峰會回顧第32期 | OpenHarmony在高校教學科研中的應用

演講嘉賓 | 陳 曦

回顧整理 | 廖 濤

排版校對 | 李萍萍

嘉賓簡介

陳曦，天津大學電氣自動化與信息工程學院副教授。長期從事人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、電力系統(tǒng)相關教學和科研工作。主持和參與國家海洋公益項目、國家重點研發(fā)計劃、國家自然基金面上項目，承擔國家電網(wǎng)、內蒙古電力、國家海洋技術中心等企業(yè)合作項目多項。天津市一流課程負責人。具有豐富的物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)設計和產品研發(fā)經(jīng)驗，熟練掌握深度學習、4G/5G通信、邊緣計算等開發(fā)核心技術。完成電力計量物聯(lián)網(wǎng)、海洋環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)、超高清圖像快速識別裝置、配網(wǎng)過電壓故障診斷裝置、5G高速無線圖像傳輸系統(tǒng)等多種成套系統(tǒng)的開發(fā)。

內容來源

第一屆開放原子開源基金會OpenHarmony技術峰會——生態(tài)與互聯(lián)分論壇

視頻回顧

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正 文 內 容

高校師生積極參與開源社區(qū)項目的開發(fā)和維護，能夠促進優(yōu)秀開源社區(qū)的蓬勃發(fā)展；開源社區(qū)的良性發(fā)展，也為高校的教學科研提供了重要的平臺和資源。OpenHarmony在高校教學科研中有哪些應用呢？天津大學電氣自動化與信息工程學院副教授陳曦在第一屆OpenHarmony技術峰會上分享了精彩觀點。

01?

OpenHarmony開源社區(qū)與高校間的互動

OpenHarmony作為一個基于社區(qū)的開源操作系統(tǒng)，其開源開放的精神與中國大學精神高度契合。通過OpenHarmony與高校的全方位良性互動，實現(xiàn)雙方合作共贏。

一、高校是OpenHarmony的貢獻者：高校通過提交代碼、參與SIG、開源基于OpenHarmony的項目等形式助力OpenHarmony的發(fā)展。高校天然具有優(yōu)質的學生資源與教師資源：1. 學生。高校學生富有創(chuàng)造力，也是最愿意向開源社區(qū)貢獻代碼的一類人群；2. 教師。高校教師隊伍龐大，研究水平高，且廣泛參與科研項目，具有前瞻性思想，對前沿技術發(fā)展敏感度較高，能夠有效促進OpenHarmony開源社區(qū)的技術生態(tài)繁榮發(fā)展。

二、高校是OpenHarmony的傳播者：高校通過理論教學、實驗、實踐等多種形式向學生講授、推廣和普及OpenHarmony。OpenHarmony是全開源的操作系統(tǒng)，所有的架構設計和底層邏輯都是開源的，利于教學操作系統(tǒng)類課程。

三、高校是OpenHarmony的使用者：高校的科研項目涉及工、農、建、商、娛等多類領域，對推進OpenHarmony在各領域的應用落地有積極作用，有效繁榮OpenHarmony生態(tài)。

02?

OpenHarmony在電力計量檢測物聯(lián)網(wǎng)科研開發(fā)的應用

電力計量是重要的計量項目之一，在雙碳目標達成、新型電力系統(tǒng)建設、新能源替代方面，發(fā)揮著舉足輕重的作用。如下圖所示為基于IIoT技術的電力計量檢測物聯(lián)網(wǎng)架構，由于計量系統(tǒng)對安全性有嚴格的要求，其架構設計分為私有云平臺和公有云平臺，兩者之間通過物理隔離。其中，與送檢用戶交互相關的功能和數(shù)據(jù)放在公有云平臺上，與計量設備/業(yè)務相關的功能和數(shù)據(jù)則放在私有云平臺。

在計量系統(tǒng)架構的公有云和私有云上，基于OpenHarmony，可以分別開發(fā)環(huán)境監(jiān)測器和基于邊緣計算的檢測結果自動識別裝置，以此推動OpenHarmony在電力計量檢測領域的應用發(fā)展。

2.1??

環(huán)境監(jiān)測器

環(huán)境監(jiān)測器布設于送檢區(qū)和公共區(qū)域，旨在采集溫度、濕度、光強等環(huán)境信息，采集到的數(shù)據(jù)上傳到公有云，用于為HVAC精準調控、辦公區(qū)域節(jié)能降碳提供數(shù)據(jù)支撐。其設計步驟包括需求分析、硬件設計、固件設計、安全性改進以及電磁兼容性改進等。

在實際工作中，陳曦所在團隊采用了基于RISC-V的Hi3861芯片作為環(huán)境監(jiān)測器的主控。該芯片的優(yōu)勢在于主頻高、存儲容量大，并具有豐富的接口可以滿足環(huán)境監(jiān)測器擴展外設的需求。具體參數(shù)和優(yōu)勢如下：

Hi3861采用高性能RISC-V 32位處理器，主頻達到160MHz，內嵌352KB SRAM、2MB Flash，滿足環(huán)境監(jiān)測器對主控速度和存儲容量的要求

WLAN采用2.4GHz頻段，最大速率為72.2Mbps@HT20 MCS7，滿足環(huán)境監(jiān)測器對通信方式和速度的要求

2個SPI、2個I2C、3個UART、15個GPIO，滿足環(huán)境監(jiān)測器外擴傳感器的要求

芯片受OpenHarmony主干分支Master支持，軟硬件無縫銜接與適配，能夠充分發(fā)揮芯片硬件和OpenHarmony操作系統(tǒng)的性能

環(huán)境監(jiān)測器的通信網(wǎng)絡選型選擇了WiFi通信，主要原因為WiFi適于在室內使用，布設靈活且綜合指標最優(yōu)，且OpenHarmony原生支持MQTT。

環(huán)境監(jiān)測器的RTOS選型選擇了OpenHarmony，主要出于以下三方面考慮：

可移植性好：OpenHarmony兼容cmsis 2.0標準，可以將大量既有程序輕松地移植到OH操作系統(tǒng)下，顯著縮短開發(fā)周期

開源代碼全：包含libc在內的全部源代碼都開放，達到真正意義上的自主可控，滿足電力企業(yè)要求

生態(tài)支撐廣：OpenHarmony的第三方和社區(qū)提供大量的開源項目和示例代碼程序，降低開發(fā)難度，支持快速原型開發(fā)

目前，陳曦所在團隊基于OpenHarmony研發(fā)的環(huán)境監(jiān)測器成品正在國家CNAS認證的流程中，預計不久后就能夠落地應用。

2.2??

基于邊緣計算的檢測結果自動識別裝置

在電力計量領域，檢測設備大多數(shù)單價極高，但目前已有的電力計量檢測設備種類多，接口繁雜且不統(tǒng)一。例如，自帶以太網(wǎng)接口的設備通過以太網(wǎng)線直接進入私有云；帶點對點通信接口（如RS232、USB）的設備通過轉換器接入私有云；無通信接口的設備利用Hi3516通過AI識別檢測結果并通過以太網(wǎng)接入私有云。為了將不同廠家、不同標準的檢測設備接入電力計量檢測物聯(lián)網(wǎng)，必須設計相應的裝置來實現(xiàn)數(shù)據(jù)、協(xié)議、接口格式的轉換。

雖然OpenHarmony提供原生的分布式AI能力子系統(tǒng)，支持Caffe框架，但目前大多數(shù)高?？蒲袌F隊的大量AI算法都基于TensorFlow，因此，陳曦所在團隊選用了TFLM（TensorFlow Lite for Microcontrollers）。TensorFlow Lite是一組工具，是面向端側的深度學習框架，能夠幫助開發(fā)者在移動設備、嵌入式設備和loT設備上運行模型，以便實現(xiàn)設備端機器學習。TensorFlow Lite for Microcontrollers（TFLM）適用于微控制器，如STM32、Arduino等。

TFLM在OpenHarmony上的移植過程包括配置開發(fā)環(huán)境、添加源代碼、移植接口函數(shù)以及HelloWorld測試等步驟。

其中，在添加源代碼時，將TFLM的源代碼按照OpenHarmony的架構添加到OpenHarmony源代碼中，在//third_party下建立TFLM目錄，按TFLM的源代碼架構在TFLM目錄下添加與應用無關的tensorflow/lite和third_party目錄及相應文件；在//applications/src/hello目錄下加入TFLM與應用有關的.cc和.h文件，BUILD.gn。

移植接口函數(shù)時，在//third_party/TFLM/tensorflow/lite/micro/下建立OpenHarmony目錄,并在該目錄下新建debug.cc、micro_time.cc和system_setup.cc以及BUILD.gn；根據(jù)OpenHarmomy結構只需要移植debug.cc、micro_time.cc兩個文件。

總的來說，得益于OpenHarmony的優(yōu)秀架構設計，TFLM在OpenHarmony上的移植具有以下3個方面的優(yōu)勢：（1）移植難度低：OpenHarmomy具有良好的系統(tǒng)架構，不僅OH自身的平臺和內核解耦，而且還實現(xiàn)了與應用有關第三方代碼、與應用無關第三方代碼和用戶代碼之間的完全解耦，有效降低了TFLM的移植難度；（2）兼容性好：OpenHarmomy小型系統(tǒng)的配套工具鏈兼容C、C++11、C++14、C++17 標準，便于以C++為主的邊緣計算深度學習框架的移植；（3）復用性強：OpenHarmomy提供了統(tǒng)一的編譯構建架構、而且硬件資源可大可小，使得在OpenHarmomy移植后的TFLM可在多種不同類型的硬件上運行，實現(xiàn)了代碼的高效復用。在下一步的工作中，在現(xiàn)有CPU移植TFLM的基礎上，將TFLM部分代碼移植到Hi3561DV300內置的神經(jīng)網(wǎng)絡加速引擎上，進一步提升TFLM在OpenHarmomy上的運行性能和效果。

03?

OpenHarmomy在“新工科”建設中的應用

為主動應對新一輪科技革命和產業(yè)變革，加快培養(yǎng)新興領域工程科技人才，改造升級傳統(tǒng)工科專業(yè)，主動布局未來戰(zhàn)略必爭領域人才培養(yǎng)，教育部啟動“新工科”建設。2017年被稱為“新工科元年”：“復旦共識”“天大行動”“北京指南”共同構成了新工科建設“三部曲”，新工科建設在全國迅速展開。

“校社聯(lián)合”正當時：開源軟硬件是解決我國當前“缺芯少魂”問題的最有效途徑之一。高校不僅從人才培養(yǎng)角度，而且從國家戰(zhàn)略、社會責任角度都必須通過與開源社區(qū)的緊密結合，向學生講解開源技術，孵化學生的開源項目，推動開源生態(tài)繁榮與應用落地。天津大學成立OpenHarmony技術俱樂部，正是校企聯(lián)合的積極實踐，為教學科研和人才培養(yǎng)提供了重要的平臺和載體：

OpenHarmony能夠助力工科教學與時俱進：OpenHarmony架構設計理念先進，代表了未來操作系統(tǒng)發(fā)展的方向，將OpenHarmony應用于教學，可以讓學生通過學習新知識新技術去解決未來發(fā)展出現(xiàn)的問題。OpenHarmony“統(tǒng)一OS、彈性部署”的技術特征有助于學生進行跨學科、跨領域的交叉創(chuàng)新。

OpenHarmony能夠助力學生精神品質養(yǎng)成：開源技術蘊含豐富的精神內涵，高校在講授開源技術的同時，引導學生切身感受“開放合作、自由創(chuàng)新、百花齊放、奉獻包容”的開源精神，幫助學生提升自我修養(yǎng)和綜合素質。

目前，天津大學通過與OpenHarmony、第三方公司合作，在本科生日常課內教學和課外科創(chuàng)活動中使用OpenHarmony，取得了良好效果。在課程建設上，基于OpenHarmony面向6個學院開設《玩轉科技勞動實踐》跨學院通識課；在孵化開源項目上，孵化基于OpenHarmony的開源CO2碳計量項目ocoh (oco+openharmony)，獲得中國智能制造挑戰(zhàn)賽華北賽區(qū)二等獎；在課外活動上，組織學生開展“我家有‘寵’”趣味課外科技活動。

03?

總結與展望

后續(xù)，高校將面向OpenHarmony社區(qū)繁榮發(fā)展所需行業(yè)應用和開發(fā)者兩大核心要素，采用科研和育人雙輪驅動，并通過與開源社區(qū)、相關企業(yè)的緊密合作，助力OpenHarmony生態(tài)加速建設。OpenHarmony通過進一步加強與諸如樹莓派、Arduino等國際開源技術社區(qū)合作，在將應用領域從IoT擴展延申到IIoT，工業(yè)控制，高端儀器儀表等領域的同時，可顯著擴大OpenHarmony的國際影響力，形成人類共享、中國特色的開源操作系統(tǒng)社區(qū)。智能裝置包括若干細分領域，OpenHarmony可面向商用市場需求，與第三方公司合作推出定制化版本（例如符合MISRA C標準的輕量系統(tǒng)），在通用性的基礎上滿足差異化客戶的定制化要求。

期待OpenHarmony的后續(xù)迭代優(yōu)化，祝愿OpenHarmony開源社區(qū)繁榮發(fā)展。

審核編輯 黃宇