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硕士论文基于普适计算的数字语音教学系统研究与设计 摘要 随着计算、通信和数字媒体技术的发展和渗透，以及嵌入式计算和通信设备的快 速兴起，一种全新的计算模式一普适计算一正在兴起和发展。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和透明地获得数字化的服 务；计算机本身将从人们的视线中消失，人们注意力的中心可以回归到要完成的任务 本身。普适计算将从根本上改变人们对什么是计算的思考，也改变我们整个生活和工 作的方式。 本文根据当前语音教室的发展需求，设计并实现了基于普适计算的数字语音教学 系统。首先介绍了普适计算的概念和普适计算的当前研究状况，给出了系统整体的硬 件和软件框架；然后在移植p c 幻s i i 操作系统的基础上，实现相关驱动程序的编写， 对相关的网络传输协议进行简化，以支持学生机的应用功能；最后描述了普适计算中 上下文感知技术在本系统中的应用。本系统中教师机以p c 机为平台，学生机以嵌入 式微处理器$ 3 c 2 4 1 0 为核心，适当扩展外围设备，满足基本语音教学的需求，最大 化的整合语音教学资源，优化模块设计。 关键词：普适计算，数字语音教室，| ic o s i i ，$ 3 c 2 4 1 0 ，上下文 a b s a t r a c t硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n di n t e r p e n e t r a t i o no fc o m p u t a t i o n ，c o m m u n i c a t i o na n d d i g i t a lm e d i a , a n dt h ef l o u r i s ho fe m b e d d e dc o m p u t a t i o na n dc o m m u n i c a t i o na p p l i a n c e ，a n o v e lt y p eo fc o m p u t a t i o nm o d e - p e r v a s i v e u b i q u i t o u sc o m p u t i n g - i sb o o m i n g t h em a i n i d e ao fp e r v a s i v ec o m p u t i n gi st oe m b e dc o m p u t e ri n t ot h el i v i n ge n v i r o n m e n to rt o o lo f h u m a n ，s o 嬲t om a k et h ec o m p u t e ri n v i s i b l ef r o mu s e r s s i g h ta n dt h eu s e r sc a nf o c u so n t h e i rt a s ki t s e l f , i n s t e a do ft h ec o m p u t e r p e r v a s i v ec o m p u t i n ge m b o d y i n gt h ei n t e g r a t i o n o fc o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o na n dd i g i t a lm e d i at e c h n o l o g ym a k e si tp o s s i b l et oi n t e g r a t e t h ep h y s i c a lw o r l dw ea r el i v i n gi na n dt h ev i r t u a lw o r l di nt h ei n f o r m a t i o ns p a c et o g e t h e r a st h ew h o l e t h a t ，a st h er e s u l t ，w i l lm a k e sap r o f o u n di n f l u e n c eo no u rt h i n k i n go n i n f o r m a t i o na n do u r w o r k i n ga n dl i v e ss t y l ea sw e l l t h em e t h o do fd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ec l i e n to ft h ed i g i t a lv o i c er o o m b a s e do i lt h ep e r v a s i v ec o m p u t i n gi se m p h a s i z e da n ds o m en e ws c h e m e st ot h ek e y p r o b l e m sa l ep r e s e n t e d t h ep a p e r f i r s tt e l l sa b o u tt h ec o n c e p to fp e r v a s i v ec o m p u t i n ga n d t h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so f t h ep e r v a s i v ec o m p u t i n g ，t h ef r a m e w o r k o f s y s t e m ， i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es c h e m e ，i sp r e s e n t e d t h e nw ei m p l e m e n tc o n c e r n e d d r i v e r sb a s e d0 1 1s u c c e s s f u l l yt r a n s p l a n t i n gt h ei t c o s i ia n dc u td o w nc o r r e l a t i v e p r o t o c o l sa n dd e s i g nt h em y p r o t o e o lp r o t o c o lb yo u r s e l v e st ot h ei m b e d d e ds y s t e m a t l a s t ，t h ep a p e ra l s ot e l la b o u tt h ea p p l i c a t i o no fc o n t e x ta w a r e n e s si nt h i ss y s t e mn a m e d t h ed i g i t a lv o i c er o o mb a s e do nt h ep e r v a s i v ec o m p u t i n g i nt h i ss y s t e m ，w ea d o p tp ca s t h et e a c h i n g - t e r m i n a la n dp r o p e r l ye x t e n dp e r i p h e r a le q u i p m e n to nt h em p u $ 3 c 2 410t o m e e tt h et e a c h i n gd e m a n d s ow ec o n s t r u c ta r c h i t e c t u r eo ft h es y s t e mw h i c hi n t e g r a t e s a u d i o - t e a c h i n gr e s o u r c e sa n do p t i m i z e sm o d u l ed e s i g no nt h eb a s i so fk e e p i n gt h e a d a p t a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：p e r v a s i v ec o m p u t i n g , t h ed i g i t a lv o i c er o o m ，i - t c o s - i i ，$ 3 c 2 4 10 ，c o n t e x t a w a r e n e s s h 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：2 矿d 8 年岁月习日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 硕士论文 基于普适计算的数字语音教学系统研究与设计 1 绪论 本章简单介绍了课题涉及的普适计算的概念和普适计算的国内外研究现状、课题 研究的背景，并给出本课题的主要工作及文章的组织结构。 1 1 普适计算的概念 随着计算技术的发展，我们已经由p c 时代进入网络时代，进而进入后p c 时代。 m m 在1 9 9 9 年创造了一个名词“普适计算 ( 又叫“普及计算”，p e r v a s i v e c o m p u t i n g ) 。“普适计算【i 】指的就是，“无论何时何地，只要您需要，就可以通过某 种设备访问到所需的信息 。从计算技术的角度来看，人类已经由网络计算逐步延伸 到了普适计算。 通俗来讲，普适计算的含义十分广泛，所涉及的技术包括移动通信技术、小型计 算设备制造技术、小型计算设备上的操作系统技术及软件技术等。普适计算是指无所 不在的、随时随地可以进行计算的一种方式；，主要针对移动设备，比如信息家电或某 种嵌入式设备，如掌上电脑、b p 机、车载智能设备、笔记本计算机、手表、智能卡、 智能手机( 具有掌上电脑的一部分功能) 、机项盒、p o s 销售机、屏幕电话( 除了普 通话机的功能还可以浏览因特网) 等新一代智能设备。普适计算设备可以一直或间断 地连接着网络。与i n t e m e t 、i n t r a n e t 及e x t r a n e t 连接，使用户能够随时随地获取相关 的各种信息，并做出回应。由于普适计算设备的高度移动性，所以也被称为移动计算。 普适计算提供了经由网络，使用各种各样的普适计算设备，访问后台数据、应用和服 务的功能。无论使用何种普适计算设备，用户将能轻易访问信息，得到服务。普适计 算降低了设备使用的复杂性，帮助提高在外办公人员的效率和人们的日常生活水平。 从软件系统的角度来讲，普适计算是指使用小型计算设备、在位置不断移动的过 程中或在地理位置分布很广的范围内，在不稳定的通信条件下实现联机事务处理和企 业核心数据访问。这些小型计算设备，具有多种通信手段，如移动通信网络、卫星等， 能与互联网或企业内部网相连，但这种连接不是固定的连接，而是间断的连接。普适 计算的软件技术使用户可以使用这些设备进行复杂的联机事务处理和信息访问，因为 用户所使用的设备体积小，可用的计算资源( 内存、存储设备和c p u ) 都相当有限， 大部分处理工作由计算中心的数据服务器和应用服务器完成。 1 2 普适计算的国内外发展现状 普适计算( u b i q u i t o u s p e r v a s i v ec o m p u t i n g ) 的思想由m a r kw e i s e r 在1 9 9 1 年提出， 并从上个世纪9 0 年代后期开始受到广泛关注和接受，目前在国际上已发展成为一个 i 绪论硕士论文 研究热点。推动普适计算研究的力量来自三个方面：学术界、政府部门和产业界【2 j 。 一、学术界积极开展普适计算相关的研究 1 、以普适计算为背景的研究计划广泛开展 从2 0 世纪9 0 年代中后期开始，绝大多数美国和欧洲的知名大学和研究所都启 动了相关的计划。美国的m i t 、c m u 、s t a n f o r d 、u cb e r k e l e y 、u i u c 、g i t ，德国 的g m d 、u n i v e r s i t yo fk a r l s r u h e ，英国的c a m b r i d g e 、l a n c a s t e r 等都开展了相关的 研究。 2 、相关学术会议大量召开 目前已经形成了每年召开的两个国际会议系列，即1 9 9 9 年开始的u b i c o m p 会议 和从2 0 0 0 年开始的p e r v a s i v ec o m p u t i n g 会议。此外，在2 0 世纪9 0 年代中期，其 他各种形式的普适计算会议也已经召开了数十个，其中一部分以w o r k s h o p 的形式在 一些重要的学术会议上召开，如伴随c h i 召开的“u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ：t h ei m p a c to n f u t u r ei n t e r a c t i o np a r a d i g m sa n dh c ir e s e a r c h 。 3 、学术刊物广泛发行 国际上目前已经发行了两种专门针对普适计算的期刊，即1 9 9 7 年创刊的 p e r s o n a la n du b i q u i t o u sc o m p u t i n g ) ) 和2 0 01 年创刊的( ( i e e ep e r v a s i v ec o m p u t i n g ) ) 。 其他一些重要期刊也发行过相关的专刊，如1 9 9 9 年的( i b ms y s t e m sj o u r n a ls p e c i a l i s s u eo np e r v a s i v ec o m p u t i n g ，2 0 01 年的s p e c i a li s s u eo fi e e ep e r s o n a l c o m m u n i c a t i o no np e r v a s i v ec o m p u t i n g ) ) 等。 二、政府部门提供广泛支持 美国的d a r p a 、n s f 、n i s t 都对普适计算研究提供了资助，d a r p a 专门设立 了u b i q u i t o u sc o m p u t i n g 科目并资助了5 个相关研究计划，分别是m i t 的o x y g e n 、 c m u 的i n v i s i b l ec o m p u t i n g ( a u r a ) 、o g i 和g i t 的i n f o s p h e r e 、u cb e r k e l e y 的e n d e a v o r 和u n i v e r s i t yo f w a s h i n g t o n 的p o r t o l a n o 。在欧洲，由政府部门资助的项目有e u r o p e a n c o m m i s s i o n 下i p t s 资助的u b i q u i t o u sc o m p u t i n gi ne u r o p e 计划、英国e p s r c 资助 的e q u a t o r 计划等”。 三、产业界热情高涨 2 0 世纪末i t 业突显的疲软使i t 巨头们认识到桌面计算已经进入了发展的平稳 期，促进产业继续发展的希望就落在普适计算上。因此i b m 、微软、s u n 、h p 、a t & t 、 s o n y 、a c c e n t u r e 等公司纷纷投入巨资开展普适计算方面的研究。其中，i b m 是普适 计算的积极鼓吹者，其属下的研究院专门开展了相应研究，普适计算的概念甚至已经 进入该公司的产品营销层面。微软研究院也开展了e a s y l i v i n g 计划，研究普适计算 的关键问题和应用，比尔盖茨本人也多次声称“p c 时代仅仅是人类数字时代的摇 篮期，未来将出现各种各样的数字和计算设备。 另外，美国也已经出现了许多以普 2 硕士论文 基于普适计算的数字语音教学系统研究与设计 适计算中的关键计算技术为依托的新兴计算机公司。 目前，业界和高校的实验室均有普适计算项目推出，其原型系统通常由一些可移 动的手持设备动态构成邻近网络，以提供各种普适计算应用。比如较为典型的项目有： 1 、麻省理工学院( m i t ) 的o x y g e n 项目其寓意是未来计算像氧气一样无处不在 并可自由获取。该项目将固定计算设备和移动设备通过可自动配置的网络连接起来。 系统采用了包括休眠环境的自动转换等8 种环境驱动技术。 2 、i b m 的w e b s p h e r ee v e r y p l a c e 项目的努力目标是使企业应用更易于在移动设 备上发布。该技术的核心是一个基于w e b s p h e r e 的扩展服务，该扩展服务是一个中间 件，可嵌入其它的应用软件，使软件开发商、设备制造商和企业在手持设备中扩展i b m 的w e b s p h e r e 平台和基于j a v a 的应用。利用该技术，开发人员无需为移动设备重新 编写程序，也无需利用微浏览器去访问信息，终端用户可以按需随时下载所需的应用 和数据完成安全交易。i b m 宣布已有一些软件厂商将基于t i v o l i 的w e b s p h e r e 设备 管理软件嵌入其应用之中。 3 、m i c r o s o f t 公司的e a s yl i v i n g 研究项目致力于智能环境的体系开发，涉及中 间件、几何世界建模、定位感知、服务描述等技术。其特点是：机器视觉、多传感器 的自动和半自动校准，以及独立于设备的通信。 4 、a t & t 实验室和英国剑桥大学合作的研究项目s e n t i e n tc o m p u t i n g 通过用户接 口、传感器、以及建立资源数据等手段，为系统提供基于用户和位置的数据更新能力， 系统可无缝扩展到整个建筑物。 5 、卡内基梅隆大学的a u r a 项目强调普适计算的中间件技术和应用设计，该项 目包括3 个子项目：d a r w i n 智能网络，是a u r a 的核心；c o d a 分布式文件管理系统； o d y s s e y 为资源自适应提供操作系统支持。该系统可容纳桌面、手持和可穿戴系统。 此外，还有惠普公司的c o o lt o w n 项目、e v e r y d a yc o m p u t i n g 项目，以及华盛顿 大学的p o r t o l a n o 项目、清华大学的智能教学环境项目等。 1 3 课题研究的背景 信息时代的来临，使嵌入式系统日益受到市场和厂家的关注，嵌入式设备越来越 普及，这也促进了普适计算的发展。在普适计算时代，计算机主要不是以单独的计算 设备的形态出现，而是采用将嵌入式处理器、存储器、通信模块和传感器集成在一起， 以信息设备( i n f o r m a t i o na p p l i a n c e s ) 的形式出现。这些信息设备集计算、通信、传 感功能于一身，能方便地与各种设备( 包括日常用品) 结合在一起。不仅如此，信息 设备还可以非常廉价地通过无线网络与互联网连接，并按照用户的个性需求进行定 制，以嵌入式产品的方式呈现在人们的工作和生活中或者是手持的，或者是可穿 戴的，甚至是以与人们日常生活中所碰到的器具融合在一起( 想像一下你拿在手里看 3 1 绪论 硕士论文 的书正从网上下载信息时的情景) 的多样形式体现。结果是，由通信和计算机构成的 信息空间将与人们生活和工作的物理空间融为一体。 普适计算的核心问题是人与计算机的交互以及这种交互的无缝连接【3 】。这要求系 统对用户所发出的各种信息( 多媒体信息) 进行实时的捕获、识别、理解并做出相应的 反应。这一过程要处理的信息包括以下几种：音频、静态图像、视频等。而这些信息 的处理恰恰是多媒体技术中研究的主要问题。可以说，多媒体技术是普适计算的技术 基础。 数字语音教学系统则是普适计算模式下的嵌入式和多媒体技术相结合的应用之 一，是随着计算机多媒体技术的快速发展，同时鉴于多媒体技术在教学应用方面无可 比拟的强大功能，而得到现代教育系统推崇的教学设备。 近年来，随着网络的普及以及校园网资源的广泛应用，传统型语音教学系统愈来 愈不能满足教学应用的需求，怎样发挥语音教学系统的教学作用，怎样使网络教学资 源在语音教学上得以应用，怎样使语音教学系统与校园网相连，做到无缝连接? 答案 只有一个，就是实现语音教学系统的数字化和网络化。由于技术的发展，尤其是网络 技术的发展使这一要求成为现实，数字语音教学系统应运而生。 我们以前接触的语音教学系统都是基于模拟信号的，就像我们以前应用的卡式录 音机、模拟手机等等。长期以来，模拟信号的产品为我们的生活提供着服务，但随着 时代的发展，模拟产品的功能已经不能满足社会多变的需求。传统型语音教学系统的 稳定性较差，音质不理想，大多数为单声道，系统功能单一，教学交互性差，所有的 传统型语音教学系统在上课后只能闲置，没有任何利用的空间。下面将从两个方面阐 述数字语音教学系统与模拟语音教学系统的异n t 4 。 ( 1 ) 结构设计 传统型语音教学系统的核心设备是录音机机芯，结构设计就是以录音机机芯为主 体，通过各厂家自行定义的电缆将所有学生录音机与教师主录音机相连，然后再将音 源设备( 如录像机，v c d 等设备) 的音源信号接入，构成整个系统。由于机芯本身 就是机械结构，即使是电控机芯，机械部分也占整个结构的9 0 以上的比例，由于机 芯的机械运动，震动、磨损所造成的故障是传统型系统中最常见的问题。又由于产品 连接线缆及连接方式均为厂商自定义，因此产品连接复杂，故障率高，用户无法进行 维护和维修。 数字化语音教学系统的核心是基于计算机传输协议的网络技术，整个系统几乎没 有机械部件，故不存在机械故障。多媒体网络语音室的数字化系统中，所有设备都是 由标准的网络系统与计算机设备组成，与我们常见的计算机局域网设备一样，它们的 高效稳定已被我们所熟知，从而确保了产品的稳定性。 ( 2 ) 应用效果 4 硕士论文 基于普适计算的数字语音教学系统研究与设计 传统语音教学系统长期以来一直在语音教学上为我们提供着服务。语音教学系统 作为教师进行外语教学的辅助设备，其对锻炼学生的听说能力起到一定的作用。但由 于技术实现方式的落后，大多数系统至今还停留在单声道。同样由于相关实现方式技 术的落后，传统型语音教学系统在课余时间大部分闲置，成为学校中利用率较差的一 种资源。 数字化语音教学系统与传统型有着明显的区别。数字化语音教学系统不仅消除了 噪声干扰，而且音质也可达到专业的立体声音质效果。从教师应用上看，教师对教材 的准备只需点击鼠标即可完成，整个过程简单方便。从教材的选择上，丰富的教学资 源相当于几十所学校所有资料的总和，教师不再为资料的收集和保存而烦恼。基于磁 带的变调，绞带都不再出现。从学生的应用上来看，学习的范围不再局限于教师所带 的磁带，每个学生都可以通过自由点播，阅读或自习的方式使用校园网上提供的海量 资料。多语种、多年级都可以在同一时间内共享语音教室。甚至可以利用终端边听音 乐边看参考书。从学校语音室的建设上来看，语音教室将成为一种真正的语言教学系 统，其利用率将成倍提高。从另一角度看，数字化语音教学系统相当于语音教室，电 子阅览室，模拟考场，电子听音室等各种系统的综合。另外，整个系统的稳定性、易 用性、易维护等都是传统型语音教室所无法比拟的。 数字化语音教学系统是建立在网络资料交换的基础上，将经过a d 转换后的语 音资料或音频的数据文件，通过标准的网络协议，传送给用户终端。网络及终端之间 的传递符合标准网络协议，可以达到语言学习的良好音质，从而满足教学在形式上多 样性的需求，是一种组建合理和资源利用充分的全新的语音教学系统【5 1 。 现在有些学校利用已有的机房，在p c 机上安装语音教学软件，从而实现语音教 学的数字化，虽然这样可以在已有资源的基础上花费较小的成本实现语音教学系统的 数字化，但由于p c 机可用资源的丰富性，学生容易迷恋电影、游戏等娱乐项目，造 成上课开小差，影响学习效率。另一方面，机房与语音室两者合一，造成学生上机时 间和学生上语音课容易冲突，学生课后没有机会自主进行听力练习。 目前大、中、小学校的语音教室大多数是模拟信号的语音教学系统【6 1 。这种语音 教学系统不能满足如今教学方式多元化，学生学习自主化的要求。为了更好的满足教 学增长和多数用户的需要，我们将否定在机房上实现语音教学系统数字化的方案，提 出基于普适计算的数字语音教学系统，设计了数字语音教学系统的整体方案。该语音 系统是采用数字音频、编解码、存储、液晶显示、网络通信等高新技术的数字语音教 学系统，教师机采用p c 机，学生机采用本课题自行设计的嵌入式终端。在教师机上 运行服务程序，实现双方高质量的数字化通信，并且可以对学生机之间的通信加以控 制。教师机和学生机不同的配置，实现了高效的智能组合。 5 1 绪论硕士论文 1 4 论文的主要内容 本课题的目标是基于普适计算建立一个整合了硬件、软件、网络资源的数字语音 教学系统，论文的主要研究内容为： ( 1 ) 普适计算环境中上下文模型的建立：本文就建立普适计算环境上下文模型进 行了分析和讨论，对上下文的数据和通信方式也进行了分析，为上下文的实际应用提 供一些理论基础准备。 ( 2 ) 数字语音教学系统的体系结构的设计与实现：提出普适计算模式下数字语音 教学系统的体系结构，并针对个性化的需求，对学生机划分功能独立的应用模块； ( 3 ) 教师机系统中的上下文感知的实现：设计教师机的教学管理软件功能，实现 教师机服务程序的编写； ( 4 ) 学生机中上下文感知的实现：设计学生机的硬件平台并构架其软件平台，实 现有关驱动程序的编写。 1 5 本文的结构简介 第一章，绪论。介绍了课题研究的背景，并给出本课题的工作内容及文章的组织 结构。 第二章，普适计算的主要技术介绍。 第三章，根据普适计算的体系结构，提出数字语音教学系统的架构。 第四章，数字语音教学系统中学生机的实现。鉴于教师机和学生机开发工作量的 差异，重点介绍了学生机实现。 第五章，结合普适计算中的上下文感知技术，设计教师机和学生机的功能模块。 第六章，总结与展望。对系统的实现做了总结，并对系统功能的延伸作了展望。 6 硕士论文 基于普适计算的数字语音教学系统研究与设计 2 普适计算的主要技术介绍 下面介绍实现普适计算的关键技术 7 1 。 2 1 用户接口技术 在普适计算环境中，用户可以使用各种不同设备( 例如，传感器、掌上电脑、笔 记本和工作站计算机) 来访问所需要的服务，协作完成计算任务。很显然，这些设备 的功能和显示的屏幕差别很大。从系统设计的角度来看，要实现普适计算的“不可见 性 和“以人为中心 的计算思想，系统必须屏蔽各种设备的差别，给用户提供一种 接近于访问物理世界的自然接口。 目前，普适计算的接口技术的研究主要集中在以下方面： ( 1 ) 接口的自适应性，即系统能够根据用户使用的设备类型，产生适合于该设备的 接口。目前常用的方法是系统检测当前设备的类型，然后与相应的服务器连接，产生 一个合适的用户界面。但这种用户接口必须要求相应的服务器事先定义好接口内容。 一种更为灵活的方式是允许应用程序根据用户接口的抽象定义，结合目标设备的特 点，自动生成恰当的界面。要实现这个目标，首先必须定义接口描述语言( i d l s ) 。 i d l s 采用层次数据结构来描述抽象的用户接口的语义，以扩展标记语言( l ) 为 基础；其次还要约定相应的控制协议，给应用程序和用户接口之间提供抽象的信道。 当然，设备适配器和用户界面生成器也是必不可少的。 ( 2 ) “不可见 的用户接口，即系统除了提供传统的基于g u i 和命令行的接口之 外，还要提供多种自然的人机交互方式，如语音、手势、手写等，并且这些方式应该 成为系统默认的或蕴涵的交互方式，使用户能够采用在物理世界使用的方式与计算机 交互，真正实现物理世界和信息世界的融合统一。 2 2 上下文感知计算技术 在普适计算环境中，人会连续不断地与不同的计算设备进行隐性的交互。在这个 交互过程中，计算系统实际上是根据与用户任务相关的上下文信息提供服务的。所以， 上下文感知( c o n t e x t a w a r e ) 是实现普适计算环境中新型人机交互的基础。 上下文是一个内涵不断演化的概念，在不同阶段的研究人员可能对上下文信息有 不同的理解。最早，s h i l i t 和t h e i m e r 将上下文归纳为：使用位置、周围人和物的集 合和这些对象的变化情况。由于在普适计算环境中，计算系统不可能也没有必要利用 所有与用户任务相关的上下文信息，g - r e g o r y d a b o w d 和e l i z a b e t h d m y n a h 就将 “5 w o 、w h a t 、w h e r e 、w h e n 和w h y 作为在普适计算环境中必需的上下 7 2 普适计算的主要技术介绍硕士论文 信息的最小集合。这个最小集合主要描述了与用户有关的上下文信息，但没有将用户 周围的计算环境纳入到上下文信息的集合中。 在普适计算环境中，上下文信息的获取主要是通过传感器、信息记录和用户设定。 由于普适计算环境设备的异构性，每个设备获得的上下文的格式可能存在差异，而且 是局部的、不全面的，只有和系统其他设备进行充分交互，由系统对这些上下文信息 进行处理和融合后，这些信息才能反映出用户的计算状态。因此，如何采用统一的格 式来表示用户的上下文，以提高这些信息的处理速度，也是普适计算需要解决的一个 重要问题。 2 3 自适应技术 在普适计算环境中，各种设备拥有的资源是不同的和变化的：从最小的m f m s 系统到嵌入计算能力的物体、到可携带计算设备、再到基础设施中的部件，它们在计 算能力、存储容量、电池容量、交互手段等因素上都有着很大的差异；另外，设备 在不同的环境中移动时，可用的无线网络的带宽也是不同的。因此，会出现用户的资 源请求与系统资源不匹配的矛盾，为此需要解决自适应的问题，即系统能够根据自身 的资源状态，采取一定的策略来保证应用程序的执行。 普适计算系统中采用的自适应策略主要有以下几种： ( 1 ) 系统通过收集用户的信息，推测用户的意图，自动改变用户的执行程序。这种 方式通常会导致失真问题。o d y s s e y 系统就是采用这种策略的。 ( 2 ) 根据系统的资源状态，提示用户，选择下一步的活动。 ( 3 ) 系统预留一定的资源来满足某些用户的最低服务请求。这种方式通常用于基于 q o s 的资源保留系统。 2 4 服务的组织 传统的分布式系统服务是垂直整合的，而不是水平分层的。通过垂直整合，系统 能够提供问题的完整解决方案，但代价很大，而且也不够灵活，例如不能向或从某些 没有订阅某一服务的用户发送或提取信息。尽管在垂直系统中，系统管理和规定是集 中的，但用户经常无法准确得到他要求的服务子集，而且，在垂直系统中部署新的服 务或者改变服务都是很困难的。 普适计算环境是一个高度异构、动态的变化系统，它提供的服务分散在不同的设 备、不同的系统，显然采用垂直的方式来组织系统服务是不恰当的，而水平分层是一 种比较理想的服务组织方式。在水平分层方式下，系统服务增加和修改都能够无缝地 整合到原来的系统，不需要用户自己去配置，实现了服务的“不可见性 和透明性。 8 硕士论文 基于普适计算的数字语音教学系统研究与设计 2 5 系统结构 普适计算系统可以划分成两部分：基础设施和移动设备。基础设施是普适计算的 基础，它的主要作用是对普适计算系统中大量的设备、计算实体等进行控制和管理， 为它们之间进行数据交互、相互协作、消息传递、任务迁移等提供系统支持。移动设 备经常随着用户的移动而出现在不同的环境中，这就引起了普适计算环境的变化。 普适计算系统必须满足以下三个需求【8 j ： ( 1 ) 应用程序的位置和执行上下文要随着用户的改变而移动，系统必须接受上 下文的改变，而不是将其隐藏在应用程序中，即普适计算系统是暴露分布，让用户感 觉到变化，然后去适应变化； ( 2 ) 用户期望设备和应用程序绑定在一起，系统应采用a d h o c 类动态组件， 而不是一个静态的计算环境； ( 3 ) 系统要支持用户的协作和资源共享。 为此，普适计算系统的基础设施软件必须解决资源的发现、网络的结构、分布计 算和间歇性连接等问题。资源发现技术普适计算设备要能够自动发现网络中的可用服 务，并且不需要用户的帮助就可以相互通信，这就需要增强网络数据包中执行代码的 能力，使它们能够调用存储在主节点上的发现函数或者选择一个最佳路径来得到这些 服务。当然，为了保证数据包的安全，缓冲机制也是必须的。 网络结构普适计算系统的网络结构不像i n t e m e t 、蓝牙、i e e e l 3 9 4 等网络通过保 留带宽来实现数据通道的同步，而是以数据为中心的。系统能够告知设备使用的带宽， 并对这些网络资源加以控制。 分布计算和间歇性连接在建立普适计算系统时，分布计算和结构占有非常重要的 作用。目前已有的各种分布计算技术，如j i n i 、l i q u i d s o f h a r e 、c o m 和c o r b a 以 及e j b 等，都不能直接用于普适计算系统，必须把它们的优点结合起来，才能有效 地工作在普适计算环境中。另外，在普适计算环境中，由于各种原因，间歇性的网络 连接是非常普遍的。要实现“不可见 的自由连接和断接，网络协议是必要的。普适 计算的实现还需要一些其他技术，如高效的能量管理、安全和社会问题等。 9 3 普适计算下数字语音教学系统体系结构的设计 硕士论文 3 普适计算下数字语音教学系统体系结构的设计 前面两个章节简要介绍本课题提出的背景和建立本系统涉及的相关技术，因为本 论文的主要任务是在普适计算模式下设计数字语音教学系统，因此本章将以前面的内 容为基础，首先介绍数字语音教学系统的总体结构，然后根据语音教学系统的特征， 结合普适计算的软件体系结构，完成了学生机总体架构的设计。 3 1 数字语音教学系统的体系结构 数字语音教学系统由一台教师机和n 台学生机，通过局域网互连，从而实现了 教室内l 位教师可以对n 位学生进行语言教学。其中教师机采用p c 机，学生机以 $ 3 c 2 4 1 0 为核心，扩展合适的外围设备。数字语音教学系统的工作过程：对传统语音 信号经过模数转换、编码压缩后，按一定的打包规则将压缩帧转换成数据包通过网络 进行传输。在目的地经过数据解压、数模转换复原成话音，从而达到语音通信的目的。 系统采用基于数据包的数据分组交换方式，可以实现真正的语音分组教学和交互教 学。为了更好的利用网络资源，此系统采用开放式的数字媒体架构例，如图3 1 所示。 1 0 图3 1 数字语音教学系统体系结构图 硕士论文基于普适计算的数字语音教学系统研究与设计 3 2 普适计算的软件体系结构 互为目的和手段的通信与计算是面向普适计算设备软件体系结构的核心问题，借 鉴嵌入式i n t e m e t 、网格计算、j i n i 的实现思想，针对其核心问题提出了一个满足动 态和静态双重可配置性的面向普适计算设备的软件体系结构，以及配置和裁剪其内容 使其能够运行于特定资源限制和功能性能要求系统的软件开发平台。旨在解决普适计 算的设备与其提供服务的多样性与嵌入其中的计算机系统资源受限的矛盾，为普适计 算的上层服务提供设备级软件体系结构上的技术保证，实现普适计算设备间互为目的 和手段的通信与协作计算。 通过对普适计算系统结构的讨论，为进一步深入研究和开发智能终端系统提供了 一个很好的技术平台。 在国内外研究基础上，将普适计算体系结构【l o 】划分为分五层：物理层( h a r d w a r e ) 、 操作系统层( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 、互操作计算层( i n t e r o p e r a b l ec o m p u t i n g ) 、上 下文感知计算层( c o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n g ) 、接口层( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ) 。结构如图3 2 所示。 图3 2 普适计算体系结构 1 、物理层 物理层是普适计算操作的硬件平台，主要解决计算硬件基础的问题。 2 、操作系统层 操作系统层包括传统的嵌入式实时操作系统，主要解决计算调度，负责报文的接 收与发送、管理设备内部各任务的并发行，使之在规定的时间约束下完成。 3 、互操作计算层 3 普适计算下数字语音教学系统体系结构的设计硕士论文 互操作计算层解决的是人机交互过程中多模态输入与识别的问题及服务的协同 互操作问题。包括脚本引擎管理器对各个脚本执行引擎的管理和调度；对下层协议栈 中各项服务功能的封装；为上层提供方便的编程接口以及通过相应的数据结构、语法 和通信协议向其它设备请求或者提供所需服务等功能。 4 、上下文感知计算层 普适计算中，上下文是指可用于表征实体状态的信息，上下文感知计算是指利用 上下文的信息自动为用户提供适合当前情景( 包括任务、位置、时间、用户的身份等) 的服务。上下文感知应用则指应用的行为能与用户的上下文联系在一起。该层解决应 用所处情景的识别。 5 、应用层 经过对低层各功能的封装，应用程序可以利用a p i 提供在传统计算模式下无法实 现的新型服务，如移动控制( m o b i l e c o n t r o l i n g ) 、灵感捕捉( n o t i o nc a p t u r e 或 e x p e r i e n c e c a p t u r e ) 和普遍交互( u n i v e r si n t e r a c t i o n ) 等。 3 3 基于普适计算的学生机体系结构的设计 学生机是整个系统研制的难点，它直接决定了整个数字语音教学系统的质量好 坏。以前面普适计算的软件体系结构为基础，我们提出了学生机的总体架构。如图 3 3 描述。 1 2 应用层 t ( ：咖网际协议网络套接字音频播放 g ui 驱动层 触摸屏以太网驱动串行驱动音频播放驱动其他驱动 操作系统层 嵌入式实时多任务操作系统内核l ic 0 s i i 硬件层 图3 3 学生端总体结构 硕士论文 基于普适计算的数字语音教学系统研究与设计 学生机结构如图3 3 所示，由下至上的层次结构依次是： 一、硬件层 硬件层是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，不同的应用通常有不 同的硬件环境。硬件平台的多样性是嵌入式系统一个主要特点。 二、操作系统层 嵌入式操作系统完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。具有内核精简、 可配置、与高层应用紧密关联等特点。嵌入式操作系统具有相对不变性。该层选用l l c o s 操作系统，完成uc o s i i 系统的移植。 三、驱动层 该层完成各个模块的驱动程序设计。 嵌入式系统中的驱动程序是嵌入式系统控制硬件的接口，驱动程序的开发在嵌入 式系统的开发中具有举足轻重的地位。 四、应用层 该层运行于操作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特定功能的嵌入式应 用。而且该层分析嵌入式因特网协议栈，实现播放程序的开发，并完成友好的图形化 用户界面。 1 3 4 学生端的系统实现硕士论文 4 学生端的系统实现 下面将就学生机硬件平台设计和软件平台的构架，驱动程序的编写和网络传输协 议的实现展开叙述。 4 1 硬件平台设计 硬件环境是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的基础。 本系统的嵌入式终端硬件平台是以s a m s u n g 公司生产的一款r i s c 指令集的高速 的嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 1 0 为核心，通过外扩存储器( f l a s h s d r a m ) 、触摸屏、小键 盘、网络接口e t h e m e t 模块、音频处理模块等构建。其硬件结构如图4 1 所示。 图4 1 学生端硬件结构图 从上面的硬件图中我们可以看出，硬件层基本上可以分成c p u 、存储器、l c d 、 音频播放芯片和支持外部网络的接口五个部分组成。下面我们简单介绍一下各部分的 功能【1 2 l 。 一、c p u 类型 从图中可以看出c p u 是整个硬件层的核心，其主要功能是解释命令和运行程序。 系统采用s a m s u n g 公司$ 3 c 2 4 1 0 芯片作为芯片的硬件平台，$ 3 c 2 4 1 0 是s a m s u n g 公 司生产的一款1 6 3 2 位r i s c 处理器，为手持设备和一般应用提供了高性价比和高性 能的微控制器解决方案，使用a r m 9 2 0 t 内核，最高工作频率可达2 0 2 m h z ，拥有1 1 7 个多功能i o 接口，并提供了丰富的内置部件，包括1 6 k bc a c h e 和内部s r a m ，l c d 1 4 硕士论文基于普适计算的数字语音教学系统研究与设计 控制器，3 通道u a r t ，带p w m 功能的5 通道定时器，8 通道1 0 位a d c 等f 1 3 】。 二、存储器 我们使用的存储器是3 2 m b 的f l a s h 和6 4 m b 的s d r a m 。f l a s h 存储器是一种可 在系统中进行带电擦写，掉电后信息不丢失的存储器，在嵌入式系统中广泛应用。它 在系统中通常用于存放程序代码、常量表、以及一些在系统掉电后需要保存的用户数 据等。与f l a s h 存储器相比，s d r a m 不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大 大高于f l a s h 存储器，因此，