教育行业：OpenHarmony智慧教育装备领域应用白皮书

OpenHarmony 智慧教育装备领域应用白皮书 互联网教育智能技术及应用国家工程研究中心 OpenHarmony智慧教育装备领域应用白皮书 目录 CONTENT 引言 第1章操作系统的介绍 1.1通用操作系统.3 1.1.1Windows系统.3 1.1.2Linux操作系统.3 1.2业内常用嵌入式操作系统.4 1.3嵌入式操作系统的体系结构介绍.5 1.3.1内核体系结构.5 1.3.2文件系统.6 1.3.3图形用户界面.6 1.3.4应用软件.7 第2章OpenHarmony操作系统 2.1技术架构9 2.1.1内核层9 2.1.2系统服务层.10 2.1.3框架层.11 2.1.4应用层.11 2.2技术特性.11 2.2.1硬件互助，资源共享11 2.2.2一次开发，多端部署.12 2.2.3统一OS，弹性部署.12 第3章OpenHarmony在智慧教育装备中的应用场景 3.1智慧教室中的应用.16 3.1.1智慧教室建设理念16 3.1.2基于OpenHarmony的新型智慧教室整体方案.17 3.1.3基于OpenHarmony的新型智慧教室的构成23 3.2智慧实验室中应用.29 场景1：智慧实验室可视化智能管理系统29 场景2：智能弹簧测力计30 场景3：智能甲醛浓度测试仪31 场景4：智能地球仪.32 3.3智慧图书馆中应用.33 场景1：智慧图书馆智能借还系统.33 场景2：基于增强现实技术的图书导航系统.34 场景3：电子多功能触控阅览桌.35 3.4智慧体育.36 场景1：大数据乒乓球训练系统.36 场景2：智能跳绳.37 场景3：智能篮球发球装置.38 场景4：智能单杠中考考试系统.39 3.5艺术教育场景应用.41 场景1：智慧音乐系统.41 场景2：智慧美术系统.43 场景3：基于触觉物联网的书法反馈笔.44 3.6可穿戴设备中应用.45 场景1：智慧运动手环.45 场景2：智能感知书包.47 场景3：智能脑电耳机.49 3.7信息技术教育开源硬件.50 3.8家校共育中的应用.53 场景1：儿童数字阅读平台.53 场景2：AI智能学习机55 场景3：基于智慧校园的家校互联系统55 场景4：智能电子学生证.57 第4章OpenHarmony在智慧教育装备领域中的应用建议 4.2重塑信息科技教育开源软硬件，打造中国特色开源新生态61 4.3加强对OpenHarmony的教师培训，提升数字素养与技能61 4.4构建基于OpenHarmony的APPStore，提供丰富优质教育产品.62 4.5确立教育专用操作系统标准，构建OpenHarmony教育软件应用社区62 4.6建立OpenHarmony示范点，探索OpenHarmony教育应用模式62 4.1推动教育装备智能泛在终端普及，打破教育管理信息孤岛61 引言 党的二十大明确提出，要加快建设网络强国、数字中国，推进教育数字化，加快发展数字经济，实施国家文化数字化战略。2021年3月教育部等六部门联合发布了《关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》（以下简称为“意见”），吹响了教育领域新基建的号角，该意见指出教育新型基础设施以新发展理念为引领，以信息化为主导，面向教育高质量发展需要，聚焦信息网络、平台体系、数字资源、智慧校园、创新应用、可信安全等方面的新型基础设施体系。 操作系统作为最基本、最重要的基础软件，是计算机系统的内核与基石，为教育新基建的建设提供重要支撑，为构建高质量教育体系提供“数字地基”。操作系统作为软件产业核心，不仅影响软件产业发展的核心竞争力，而且对于加强国家信息安全和增强国家的综合实力至关重要。国产操作系统产业自主创新，事关信息技术国家竞争力，甚至国家信息安全。OpenHarmony操作系统具备了包括分布式任务调度和分布式数据管理能力在内的分布式能力，可以搭载各类教育终端设备和各类物联网设备，将人、设备、场景有机地联系在一起，创造了一个超级虚拟终端互联的世界，实现连接极速、硬件互助、资源共享、安全可信，用丰富的教育设备呼应教育场景中的多样需求。 本白皮书章节结构如下图所示 操作系统概述 OpenHarmony操作系统 发展建议 应用场景 本白皮书第一章首先介绍了操作系统和嵌入式操作系统及其功能情况，第二章介绍了OpenHar-mony操作系统的技术架构与技术特性。第三章，结合OpenHarmony操作系统的技术和功能特性，介绍了OpenHarmony在智慧教育装备中的应用场景，调研、总结了OpenHarmony操作系统在智慧教育装备中的八类应用场景。其中，包括智慧教室、智慧实验室和智慧图书馆等教育装备，如智慧教室边缘计算控制系统、智慧实验室可视化智能管理系统和智慧图书馆智能借还系统。同时场景还涵盖了体育、音乐、书法等部分中小学学科，如大数据乒乓球训练系统、智能跳绳、智能篮球发球装置、智能单杠中考考试系统、可视化智能音乐演示系统、智能音乐美育系统、基于触觉物联网的智能反馈笔等。场景还涉及到了多样化的可穿戴设备，如智能个人应急终端、智慧运动手环、智能脑电耳机等。信息技术开源硬件以及家校共育的智能硬件设备都有所阐述。第四章主要从推广OpenHarmony操作系统在教育行业中的应用，打造中国教育专用操作系统的视角提出六条建议，包括普及教育装备智能泛在终端，突破教育管理信息孤岛；重塑信息技术教育开源硬软件，打造中国特色开源新生态；加强对OpenHarmony的教师培训，提升数字素养与技能；构建基于OpenHarmony操作系统的APPStore，提供丰富优质教育产品；确立教育专用操作系统标准，构建OpenHarmony操作系统教育软件应用社区；建立OpenHarmony操作系统示范点，探索OpenHarmony操作系统教育应用模式。 01 OpenHarmony智慧教育装备领域应用白皮书 1.1通用操作系统 1.1.1Windows系统 Windows系统是美国微软公司以图形用户界面为基础研发的操作系统，主要用于计算机、平板等设备，是全球应用最广泛的操作系统之一。Windows系统架构由用户模式和内核模式为基础，由系统微内核、硬件抽象层、硬件驱动、Windows子系统模块、系统服务和用户进程等部分组成。用户模式进程可以分为系统支持进程、服务进程、用户应用程序、环境子系统四种基本类型。Windows执行体包含了基本的操作系统服务，其内核是由一组低层次的操作系统功能组成；设备驱动程序包括硬件设备驱动程序、文件系统和网络驱动程序之类的非硬件设备驱动程序；硬件抽象层（HAL，HardwareAbstractionLayer）用来将内核、设备驱动程序和windows执行体的其余部分与平台相关的硬件差异隔离。Windows操作系统架构组成如下图1-1所示： 图1-1Windows操作系统架构组成 1.1.2Linux操作系统 Linux，全称GNU/Linux，是一种免费使用和自由传播的类UNIX操作系统，能够基于POSIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。它能运行主要的Unix工具软件、应用程序和网络协议，并支持32位和64位硬件。Linux继承了Unix以网络为核心的设计思想，是一个性能稳定的多用户网络操作系统。Linux具有开放源码、没有版权、技术社区用户多等特点，开放源码使得用户可以自由裁剪， 第1章 操作系统的介绍 03 OpenHarmony智慧教育装备领域应用白皮书OpenHarmony智慧教育装备领域应用白皮书 灵活性高，功能强大，成本低。这些特点使得Linux成为开发路由交换设备的理想开发平台。Linux系统一般包含4个主要部分：内核、Shell、文件系统和应用程序，部分层次结构如图1-2所示。 Shell命令交互界面 硬件内核 系统工具用户空间 图1-2Linux操作系统的组成 内核是操作系统的核心，负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。 Shell是系统的用户界面，提供了用户与内核进行交互操作的一种接口。它接收用户输入的命令并把它送入内核去执行，是一个命令解释器。另外，Shell编程语言具有普通编程语言的很多特点，用这种编程语言编写的Shell程序与其他应用程序具有同样的效果。 文件系统是文件存放在磁盘等存储设备上的组织方法。Linux系统能支持多种目前流行的文件系统，如EXT2、EXT3、FAT、FAT32、VFAT和ISO9660。 操作系统 Android操作系统 iOS操作系统 Zephyhr操作系统 VXworks操作系统 uC/OS AmazonFreeRTOS WindowsCE RT-ThreadOS 表1-1业内常用的嵌入式操作系统 简介 安卓（Android）是一种基于Linux内核（不包含GNU组件）的自由及开放源代码的操作系统。主要用于移动设备，如智能手机和平板电脑。 iOS是由苹果公司开发的移动操作系统。苹果公司最初是设计给iPhone使用，后来陆续套用到iPodtouch、iPad上。iOS与苹果的macOS操作系统一样，属于类Unix的商业操作系统。iOS的系统架构分为四层，由上到下依次为：可触摸层（CocoaTouchlayer）、媒体层（Medialayer）、核心服务层（CoreServiceslayer）、核心操作系统层（CoreOSlayer）。 Zephyr是2016年由Intel、Synopsys、NXP等公司发起的开源实时操作系统平台项目，现在由Linux基金会管理。项目旨在联合整个行业的领导者，构建针对资源小型受限设备，开发一个可扩展的嵌入式实时操作系统。 VXworks是美国WindRiverSystem公司推出的一个实时操作系统。并提供了更丰富的调试、仿真环境和工具。VXworks操作系统具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地。 μC/OS和μC/OS-II是专门为计算机的嵌入式应用设计的，绝大部分代码是用C语言编写的。CPU硬件相关部分是用汇编语言编写的、总量约200行的汇编语言部分被压缩到最低限度，便于移植到任何一种其它的CPU。 FreeRTOS是一个迷你的实时操作系统内核。作为一个轻量级的操作系统，功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能、软件定时器、协程等，可基本满足较小系统的需要。 WindowsEmbeddedCompact（即WidoesCE）是微软公司嵌入式、移动计算平台的基础，它是一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作系统，其图形用户界面相当出色，可应用到多种便携式手持设备上，是精简的Windows95。 RT-Thread在物联网和嵌入式开发者心目中是非常棒的开源软件，RT-Thread是国内目前合作和支持芯片和厂商众多、社区开发者踊跃、组件丰富、应用领域广泛的国产物联网操作系统。 1.2业内常用嵌入式操作系统 嵌入式操作系统历史悠久、门类繁多、用途广泛，不仅包括嵌入式实时多任务操作系统、开源的Linux、机器人和路由器操作系统，还包括新型的物联网操作系统。以下为业内常用的嵌入式操作系统： 1.3嵌入式操作系统的体系结构介绍 1.3.1内核体系结构 (1)微内核 微内核与宏内核相对应，是操作系统的一种结构形式。操作系统的核心功能包括文件系统、内存和 0405 OpenHarmony智慧教育装备领域应用白皮书OpenHarmony智慧教育装备领域应用白皮书 I/O设备管理、CPU调度等，宏内核即指操作系统将上述功能全部“打包集成”在内核里，不同的功能模块之间耦合度高，所以具有高效率的优点。微内核则将系统分为各个小的功能模块，仅将核心的调度、内存管理功能保留在内核中，驱动、文件系统等以“外部模块”的形式与内核连接，相应的优势是易于拓展、易于维护与更新、稳定性高