（电路与系统专业论文）普适计算多相性及个人智能环境研究.pdf

浙江大学硕士研究生学位论文 插图目录 图1 ：计算技术发展的趋势4 图2 ：普适计算的系统级视图1 1 图3 ：普适计算框架结构。1 2 图4 ：普适计算人机交互框架：m u l l i m o d a l + c o n t e x t s s i t i v e 2 3 图5 ：应用程序基本单元视图一2 9 图6 ：e a s y d a y 系统应用模型视图3 1 图7 ：系统功能视图一3 4 图8 ：流套接字编程时序图3 7 图9 ：数据报套接字应用程序时序图3 8 图1 0 ：c s o c i ：e t 的编程步骤3 9 图1 1 ：软件系统结构图4 0 图1 2 ：数据文件位置示意图4 1 图1 3 ：查询空调数据流图4 5 图1 4 ：设置预设温度数据流图4 6 图1 5 ：系统登录流程图4 7 图1 6 ：e y d a y 系统在p c 上登录及家庭模块界面5 8 图1 7 ：e a s y d 町系统在p d a 上登录及家庭模块界面5 9 图1 8 ：e a s y d a y 系统w 曲登录界面，5 9 图1 9 ：e a s y d a y 系统家庭模块w 曲界面一6 0 图2 0 ：e y d a y 系统在p d a 或智能手机上的w 曲界面6 0 图2 1 ；完成目录更新及下载歌曲界面图6 1 图2 2 ：完成下载及播放歌曲界面图6 2 浙江大学硕士研究生学位论文 表格1 ： 表格2 ： 表格3 ： 表格4 ： 表格5 ： 表格6 ： 表格7 ： 表格8 ： 表格9 ： 表格目录 普适计算与现实计算比较2 2 数据流对应设备( n = o ) 4 3 数据流对应操作( n = 1 ) 4 3 数据流含义( p b u f 【o 】_ 0 或1 ) 4 3 数据流含义( p b u f 【o 】= 2 ) 4 3 数据流含义( p b u f 【0 】= 3 ) 4 3 数据流含义( p b u f i o 】_ 4 ) “ 命令集设计4 9 空调状态查询和更改的操作步骤5 0 2 浙江大学硕上研究生学位论文 摘要 普适计算的思想从上世纪9 0 年代初被提出后，得到了世界各大高校、研究 机构及企业的重视，因此得到了迅速的发展，并成为计算技术的研究热点。然而， 从现在的桌面计算模式到普适计算模式的转换，面临着诸多问题和挑战，多相性 就是其中之一。面对多相性问题，现在多数的研究项目方向是对“智能空间”的研 究，当智能空闻的局部化智能不断扩大的时候，也就更接近与理想的普适计算环 境。 普适计算思想的本质是“以用户为中心”代替“以机器为中心”的计算，所以本 文从“以用户为中心”的角度出发，提出了解决多相性的另一种概念一个人智能 环境。本文给出了个人智能环境的定义及其应当提供的服务。 针对个人智能环境，本文接着提出了一个应用实例e a s v d a v 系统，这 实例从个人用户的家庭、工作、娱乐三方面出发，为用户提供全面的信息服务。 本文从应用模型、系统功能、实现原则和实现方法四个方面对e a s y d a y 进行阐 述，并主要通过s u a lc + + 、e m b e d d e d s u a lc + + 及a s p 网络编程实现了 e a s y d a y 原型系统。 个人智能环境和e 踞y d a y 系统是对解决普适计算的多相性问题的一个全新 探索。 关键词：普适计算，多相性，智能空间，个人智能环境 浙江大学硕 研究生学位论文 a b s t r a c t s i n c em ei d e ao fp e r v a s i v ec o m p u t i n gi sb m u g h tu pi n1 9 9 1 ，t h em a i na n df a m o u s u i v e t s i t i e s ，c 0 _ n e g e s ，r e s e a r c hi n s t i t u t e sa n dc o n l p a n yh a v eb e e nf b c i l s i n go nt h i s f i e l dw i t hg r e a ts u p p o n 髓e r e f b r c ，t h ed e v e l o p m e n to fp e r v a s i v ec o m p u t i n gi sv e r y f a s t ，a n dp e r v a s i v ec o 玎1 p u t i n gh a sb e e nt h eh o tt 0 p i c0 ft h ec o m p u t i n gt e c h n i q u e h o w e v e r ，i tf a sm 趾yj s s u e sa n dc h a l l e n g c si nt h ec o v e r s i o n 丘o mt h ep c c o m p u t i n gt op e r v a s i v ec o m p u t i n g h c t e r o g e n e i t yi s 咖eo ft h e m a n do n c0 ft h e s o l u t i o nd i r e c t i o n sl oh e t e r o g e n e i t yi ss m a ns p a c e 田1 e s p i r i t o f p e a s i v ec o m p u t i g i s s u b s t i t u t i n g t h em a c h i n e c e n t e r e dw i t h u s e r - c e n t e r e d f t o mt h es i d eo fu s e r - c e n t e r e di d e a ，t h i sp a p e rb r i g h tu pa n o t h e r s o l u t i o nt ot l l eh e t e m g e n e i t y t h a ti sp e r s o n a ls m a ne n v i r o 衄e n t t h i sp a p e rp r o v i d e s t h ed e f i n 越o no ft h ep e r s o n a ls m a r te n v i r o n m e n ta n dt h es e r v j c e si ts h o u l ds u p p l y a c c o r d i n gt ot h ep e r s o n a ls m a ne n v i m n m e n t ，t h i sp a p e ra l s o 百v e so u ta na p p l i c a t i o n e x a m p l e b 皓y d a ys y s t e m ，w h i c hp m v i d e sm ei n f 洄a t i o ns e i c e st ou s e rf r o m t h r e ep a r t s f 撕l i 王y ，w o r k ，l e i s u r e t h i sp a p e rd e s 酾b e st h ee a s y d a yw i t hf o u rp a n s a p p l i c a t i o nm o d e l ，s y s t e mf u n c t i o n ，r e a 王i z i n gp r i n c i p l e ，a n dr e a l i z j gm e t b o d s ，a n d t l l e np r o g 硼st h ee a s y d a yp r o t o 帅es y s t e mm a i l l 王yw i t ht 王l ev c ，e v ca n da s p t h ep e f s o n a ls m a ne n v i r o 肌e n ta n de a s y i ) a ys y s t c mi san e wi n i t i a lp r o b et ot h e h e t e r o g c n c i t y k e y w o r d s ：p e r y a s i v ec o m p u t i n 舀h e t e r o g e n e i t y ，s m a ns p a c e ，p e r s o a l s m a n e n v i t 0 n m e m 2 浙江人学硕上研究生学位论文 第一章引言 “最具有影响力的技术是那些消失了的技术。这些技术交织在人们的日常 生活当中，直到它们再也难以区分开来。” “在树林中散步时，人们只要轻轻接触即可操纵的信息要比在任何计算机系 统中都要来得多。要用适合于人类环境的机器来代替人们进入机器操作的状况， 这样，就可以使得人们使用计算机如同在树林中散步一样舒服。” w b i s e fm a r k 【l 】 1 1 普适计算思想的由来 以上两段话来自普适计算思想的提出者，已故的x e m x p a l oa l t o 研究中心首 席科学家w b i s e rm a r k ，他在1 9 9 1 年的s c i e n t i f i ca m e r i c a n 上发表了题为n e c o m p u t e rf o r t h e2 1 s tc e m u r y 的文章，翻译成中文就是2 1 世纪的计算机，文 章中提到了上述两句话，深刻阐述了普适计算的本质特征- 消失”的技术和在 树林中也能“随时随地”的计算。 普适计算正是以w b i s c rm a r k 提出的以下思想为出发点的：“说到底计算机 是一种为人服务的工具。而成功的工具和成熟的技术应该在使用时不会分散用户 的注意力且不为用户所觉察i 。” 1 2 计算技术的发展 普适计算被称为计算技术革命的第三波浪潮，是计算技术发展的必然趋势。 第一代计算是大型机计算( m a i l l 觑i n l ec o m p u t i n g ) ，即很多人共享一台大型机； 第二代，个人计算( p e r s o n a lc o m p u t i n g ) ，即每个人在一台电脑上计算；而第三 代，就是普适计算( p e r v a s i v ec o m p u t i l l g ) ，即许许多多的设备通过全球网络为 许多人提供个性化的服务。 图1 1 2 j 显示的是以时间为横坐标，以销售量为纵坐标绘出的图。它反映出了 半个多世纪来计算技术发展的大致趋势。深蓝色的线代表的是大型机计算，红色 的线代表的是个人计算，而绿色的线表示的就是普适计算的发展。从图中可以看 3 浙江大学硕士研究生学位论文 出，普适计算现在已经进入一个蓬勃发展的时代。 图l ：计算技术发展的趋势 1 3 普适计算的发展研究状况 随着普适计算思想被提出，从上世纪9 0 年代开始，普适计算这一概念得到 广泛关注，并逐渐升温，各著名大学、研究机构、各大i t 公司都对其投入了大 量的研究力量，下面就简要介绍国内外的研究状况。 1 3 1 国外研究状况 国际上的一些著名大学和著名公司在普适计算的研究上有一些大型的研究 项目，也有一些已经可以商用，现举例如下： l 、0 】【y g e n 【3 1 “氧气项目”( o x y g e n ) 由m i t ( 麻省理工学院) 主持开发的。项目的主要 目的是研发新一代以人为本的人性化电脑，使信息服务像氧气一般，成为人们生 活中的必需，天衣无缝融合到建筑和日常用品中。 “氧气”的研究在智慧空间、移动计算、通讯和语音识别等多方面全面展开。 例如，项目中开发的e n v 的2 1 s 通过名叫蟋蟀( 撕c k e t ) ”的方位支持系统，与 能够自动适应环境和用户需求变化的软件( 0 2 s ) 建立智慧空问原型，提供有限 的信息服务。另外，名叫h a n 4 y 2 1 s 的掌上电脑可以自动识别主人，接受口语指 4 浙江大学硕l 研究生学位论文 令，遥控嵌入式系统。还有，名叫n e t w o r k s 的动态可自动设置的网络帮助设备 相互定位，并且帮助设备定位感兴趣的人、服务以及资源。 2 、a h r i l w a r eh o m e r e s e a r c hi n i t i a t i v e ) 1 4 l a h r i 项目【5 】是佐治亚理工大学正在开发的一个跨学科项目，旨在挑战未来 的家政科技。a h r i 拥有一个比较特别的实验室，名叫佐治亚理工宽带学院住宅 实验室。实验室是一幢三层楼高，面积为5 0 4 0 平方英尺的别墅。它为跨学科地 设计、开发和评估提供了一个绝佳的现场。 这个项目的研究重点是独居老人的生活。a h r i 现有成果包括了不少方便独 居老人的技术。例如，辅助记忆( m e m o r y 加d s ) 技术和臼常助理( e v e r y d a yh o m e 加s i s t a n t s ) 技术。其中，值得一提的是手势垂饰( g e s t u r ep e n d 锄t ) 系统。这项 技术的实质是一个万能遥控器，它采用了最接近人类交流方式的途径来接收指 令。用户将一个装有数字相机的垂饰挂在胸前，需要时只要在这个垂饰前用手势 给出指令，就可以控制从家庭影院到灯光，到厨房用品等各种家用电器。这个垂 饰系统甚至可以通过手势分析用户的健康和起居状况，比如从手势的力度和颤抖 来发现一些病状的先兆。同样，系统也可以记录用户的活动量和饮食作息。这项 技术不但方便了独居老人的生活，同样也是开发用户友好人机接口的一个成功尝 试。 3 、a u r a 【6 1 c a r n e 酉em e l l o n 大学开发的a - u r a 项目m 的研究特点是“不用分散注意力的普 适计算”。项目的目标是设计、执行、开展和评价一个大规模的计算系统，这一 系统将展现一个“个人信息气氛”，包括可穿戴的、手持的、桌面的和基础计算机。 a u r a 是一个集合了许多独立研究点的大型项目。d a 刑i n 是a u r a 核心路的智 能网络。c 0 d a 是一个分布式文件管理系统，用于支持漫游的文件接入。o d v s s e v 能够为资源的自适应性提供操作系统上的支持。这些产品及其它的产品都包含于 a u r a 之中，而a 1 m 强调的是普适中间件和应用的设计。 4 、0 n e w o r l d 嘲 n e wy o r k 大学的研究人员研究提出了一个新的体系结构名为o n e w o n d l 9 】， 它为建立普适应用提供了一个集成的、综合的框架结构。0 l i l e w o 蹦的目标是建 立可以自动适应的、高性能的、动态计算环境的应用，它还使得研究者更容易管 浙江大学硕上研究生学位论文 理不断变化的服务。比如说，“d i s c o v e r v ”帮助开发者建立可以定位和连接其它设 备上服务的应用，而当用户在现实世界中移动时，“m i 舯t i o n ”就会帮助各种应用 随着用户移动。 5 、p o r t o l a n o 【1 0 l w 劬i 1 1 9 t o n 大学的p o n o l a n o 项目1 1 1 】寻求建立一个研究普适计算的实验平台。 这一项目重点研究的是不可见的、基于意图的计算。这一计算可以根据用户在环 境中的动作和用户与日常物品的交互来推断用户的意图。 项目中的设备都是经过高度优化的，这样，设备就可以与现实世界融合在一 起并且只需要很少来自用户方面的技术知识。总之，p o n o l a n o 提出了一个基于 移动主体的结构，而这一移动主体正是担当着与应用和用户交互的作用。以数据 为中心的路由机制可以自动的在代表用户的应用之间进行数据迁移。这样，数据 就变得有“智能”了，同时也就充当了普适环境中的一种交互机制。 6 、c o o l t o w n 【1 2 j c 0 0 l t a 、n 项目【1 3 】是h e w l c t t - p a c k a r d 惠普公司的普适计算项目。这一项目主 要从w 曲技术、无线网络和便携式设备等方面来开发研究，目的是为了在移动 用户、物理实体及电子服务之间建立一个像桥一样的虚拟联结。 c o o l t o w n 运用u r l s 技术来寻址，使用u r l s 的物理信标和检测来发现目标， 然后通过地址目录来对w 曲服务器进行定位，最终为自由移动的用户建立一个 能够感知方位的系统。在此基础结构上，系统再利用i n t e m e t 的互连来支持通信 服务。h p 公司已经实现了些应用，并且在新加坡建立了一个实验的基地，可 以供用户去体验。 7 、e a s y i j v i n 毋1 4 1 e a s y l i v i n g 项目【1 司是由微软研究院的v i s i o n 小组主持开发的。项目主要研究 建立智能环境的原型结构和技术。项目主要从事寻址中间件、几何学世界建模、 感知、服务描述等方面的研究。关键的系统特性包括计算机视觉、多个传感器的 模态、自动和半自动传感器校准、装置独立通信和数据协议等。 8 、w 曲s p h e r ce v e r y p l a c e i b m 的普适计算工作集中于应用和中间件的开发，并扩展i b m 的w 曲s d h e r e 软件平台。w 曲s p h e r c e v e r y p l a c e s u i t e 系列软件【1 q 就是采用了普适计算的思想。 6 浙江人学硕士研究生学位论文 i b m 提出：办公人员和消费者所需要的所有服务加在一起可以总结成一件事情， 即不管是在何时何地，都有访问重要信息并且做出反应的能力。要实现这种信息 无处不在的简单方式，需要考虑多种因素，其中包括个性化的信息、个性化的信 息存储、设备和用户管理、安全性以及足够灵巧的智能内容转换以适应所使用的 不同设备以及不同的位置。由i b m 提供的每一个解决方案的各个组成部分都能 帮助建立客户的信任，但关键是能将用户的网络和通信基础设施带入普适计算领 域。 1 3 2 国内研究状况 在国内，主要是几所著名大学在投入了大量的研究力量。 1 、清华大学普适计算实验室 清华大学普适计算实验室是设于计算机科学与技术系下的一个教育部重点 实验室。实验室的主要研究方向为智能空间及智能环境。研究成果之一为智能远 程教室【1 7 l ，这一智能空间的特点包括基于多模态信息的自然人机交互、分布侍 候式服务( a t t e n t i v es e r v i c e ) 、经历( e x p e r i e n c e ) 自动记录、计算和通信服务的 分散性和不可见性、支持远程协同工作等。下面的章节还会有详细介绍。 2 、北京大学普适计算实验室 北大的普适计算实验室f 1 8 】从事基于普适计算环境下的核心技术的研究。现 在的工作集中于以下几个方面：一、设计和开发普遍接入和消息传送平台：二、 本体论( o n t o l o g y ) 工程和基于语义( s e m a i l t i c ) w e b 的本体论；三、自适应主体 系统的体系结构；四、为科学、工程和防御应用服务的认知系统等。 已经成功开发的一套移动教育平台正运用于北京大学的网络教学平台上。通 过这一平台，用户可以进行端到端的即时聊天通讯，可以享受端到多的办公通知 服务，用户还可以将个人通讯录备份于服务器端，这时，系统提供同步机制可以 与客户端进行数据资料同步、上传资料、下载资料、w e b 方式在线编辑个人通 讯录等功能。 3 、东北大学 东北大学的研究工作主要从嵌入式计算角度去研究普适计算的体系结构等 方面的内容，其中最重要的成果是出版了普适计算计算混沌形式【19 】一 7 浙江大学硕士研究生学位论文 书，这是国内研究者所写的第一本全面介绍普适计算的著作，对于国内普适计算 研究工作的开展起到了重要的作用。 1 4 本文的研究工作 基于普适计算的研究理论，本文针对普适计算发展中面临的多相性问题，提 出“个人智能环境”概念，并依据这一概念开发了e a s y d a y 系统原型，本文的主要 工作如下： 1 、针对普适计算多相性，讨论其解决方法； 2 、相对于普遍采用的“智能空间”研究方法，提出“个人智能环境”概念： 3 、设计“个人智能环境”的应用模型，并提出e a s y d a y 系统； 4 、主要使用s u a lc + + 、e m b e d d e dv i s u a lc + + 和a s p 进行软件编程，完成 e 硒y d a v 系统的原型开发。 本文的基本结构如下： 第一章介绍普适计算思想的由来、计算技术的发展、国内外的研究状况，以 及本文的研究工作； 第二章整体介绍普适计算的理论，概述了普适计算的定义、发展、原型、特 征及普适计算研究的相关领域； 第三章概述普适计算发展中面临的问题和挑战，并重点阐述多相性问题，并 讨论了一般的研究方法“智能空间”，给出了一些“智能空间”的实例； 第四章提出“个人智能环境”概念，从“以用户为中心”的普适计算思想出发， 讨论了普适计算中的人机交互研究，并从“人性化设计”、“以人为本”的角度去说 明“个人智能环境”的概念，并对“个人智能环境”和“智能空间”做一个比较； 第五章详细叙述了个人智能环境的应用实例“e a s y d a y ”系统，并从应用模型、 系统功能、实现原则和实现方法四个方面做了说明，其中在实现方法上又详细讨 论了运用的基本网络技术、软件模块划分、数据存储与同步、数据流设计、登录 流程及安全性考虑、命令集的设计、功能说明等细节； 第六章则对本文的创新点及可开展的后续工作进行了总结。 浙江人学硕士研究生学位论文 第二章普适计算概述 2 1 普适计算的定义 普适计算这一中文译名来源于英文中的硒个单词p e r v a s i v ec o m p u t i n g 和 u b i q u i t o u sc o m p u t i i l g ，在英文的文献中，两者是相近的意思，都被广泛使用。 在中文文献中，也翻译为“普及计算”，但现在国内使用得最广的还是“普适计算”。 普适计算最早的定义来源于i b m 公司：“通过新一代的设备根据需要随时随 地方便地访问相关信息，并可轻松地对其进行操作【别。”现在国内普遍采用的定 义为：“普适计算是信息空间与物理空间的融合，在这个融合的空间中人们可以 随时随地、透明的获得数字化的服务【2 l 】。” 其中“信息空间”为计算机和网络当中的各种数字化信息、服务、计算和通讯 构成的一个总体。“物理空间”就是我们周围能够看得见，能够实际感受到的空间， 就像我们平时能看到的各种物体等。而说到信息空间和物理空间的融合，最简单 的一种方法就是在物体上嵌入一定的感知、计算、通信能力，例如给每个物体加 上条码、红外或r f i d 等等，这样，物体就同时具有物理空间和信息空问的用途。 “随时随地”是指人们可以在工作、生活的环境中就可以获得服务，而不需要离开 这个环境，坐在一台专门的计算机面前。“透明”是指获得这种服务时不需要花费 太多的注意力，即这种服务的访问方式是十分自然的，甚至是用户本身注意不到 的，即所谓蕴涵式的交互。相对于“随时随地”的特性，“透明”是普适计算更本质 的要求，是其与桌面计算模式最本质的区别。 下面给出另一段更形象和生动的，关于普适计算的叙述。上文所述，“普适 计算”来源于对p e r v a s i v ec o m p u 血g 的翻译，如果换一个说法，翻译为“无间计 算”1 2 2 1 。“无间一词源于佛经中的“无问地狱”。那么什么是“无间，呢? 据说，这 与地狱里的刑罚永不间断有关。通常的可以把“无间”理解为“不间断”的意思。无 间地狱里，这个不间断的定义范围有所扩大。传说中的无间有五种。第一个叫“时 无间”，第二个是“空无间”，第三个是“罪器无间”，第四个叫做“平等无问”，第五 个叫“生死无问”。同样，也把“无间计算”里的无间分为五种：第一，“时无间”， 意思是信息服务的时间是没有间断的，日以继夜；第二，“空无间”，也就是说， 9 浙江大学硕f j 研究生学位论文 针对个人信息服务，无论在哪里，都会传递到目的地：第三，“罪器无问”，也就 是信息服务的载体没有间断，人们可以不停地以不同的工具获取信息服务；第四， “平等无问”，无论男女老幼，都是平等的，针对个人的信息服务就总是有效；第 五，“生死无间”，这个可以理解为无论系统出现什么异常，人们能享受到的服务 总是连续的，用户感觉不到服务器转换等细节问题的处理。这就是无间计算，不 同的是，地狱的无间在这里是信息的无间和人类视听触觉的无间。 2 2 普适计算的发展 在2 0 世纪7 0 年代中期，p c ( 个人计算机) 的出现使得计算机更接近人们的 生活工作，普适计算的发展就已经迈出了重要的第一步。在w b i s e r m a r k 的概念 中，让一台计算机个人化，即p c 的出现，仅仅是实现了技术上对计算机的替换， 而实际上，他的想法应该是让复杂的计算与人们的日常生活分离开峨 虽然p c 并没有挖掘出信息技术的所有潜力，但人们不可否认的是，p c 在计 算机的普及方面迈出了第一步，虽然这时还称不上是“普适计算”。同时，p c 的 发展也成为了计算机硬件的显著增长和图形用户界面( g u i ) 发展的重要因素。 1 分布计算( d i s t r i b u t e dc o m p u t i n g ) 随着网络的出现，个人计算逐步发展在为分布计算。当计算机连接在一起以 后，就可以通过网络来共享计算性能。分布计算标志着普适计算迈出的第二步。 它能够无缝接入远程的信息资源，并且网络的通信也拥有容错功能、较高的可用 性及安全性【埘。 虽然万维网( w 矾dw i d ew c b ) 并不是针对分布计算的基础结构来进行设计， 但是网络的无处不在使锝万维网成为了进行分布计算实验时最具吸引力的选择。 对于普适计算环境的发展，万维网建立了一种更能经得起检验的实验环境。网络 发展的a dh o c 特性证明，我们能够在个很大的范围内把计算能力分布开来， 而且还能保持可伸缩性。网络中连接资源的单一机制提供了把分散的信息库结合 成一个单一结构的方法。 更重要的是，万维网首先建立了一个几乎无处不在的信息和通信基础结构。 许多用户每天都会访问数字世界中的结点，最常见的就是他们自己的主页和电子 邮件地址，而且用户使用怎样的计算机来访问这些信息在很大程度上已经变得不 浙江人学硕士研究生学位论文 那么重要了。虽然万维网并没有遍布于真实世界里的物理实体，但是它至少成为 了通向普适计算的一个潜在起点。 2 移动计算( m 0 b i l ec o m p u t i n g ) 移动计算从蜂窝技术与w 曲的集成发展而来【2 4 1 。移动设备的体积大小和价 格每天都在下降，这使得w i s e r m a r k 设想的，在任何用户环境中，普适设备都 要达到英寸级大小的可能性成为了现实。蜂窝式移动电话系统把电话设备和s i m 卡( s u b s c f i b e ri d e n t i t ym o d u l e ) 分离开来。这样，用户插入他的s i m 卡就可以 使用任何一部移动电话，就像使用他自己的电话一样来拨打和接听电话。 用户可以从不同的设备接入万维网上的同一个结点，这些设备包括办公室或 家里的p c 、移动电话、p d a ( 个人数字助理) 等等。在这样的情况下，对于大 多数用户来说，问题就在于某一设备提供给他们的数据世界是一个什么样的。 s i m 卡技术表明，如何去接入数据已经变得比终端系统更重要了。按照这样的状 况，我们已经逐渐使得计算机“消失”了，已经使得用户的注意力离开了计算机设 备。 移动计算的目标是“任何时候、任何地点”，这指的是接入信息的方法，但同 时，它也为普适计算的“每个时刻、每个地方”做好了前期准备。如图2 所示，普 适计算是移动计算的超集。除了移动计算之外，普适计算还需要对互操作性、可 伸缩性、智能性和不可见性的支持，这样，普适计算就能保证用户在所有他们需 要的时候无缝的接入并进行计算。 图2 ：普适计算的系统级视图 浙江大学硕士研究生学位论文 2 3 普适计算的原型 为了建立普适计算环境，在技术层面上的进展大致可分为四个领域的发展： 设备、网络、中间件和实际应用。图3 说明了它们之间的关系。 图3 ：晋适计算框架结构 l 、设备 一个智能环境应该包括各种类型的设备： 传统输入设备：鼠标和键盘等；传统输出设备：喇叭和发光二极管等 无线移动设备：寻呼机、p d a 、移动电话、掌上电脑等 智能设备：智能器具、带有嵌入式传感器的地板砖、生物传感器等 理想的情况是，普适计算应当包括世界上的每一样设备。这些设备都被嵌入 了主动或者被动的智能”。胁r l s n l h e 大学的m e d i a o p 项目【2 5 】就是按照这一设想 对每一件物品进行了实验。这一项耳的指导原则是用一个数字系统来保存每一个 物品的原始外观、目标和使用能力，以此来增强物品的功能。 传感器能够自动的收集信息、发送信息并且根据信息采取某种行动。传感器 的这些特性使得它成为了普适设备中重要的一类子设备。比如说，基于g p s 的 传感器能够提供位置数据，一个设备就可以把这些数据“翻译”成纬度、经度和高 度。立体照相机的视频就是普适计算中另外一种能够有效的跟踪位置和等同性的 传感器。这些能够快速处理数据、并且有两个镜头的数字相机可以同时记录物体 浙江大学硕士研究生学位论文 的背景图像和形状，这对于跟踪像手势之类的动作有着很大的帮助。 2 、普适网络 在未来的几年问，普适设备的数量会成倍的快速增长。将会有更多的p d a 、 无线电话、寻呼机、机顶盒、投币式自动售货机、嵌入了芯片电冰箱和洗衣机等 等进入普适网络。这样一个设备快速激增的结果就是许多现有的网络技术必须改 进。全球网络除了要扩展自身的主干结构来满足需要外，还要修改许多i i l t e m e t 中现存的应用，使得这些普适设备能够完全集成于现存的网络系统中。 3 、普适中间件 就像在分布计算和移动计算中一样，普适计算也需要一个中间件“外壳”来连 接网络核心和运行在普适设备上的终端用户应用程序。如图3 所示，从用户的角 度来看，普适中间件调解用户和网络内核之间的交互；同时，普适中间件又可以 保持用户浸没于普适计算空间之中。中间件通常会由绑定运行在c s 或p 2 p 模 式上的软件和硬件组成。 用户界面是中间件的一个方面。标准的w 曲浏览器可以展现出复杂的用户 界面。与用户在使用普适设备时相比较，这些浏览器都使用更多的颜色、图表和 控制键，所以对普适计算用户界面的设计也是个重要问题。移动计算引入了微 型浏览器。例如，p h o n e m 的u p 浏览器就运行于一些商用的数字电话上。 4 、普适应用 相对于基于w 曲技术的计算和移动计算来说，普适计算以环境为中心的计 算程度更深。这就意味着，各种普适应用将使得中间件和网络方面的问题扩大化。 比如说考虑一个带有嵌入式监视器的心脏病人，监视器可以无线的与计算机进行 通信，而计算机可以发现和报告任何异常情况。这里的监视器就应该根据对周围 环境的了解，知道何时发出警报。所以这比一般简单的无线通信要复杂得多。 e l i t e c a 旺【2 6 l 就是一个辅助生活联合机构，它致力于把具有相似的技术应用于 改善老年人的生活质量上旧。 2 4 普适计算的特征 普适计算应具备以下四个基本特征：分散性、多样性、连通性和简单性f 2 刚。 1 、分散性 浙江大学硕士研究生学位论文 从集中计算到分散式计算的转变是普适计算的第一个特征。在大型机时代， 功能强大的超级计算机将它们的处理能力提供给哑终端。随着p c 的蓬勃发展， 出现了客户机胡艮务器体系结构，它将计算能力从服务器转移到客户机上。 而普适计算则将处理职责分布到多种多样的小型设备中，而这些设备接管了 特定的任务与功能。所有这些实体都为一个异构的全局性计算系统服务。它们在 一个开放的社区中合作以建立动态的关系网。 分散性带来的一个新的课题是，如何使用户能在移动设备上使用各种应用与 信息，并拥有与联网系统或其他设备同步所有更新的能力。信息源头与目的地在 普适计算的世界中将会分布得非常广泛。流行的移动设备，如手持电脑、手机、 寻呼机和笔记本电脑，除了要与桌面应用同步数据以外，还需要在移动中彼此同 步数据，如同程表和通讯录。而各种设备中功能和容量不同的数据库也必须保持 一致。 普适计算设备及应用经常被嵌入服务基础结构中，如移动电话网络。分散性 使服务提供商有必要从远端管理并更新他们部署到客户设备上的软件，并提供更 新。他们还必须记录每个客户的配置文件与设备能力。 2 、多样性 普适计算的多样性将影响到计算机系统的功能。 在今天的r r 世界中，典型的客户随意从某一个厂商那里买来一台通用的计 算机并配齐他需要的所有软件，如浏览器、文字处理程序及财务软件等。用户通 常在一台计算机上完成所有的工作，不同的应用是由软件实现的。 而普适计算则提出了以下关于功能的全新见解：现在，厂商们正从开发性能、 价格与功能不断受到挑战的通用计算机，转而提供满足特定用户群的特定用途的 各式各样的设备，最终用户很有可能会有一大堆各式专用计算机。如今，这些新 的设备往往会与酱适计算联系起来，如w a p 手机、可视电话和掌上电脑，它们 只提供一些针对特定应用场合而特别定制过的功能。应用已成为软硬件的无缝集 成，它们通常只在特定场合下被使用，而且只针对这些场合进行过优化。 不断增长的多样性带来的巨大的挑战如何管理各种各样的设备不同能 力。因为每种服务提供平台都有其相应的特性，因而很难提供通用的应用。 用户界面可能是这些设备问最明显的区别：有些设备有高分辨率彩色屏幕， 1 4 浙江大学硕士研究生学位论文 可以显示窗口式的图形用户界面：而另一些则只能显示几行文字。为了保证可读 性与可用性，必须对显示的内容进行筛选与修改。 不同设备之间的差别不仅仅体现在显示能力方面，还有不同的数据输入方 式，如输入笔、功能键盘、语音或手写体识别等，使用户界面因设备而异；能随 时访问网络的无线设备和只是偶尔连接网络的p c 伴侣肯定有不同的应用场合。 3 、连通性 普适计算的第三个特征是对连通性的强烈需求：各种各样的设备在一个没有 界限的r r 世界罩无缝地集成在一起。 与平台相关的技术问题是应用与信息交换的主要障碍。实现连通性与互操作 性的一种方法是使应用基于共同的标准。而这将引出i t 业的一项重要任务：必 须建立开放的标准以满足不同设备的需要。通信标准、标记语言及跨平台的软件， 都必须在全球性的互操作性基础之上集成在一起。 新的标准，如w a p 、u m t s 、蓝牙或红外传输等，已经由大型的跨行业的发 起者建立，并定义了必要的通信协议和底层物理连接。h l t e m e t 已经演变为全球 性的公用网和私有网的骨干网络。 但仅仅将两台设备连接在一起是不够的，还必须能够交换应用和数据。j a v a 是实现应用程序平台独立性的种手段：它是一种新的编程语言概念，可以创建能 够在任何设备上运行的平台中立代码。这是一个与普适设备的多样性有关的重要 特性：j a v a 代码可以运行在智能卡、手持设备以及智能家电上。对数据交换而言， l 是事实上的、独立于平台的、信息与内容的表示标准。 4 、简单性 信息的访问与管理必须能在不必花费大量时间掌握新技术的前提下实现。用 户对界面盼接受程度会对下一代i t 服务与产品的接受程度产生重大影响。任何 形式的计算机都应该成为不言自明的日常生活用具。对于管理传统的计算机系统 的复杂性而言，选择适当的用户群并进行教育是必需的。但普适计算机的使用是 非常直观的，用户甚至不需要去阅读使用手册。今天在p c 上需要遵循安装步骤 并执行一系列命令才能完成的操作，在明天可能只需要一个按钮甚至通过语音命 令或输入笔就可以完成。 浙江人学硕士研究生学位论文 2 5 普适计算的相关研究技术 普适计算是一个涉及研究范围很广的课题，它包括分布式计算、移动计算、 人机交互、人工智能、嵌入式系统、感知网络以及信息融合等等，以及这些技术 的融合。而未来普适计算的发展基于以下四个方面的技术革命以及它们的协同工 作【2 2 】： 一、感知和感知界面：这些技术将会使人工作在一个不断改进的、难以察觉 机器和服务存在的集成环境中。通过许多用户感觉不到的设备，系统可实现以人 为本的实时协同工作环境。 二、移动技术和网络：未来许多无处不在的设备将会随着用户的移动而在不 同的工作环境间转换。这就需要空前发达的移动和网络技术，设备需要尽快被定 位并访问适当的信息和资源。在这样的移动技术中，安全性是个重大的挑战。 三、普适设备：不同功能的设备可被用户携带移动，它们需要装备低功耗的 无线网络设备，并且完成日以继夜的长时间连续任务。低价格、小体积和高性能 可使它们能普遍安装，并具有隐蔽性。 四、信息访问：信息访问的方式将会变得多样化和人性化，人们与机器交互 时不再受机器的制约。 现在，针对以上四个方面技术革命的研究已经初见成效，不少研究成果甚至 已经商业化，比如手写输入、语音交互、远程传感等等。尽管这些技术的最终融 合还需要很长的时间，然而人们已经看到了普适计算的曙光。下面给出了一些技 术革命实例： 一、感知界面：语音交互、手写输入、宽屏显示、形状敏感设备、目光跟踪、 手势识别、声音识别、声音探测、声学成像、语音识别、传感器互熔等。 二、移动技术和网络：移动层结构( n j a l 等) 、目录服务、安全管理、无线 通讯协议、服务发现、移动会话管理、远程传感、m 语音技术、i p 图像技术等。 三、普适设备：智慧笔记本、便携传感器、电子书籍、掌上计算机、智慧标 识等。 四、信息访问：虚拟文件索引、口头文件索引、分布式多媒体数据库、口头 文件检索、文本检索等等。 1 6 浙江大学碗上研究生学位论文 第三章普适计算的多相性问题 多相性( h e t e r o g e n e i t y ) 是在普适计算的实现过程中面临的问题之一，下面 首先介绍一下普适计算实现过程中有可能面临的问题和挑战，再重点介绍多相性 问题。 3 1 普适计算面临的问题和挑战 如上一章中的图2 所示，普适计算是移动计算的超集。这样，普适计算除了 包含移动计算研究的问题，也带来了一些只有普适计算才会有的问题。在所有的 情况下，普适应用都应当消失于普适环境中。 1 、可伸缩性( s c a l a b i l i t y ) 未来的普适计算环境将要面对用户、应用、连网设备的激增，同时，它们之 间的交互也会增加到一个前所未有的程度。随着环境智能化的发展，连入环境的 设备数量和人机交互的密度也会水涨船高。 传统的发展方法是需要为每一台新设备重新设计应用。虽然一家企业可以像 增加新设备的速度一样去生产新应用，但是，独立于设备的应用逻辑的编写只能 进行一次，这将会给解决应用的可伸缩性问题带来巨大的成本。 另外，典型的应用分散并独立安装在每一类设备和处理器家族中。随着设备 数量的增长，为每一类设备和每一族的处理器进行精确的分布和安装就会变得很 难实现，特别是在跨越一个很宽的地理区域的时候。 2 、多相性( h e t e r o g e n e i t y ) 将在下一小节中详述。 3 、集成性( h 哂乒a t i o ) 虽然在许多环境下，已经开发出普适计算的各类组件，但是把它们集成到一 个简单的平台上仍然是研究中的问题。这与在分布计算中遇到的问题有相似之 处，但是规模变得更大了。随着设备和应用数量的不断增加，集成变得更复杂。 例如，服务器必须要管理几千台并行客户端的连接，而普适设备的涌入会使得服 务器很快就会达到其容量上限。我们就需要对许多自主服务器进行联合合作来为 浙江大学硕士研究生学位论文 用户提供服务。集成普适计算组件要有严格的可靠性、服务质量、不可见性和普 适网络的安全策略。联合在一起的服务器之间的有效的协同性是必须的。这些协 同合作的范围从传统的区域( 如消息路出、屏幕判优算法) 到新的领域( 如决定 哪一个应用能够运用一个房间的光线强度来与用户进行通信) 。对于一个广泛的 区域联合中，消息存取是首要的需求。要想把一条消息通过多径传到目的地，而 且消息次序不乱，服务器间的路由就显得很重要了。 4 、不可见性( i n v i s i b i l i t y ) 一个需要最小用户介入的系统的实现就已经很接近不可见性了。系统如果不 能自动的达到用户的预期，用户就会介入系统并调节智能环境。这样的介入应该 成为环境学习周期的一部分。但是，要不断的满足用户的期望，环境以及其中的 对象就应当能够进行自我调节。 一个智能环境可以在不同的系统层次上进行调节。例如，网络层的设备就需 要能够自动配置。对于普适计算来说，现在对一个设备的地址、子网掩