技术，实现小型多任务操作系统，该操作系统支持本地1个或多个自带任务和java虚拟机任务，同时，针对不同设备种类，建立公共和特色功能模块接口，使得第三方能够开发程序去控制设备，解决物联网终端设备封闭问题。本发明的有益效果为：实现跨平台，一次开发，随处运行；适用范围广，小到单一应用的智能卡，大到多应用智能空调、电视；对硬件资源消耗很低，低端的单片机也能满足这个要求；成本低，更具灵活性，系统扩展性大。

Description

一种基于java虚拟机的新型物联网多任务操作系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于java虚拟机的新型物联网多任务操作系统及方法，属于计算机物联网领域。

背景技术

现有物联网技术中，比较大的设备(如电视机、空调等)大多Linux或Android等大型系统，由于成本问题，只能应用到高端产品之中；小型设备(如智能灯泡、门锁)一般无操作系统或ucOS等系统等,依赖与特定芯片平台，且与外界接口单一，稍微高端的也只是通过Wifi、蓝牙、遥控器等与厂家自己开发的系统进行连接，无法实现更大范围的连接；从严格意义上来说，这些都是弱物联网连接系统。

现有技术存在以下缺点：

(1)使用Linux、Android等操作系统在已经标准化的PC和手机应用已经十分成熟，应用物理网大系统中的服务器或中心部件的确是否合适，但是一个物理网中大多数部件是一些传感系和终端设备，比如智能灯泡、插座、水杯、门锁等等，这些设备种类复杂、高度封闭、功能单一、售价较低。将Linux、Android等操作系统应用到这些设备上，在经济上来说显然不合适，无法大面积普及。

(2)使用ucOS等多任务嵌入式操作系统，依赖与特定芯片平台，不能支持应用动态下载，对外连接形式固定。

(3)嵌入式JAVA虚拟机，一般需要比较高的运行环境要求，如运行在嵌入式Linux操作系统，或者对CPU、存储资源要求较高。

(4)上述系统需要应用开发着充分了解平台特性，开发难度加大。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于java虚拟机的新型物联网多任务操作系统及方法，通过多任务机制实现多虚拟机技术，同时对虚拟机的功能进行扩展，通过Java VM机制来实现跨平台的能力；通过Native技术实现驱动API接口，将设备的一些复杂控制流程使用Native方法实现，而在应用层只是做简单的逻辑处理，使得整个系统对资源的消耗大大减少；同时整个系统兼容现有的Java Card标准，借鉴成熟技术，缩减系统研发成本，也能增强系统兼容性。

本发明的技术方案包括一种基于java虚拟机的新型物联网多任务操作系统，该系统包括设置于物联网设备的虚拟机系统，以及，设备开发模块、设备类型定义服务器、应用开发模块及商店模块，其特征在于：所述虚拟机系统通过多个java虚拟机及native模块对物联网设备的控制流程进行任务调度处理，以及，通过通讯接口接受所述商店模块下载的功能接口进行更新；所述设备类型定义服务器用于存储多个物联网设备的功能特性及通用接口，以及，用于存储所述设备开发模块发送的自定义接口；所述设备开发模块用于从设备类型定义服务器下载物联网设备的功能特性及通用接口，以及，提供编辑界面对接口进行自定义编辑；所述应用开发模块用于根据设备类型定义服务器存储的多功能特性及通用接口对对应物联网的设备的java应用进行自定义编辑；所述商店模块用于接收所述应用开发模块编辑的java应用并通过交互界面进行展示，以及，根据用户请求调用通讯接口将java应用发送至虚拟机系统。

根据所述的基于java虚拟机的新型物联网多任务操作系统，其中所述虚拟机系统具体包括硬件抽象层模块、系统启动中间件、任务调度器、虚拟机管理器及字节码解析器，其特征在于：所述硬件抽象层模块用于为所述的系统启动中间件、任务调度器、虚拟机管理器及字节码解析器提供底层通讯、安全及存储服务；所述系统启动中间件用于对硬件抽象层模块与任务调度器的交互数据进行中间转换；所述任务调度器用于对物联网设备的控制流程进行调度处理；所述虚拟机管理器用于对物联网设备的java应用进行管理，包括java应用的下载、安装、删除及启动；所述字节码解析器用于解析java字节码。

根据所述的基于java虚拟机的新型物联网多任务操作系统，其中任务调度器包括java虚拟机模块及native模块：所述java虚拟机模块通过切换JVM任务块完成系统调度；所述native模块通过系统上下文切换完成系统调度。

根据所述的基于java虚拟机的新型物联网多任务操作系统，其中java虚拟机模块具体包括：当系统调度为java虚拟机之间的调度时，通过切换JVM任务块完成任务调度；当任务为java虚拟机与native模块之间的任务调度时，则先切换系统上下文，进而切换JVM任务块。

根据所述的基于java虚拟机的新型物联网多任务操作系统，其中系统上下文包括JVM上下文和native上下文，其中JVM上下文为一个上下文，native上下文为多个。

根据所述的基于java虚拟机的新型物联网多任务操作系统，其中当互联网设备功能单一时，关闭所述native模块的系统调度。

根据所述的基于java虚拟机的新型物联网多任务操作系统，其中物联网设备的最低配置为4RAM，10K EEPROM/Flash，20MHz。

本发明的技术方案还包括一种用于执行上述任意系统的基于java虚拟机的新型物联网多任务操作操作方法，其特征在于，该方法包括：虚拟机系统通过多个java虚拟机及native模块对物联网设备的控制流程进行任务调度处理，以及，通过通讯接口接受商店模块下载的功能接口进行更新；设备类型定义服务器存储多个物联网设备的功能特性及通用接口，以及，用于存储设备开发模块发送的自定义接口；设备开发模块从设备类型定义服务器下载物联网设备的功能特性及通用接口，以及，提供编辑界面对接口进行自定义编辑；应用开发模块根据设备类型定义服务器存储的多功能特性及通用接口对对应物联网的设备的java应用进行自定义编辑；商店模块接收应用开发模块编辑的java应用并通过交互界面进行展示，以及，根据用户请求调用通讯接口将java应用发送至虚拟机系统。

本发明的有益效果为：实现跨平台，一次开发，随处运行；适用范围广，小到单一应用的智能卡，大到多应用智能空调、电视；对硬件资源消耗很低，低端的单片机也能满足这个要求；相比传统的大型物联网设备上系统，本系统有者更大程度上的成本优势，相对于无操作系统的低端设备上，改造成本可控制在比较低的范围内；更具灵活性，系统扩展性大。

附图说明

图1所示为本发明实施方式的系统结构框图；

图2所示为根据本发明实施方式的虚拟机框图；

图3所示为根据本发明实施方式的任务调度器工作原理图；

图4所示为根据本发明实施方式的应用场景图。

具体实施方式

本发明的技术方案包括一种基于java虚拟机的新型物联网多任务操作系统及方法，一种支持Java语言的小型多任务物联网操作系统实现方法，本发明专利技术包括：在嵌入式设备上面使用软硬件结合技术，实现小型多任务操作系统，该操作系统支持本地1个或多个自带任务和Java虚拟机任务，同时，针对不同设备种类，建立公共和特色功能模块接口，使得第三方能够开发程序去控制设备，解决物联网终端设备封闭问题，系统集成更为紧密，系统集成成本进一步降低。适用于以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本文所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

图1所示为本发明实施方式的系统结构框图。该系统包括设置于物联网设备的虚拟机系统，以及，设备开发模块、设备类型定义服务器、应用开发模块及商店模块。虚拟机系统通过多个java虚拟机及native模块对物联网设备的控制流程进行任务调度处理，以及，通过通讯接口接受商店模块下载的功能接口进行更新；设备类型定义服务器用于存储多个物联网设备的功能特性及通用接口，以及，用于存储设备开发模块发送的自定义接口；设备开发模块用于从设备类型定义服务器下载物联网设备的功能特性及通用接口，以及，提供编辑界面对接口进行自定义编辑；应用开发模块用于根据设备类型定义服务器存储的多功能特性及通用接口对应物联网的设备的java应用进行自定义编辑；商店模块用于接收应用开发模块编辑的java应用并通过交互界面进行展示，以及，根据用户请求调用通讯接口将java应用发送至虚拟机系统。

图2所示为根据本发明实施方式的虚拟机框图。通过多任务机制实现多虚拟机技术，同时对虚拟机的功能进行扩展，通过Java VM机制来实现跨平台的能力。通过Native技术实现驱动API接口，将设备的一些复杂控制流程使用Native方法实现，而在应用层只是做简单的逻辑处理，使得整个系统对资源的消耗大大减少。同时整个系统兼容现有的JavaCard标准，借鉴成熟技术，缩减系统研发成本，也能增强系统兼容性。物理联网多任务系统设计如图2所示，本主要由以下几个部分组成：

a:硬件抽象层(图中HAL层)

b:系统启动中间件(图中BOOT层)

c:任务调度器

d:虚拟机管理器(JVM管理器)

e:字节码解析器

各个模块的详细说明：硬件抽象层模块：为上述的其它模块提供最底层的通讯、安全、存储等服务，分离芯片底层。

系统启动中间件：作为Hal层与上层系统的中间转换，进一步较少对底层依赖，加强系统可移植性。

任务调度器：系统调度的基本单位是系统上下文，系统上下文分为2种，分别是JVM上下文(1个)和Native上下文(多个)，上下文中保存CPU上下文信息，如PC(程序计数器)、SP(指针寄存器)等。Native任务切换通过系统上下文切换实现；JVM上下文切换分2种情况，一种是直接切换JVM任务块，主要用于JVM任务之间切换；另一种，先切换系统上下文，再切换JVM任务块，主要用于Native任务切换到JVM任务。调度器工作原理为图3所示：

此外，对于功能单一的设备，无需Native任务，可以去掉系统上下文切换模块，调度器就只需要进行JVM任务块切换。

虚拟机管理器：用于管理设备内Java应用，包括应用下载、安装、删除、自启动等，此外，还负责给应用分配运行所需资源。

字节码解析器：解析java字节码。

图3所示为根据本发明实施方式的任务调度器工作原理图。其说明参考图2中的任务调度说明。

图4所示为根据本发明实施方式的应用场景图。在整个物联网系统中，有一个中心服务器，在图中用白云图形表示，这个服务器定义了各种设备的功能特性，整理一套通用或这私有的API接口。设备开发者和应用开发者都根据这个定义标准进行开发，通过搭载本专利系统，对外提供统一控制访问接口。用户可以通过物联网应用商店下载自己所需要的应用，下载到自己的设备上。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文步骤的指令或程序时，本文的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本文的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (7)

1.一种基于java虚拟机的新型物联网多任务操作系统，该系统包括设置于物联网设备的虚拟机系统，以及，设备开发模块、设备类型定义服务器、应用开发模块及商店模块，其特征在于：

所述虚拟机系统通过多个java虚拟机及native模块对物联网设备的控制流程进行任务调度处理，以及，通过通讯接口接受所述商店模块下载的功能接口进行更新，当系统调度为所述java虚拟机之间的调度时，通过切换JVM任务块完成任务调度，当所述系统调度为所述java虚拟机与所述native模块之间的任务调度时，则先切换系统上下文，进而切换所述JVM任务块；

所述设备类型定义服务器用于存储多个物联网设备的功能特性及通用接口，以及，用于存储所述设备开发模块发送的自定义接口；

所述设备开发模块用于从设备类型定义服务器下载物联网设备的功能特性及通用接口，以及，提供编辑界面对接口进行自定义编辑；

所述应用开发模块用于根据设备类型定义服务器存储的多功能特性及通用接口对对应物联网的设备的java应用进行自定义编辑；

所述商店模块用于接收所述应用开发模块编辑的java应用并通过交互界面进行展示，以及，根据用户请求调用通讯接口将java应用发送至虚拟机系统。

2.根据权利要求1所述的基于java虚拟机的新型物联网多任务操作系统，所述虚拟机系统具体包括硬件抽象层模块、系统启动中间件、任务调度器、虚拟机管理器及字节码解析器，其特征在于：

所述硬件抽象层模块用于为所述的系统启动中间件、任务调度器、虚拟机管理器及字节码解析器提供底层通讯、安全及存储服务；

所述系统启动中间件用于对硬件抽象层模块与任务调度器的交互数据进行中间转换；

所述任务调度器用于对物联网设备的控制流程进行调度处理；

所述虚拟机管理器用于对物联网设备的java应用进行管理，包括java应用的下载、安装、删除及启动；

所述字节码解析器用于解析java字节码。

3.根据权利要求2所述的基于java虚拟机的新型物联网多任务操作系统，所述任务调度器包括java虚拟机模块及native模块：

当所述java虚拟机模块进行系统调度，通过切换JVM任务块完成系统调度；

当所述native模块进行系统调度，通过系统上下文切换完成系统调度；

当所述java虚拟机模块与所述native模块之间进行系统调度，先切换所述系统上下文，进而切换所述JVM任务块。

4.根据权利要求3所述的基于java虚拟机的新型物联网多任务操作系统，所述系统上下文包括JVM上下文和native上下文，其中JVM上下文为一个上下文，native上下文为多个。

5.根据权利要求3所述的基于java虚拟机的新型物联网多任务操作系统，当互联网设备功能单一时，关闭所述native模块的系统调度。

6.根据权利要求1所述的基于java虚拟机的新型物联网多任务操作系统，其中物联网设备的最低配置为4RAM，10K EEPROM/Flash，20MHz。

7.一种应用于权利要求1-6任意一项所述的基于java虚拟机的新型物联网多任务操作系统的操作方法，其特征在于，包括：

虚拟机系统通过多个java虚拟机及native模块对物联网设备的控制流程进行任务调度处理，以及，通过通讯接口接受商店模块下载的功能接口进行更新；

设备类型定义服务器存储多个物联网设备的功能特性及通用接口，以及，用于存储设备开发模块发送的自定义接口；

设备开发模块从设备类型定义服务器下载物联网设备的功能特性及通用接口，以及，提供编辑界面对接口进行自定义编辑；

应用开发模块根据设备类型定义服务器存储的多功能特性及通用接口对对应物联网的设备的java应用进行自定义编辑；

商店模块接收应用开发模块编辑的java应用并通过交互界面进行展示，以及，根据用户请求调用通讯接口将java应用发送至虚拟机系统。