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硕士论文基于普适计算模式下的数字家庭关键技术研究 摘要 新的计算模式普适计算为应用技术界开辟了一个崭新、宽阔的研究领域。随着 信息技术在全球范围的蓬勃发展，信息技术已经无孔不入。各种数字产品日益渗透到社 会生活各个领域，数字家庭技术不断成熟。数字家庭是指各种家电通过不同的互连方式 进行通信及数据交换，实现家用电器之间的“互联互通”，使人们足不出户就可以更加方 便快捷地获取信息，从而极大提高人类居住的舒适性和娱乐性。本文研究的主题就是普 适环境下的数字家庭。将“普适计算的模式运用于数字家庭，人们可以在任何时间、 任何场所，都能像呼吸一样自如地管理和监控它。 本文首先概括性地介绍了普适计算的概念和普适计算的当前研究状况以及本论文 想要达到的目标：基于普适计算的数字家庭。接着，对于文章中用来描述本系统的u m l 工具的内容、优点及扩展作了简单介绍。然后，介绍了普适计算的系统结构，提出了基 于普适计算的数字家庭控制中心体系结构，并对普适计算的中间件技术作了简析。最 后，本文设计了基于普适计算的数字家庭中的即插即控协议栈，并给出了该协议栈实现 的部分程序。 关键词：普适计算数字家庭即插即控协议栈 a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t a san e wm o d e lo fc o m p u t i n g p e r v a s i v ec o m p u t i n gi n a u g u r a t e saw h o l en e wa n dw i d e f i e l do fr e s e a r c hf o rt h ea p p l i c a t i o na n dt e c h n o l o g yk i n g d o m 。b yt h ed e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ew o d d ，i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yh a sa l r e a d yc o m ei n t oo u rl i f e e v e r y w h e r e t h e r ea r ed i g i t a ld e v i c e se v e r y w h e r ei no u rd a i l yl i f e ，t h ed i g i t a ld e v i c e sa n d t e c h n o l o g yo fd i g i t a lh o m ea r ea l w a y sm a t u r i n g w h a ti st e c h n o l o g yo fd i g i t a lh o m e ? i tm e a n s t h a ta l lk i n d so fh o u s e h o l de l e c t r i c a la p p l i a n c e sc a ng e tt o g e t h e rt oc o m m u n i c a t ea n d e x c h a n g em e s s a g ef r o me a c ho t h e r i tc o u l dm a k eo u rl i f em o r ea n dm o r ec o n v e n i e n t ，i tc o u l d m a k eo u rh o m e - l i f em o r ea n dm o r ec o m f o r t a b l e ，a n db yt h es a m et i m e ，i tc o u l da l s o e n t e r t a i no u rs p a r et i m e ，s u c ha s 、c o u l dg e ta l lk i n d so fm e s s a g ej u s tb yi n t e r a c tw i t h o u t l e a v i n gh o m e d i g i t a lh o m ei np e r v a s i v ep l a c ew i l lb et h et o p i c o ft h i sp a p e r w h e n “p e r v a s i v ec o m p u t i n g ，m o d e li sa p p l i e dt ot h ed i g i t a lh o m e ，p e o p l ec a nf r e e l ym a n a g ea n d m o n i t o rt h eh o m ea ta n yt i m ea n dp l a c e t h ep a p e rf 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 dt h ec u r r e n tr e s e a r c h s t a t u so ft h ep e r v a s i v ec o m p u t i n g ，a n da l s ot e l l sa b o u tt h eg o a lw ew a n tt oa c h i e v e ：d i g i t a l l i b r a r yb a s e do np e r v a s i v ec o m p u t i n g 。t h e ni tb r i e f l yd e s c r i b e st h et o o lw eu s e u m l ，s u c h a si t sc o n t e n t ，m e r i ta n de x p a n d n e x t ，i ti n t r o d u c e sp e r v a s i v ec o m p u t i n g ss y s t e ms t r u c t u r e a n db r i n g sf o r w a r dt h es y s t e ms t r u c t u r eo fd i g i t a lh o m e sc o n t r o lc e n t e rb a s e do np e r v a s i v e c o m p u t i n g t h ep a p e ra l s oa n a l y s e st h ep e r v a s i v em i d d l e w a r e a tl a s t ，i td e s i g n st h ep l u ga n d c o n t r o ls t a c kf o rd i g i t a lh o m eb a s e do np e r v a s i v ec o m p u t i n g ，a n dg i v e ss o m ep r o g r a m so f t h es t a c k k e yw o r d s ：p e r v a s i v ec o m p u t i n gd i g i t a lh o m ep l u ga n dc o n t r o ls t a c k 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：，三粤j 垦一 w 年r 月拥 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 予保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 剖l ) 8 秘月珀 硕士论文基于普适计算模式下的数字家庭关键技术研究 1 绪论 本章简单介绍了论文涉及的普适计算的概念，普适计算的当前研究状况和数字家 庭的相关内容，并给出了本论文要达到的目标：将“普适计算 的模式运用于数字家 庭，使人们可以在任何时间、任何场所，都能像呼吸一样自如地管理和监控家庭，以 及论文的整体组织结构。 1 1 普适计算的概念 普适计算( u b i q u i t o u s p e r v a s i v e c o m p u t i n g ) 的思想由m a r k w 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，目前在国际上已发展成为一个研究热 点。 是我们去适应机器计算? 还是让计算融入生活? 普适计算作为一种计算模式，其 深远影响正是在于改变了人与计算的关系。当人们还沉浸在虚拟游戏空间中不能自拔 时，普适计算的倡导者反其道而行之，他们认为普适计算是虚拟计算的反面。虚拟计 算这种理念致力于把人置于计算机所创造的虚拟世界里，而普适计算则是使计算机融 入人的生活空间，形成一个”无时不在、无处不在而又不可见”的计算环境。在这样的 环境中，计算不再局限于桌面，用户可以通过手持设备、可穿戴设备或其它常规、非 常规的计算设备无障碍地享用计算能力和信息资源。普适计算模式将对人们享用计算 和信息的方式带来另一场变革。 普适计算当然包括移动计算，但普适计算更强调环境驱动性。这要求普适计算对 环境信息具有高度的可感知性，人机交互更自然化，设备和网络的自动配置和自适应 能力更强。 随着普适计算的不断发展，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。其实从另一角度来看，计算模式的发展过程也是世界 与信息空间融合的过程。在主机计算时代，人们只能通过数量有限的大型主机获取和 处理有限的信息，并且大型主机之间并不存在信息互联的网络，这时的信息空间时间 由相对孤立的计算机的存储空间构成，它能提供的信息服务也是相当有限的。在桌面 计算时代，网络技术的发展，特别是互联网的出现极大地促进了信息空间的拓展。实 际上，互联网构成了一个几乎无处不在的庞大信息空间。同时，我们也要看到虽然信 息空间不断扩大，但信息空间的入口仍然有限，人们只能通过有限的手段( 即桌面计 算设备) 来获取和处理信息。两者之间的不对称发展严重限制了人们获取信息和处理 信息的能力，这就需要一种与信息空间相融的计算模式来满足人们的信息需求。这种 1 绪论硕士论文 计算模式就是普适计算模式。普适计算实现了物理世界和信息空间的融合，让人们可 以自由地穿行于物理世界和信息空间，”就如同人们在森林中散步般清馨自然”。 随时随地和透明性是普适计算最重要的特征。“随时随地 是指人们可以在工作 和生活的任何场所获得服务，而不用端坐在计算机前；“透明 是指获得这种服务的 方式十分轻松自然，这种服务的访问甚至可以在用户没有觉察的情况下由系统主动 提供。普适计算的另一个重要特征是自适应性，这也是人本计算的核心，它强调如何 有效感知物理空间、信息空间乃至设备位置和人的行为变化，以使系统动态调整自身 的行为。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， 成为真正的智能空间。 1 2 普适计算的当前研究状况 1 2 1 一些著名的研究项目 普适计算的概念于上世纪9 0 年代初提出，x e r o xp a r c 也实现了一个原型，但当 时的硬件技术基础实际上并不存在。十年后技术的进步，普适计算的许多关键元件已 有了商业产品：手持和可穿载计算机、无线局域网、传感和控制家用电器的器件等。 因此在2 0 0 0 年前后，一些主要大学和工业界相继出现了各种普适计算的研究项目。 例如，m i t 的o x y g e n 、c m u 的a u r a 、i l l i n o i s 大学的g a i a 、u cb e r k e l e y 的e n d e a v o u r 、 w a s h i n g t o n 大学的p o r t a l a n o 、i b m 的d r e a m s p a c e 、m i c r o s o f t 的e a s y l i v i n g 、欧盟资 助的d i s a p p e a r i n gc o m p u t e r 、韩国科技部的u t 项目和国内清华大学的s m a r t c l a s s r o o m 等【1 】。 另一方面，普适计算也得到了国际学术界的广泛关注，目前国际上已经形成了每 年召开的u b i c o m p 和p e r c o m 两个普适计算国际会议系列。此外以其他形式召开的 普适计算会议也已多达数十个，同时国际上也已经发行了p e r s o n a l a n du b i q u i t o u s c o m p u t i n g ) ) 和i e e ep e r v a s i v ec o m p u t i n g ) 两种专门针对普适计算的期刊。 1 2 2 研究的主要问题 ， 目前，各国的研究主要集中在以下几个方面：口卅 普适计算的理论建模：普适计算作为一种全新的计算模式，横跨多个研究领域如 移动计算、嵌入式系统、自然人机交互、软件结构等，具有前所未有的复杂性与多样 性。亟待一种统一完备的建模体系，准确、客观地表达普适计算所特有的普适服务“无 所不在”的时空特性、“自然透明”的人机交互模式、以及普适计算“以人为本的 根本理念。从而为普适计算系统的分析、设计、实施、部署和评估等提供多方面的理 论指导，为可扩展性、可维护性、自适应性、易用性及标准化等提供模型层面的支持。 2 硕士论文 基于普适计算模式下的数字家庭关键技术研究 自然人机交互：普适计算以人为中心的特点迫切需要和谐、自然的人机交互方式， 即能利用人的日常技能进行交互、具有意图感知能力。与传统的人机交互方式相比， 它更强调交互方式的自然性、人机关系的和谐性、交互途径的隐含性以及感知通道的 多样性。普适计算环境中，交互场所将从计算机面前扩展到人们生活的整个三维物理 空间，交互方式应适合于人们的习惯并且尽可能不分散用户对工作本身的注意力。和 谐自然的人机交互是实现普适计算环境，使其脱离桌面计算模式的关键所在。从技术 上看，键盘、鼠标、显示器等输入输出设备要实现多样智能化，能够实现与环境的良 好交互，并且需要进一步研究语音识别、手写输入、电子纸、肢体语言识别( 如人的手 势、脸部表情) 和多模式人机交互方式。 上下文感知( c o n t e x ta w a r e n e s s ) ：自动感知物理空间中对象与环境的状态信息及 其变化是普适计算的重要特征。感知上下文计算利用上下文信息向用户提供高效的信 息交互，并提高服务的针对性。常见的上下文信息包括时间、位置、场景等环境信息， 屏幕大小、处理能力等设备信息以及用户身份、操作习惯、个人喜好、情绪状态等用 户信息。上下文感知技术是实现服务自发性和无缝移动性的关键。上下文感知涉及上 下文信息感知和表述、上下文建模和推理、上下文感知应用等多个方面。主要涉及环 境内容和交换策略，管理和利用多媒体内容的适应性模型、自适应技术和结构等问 题。 普适网络：普适计算环境是一种普遍互连的网络环境。普适计算环境下的网络环 境包括各种无线网络、互联网、电话网、电视网等，还包括r f i d 网络、无线传感器 网络、g p s 网络等多种不同类型的网络。普适计算网络支持异构环境和多种设备的自 动互连，对环境的动态变化具有自适应性，提供无处不在的通信服务。当前普适计算 网络的研究主要集中在无线和移动网络、a dh o c 网络、无线传感器网络、p 2 p 等。 智能空间是一个嵌入了计算机、信息设备和多模态传感器的工作空间，其目的是 使用户能够方便访问信息和获得计算机的服务，高效地实现个人目标和与他人协同 工作。智能空间可以在不同尺度上得到体现，以家庭、办公室、教室、超市或机场等 离散环境为基础，逐步实现互连并扩大至全球。 系统软件：普适计算的系统软件对普适计算环境中大量联网的信息设备、智能物 体、计算实体进行管理，为它们之间的数据交换、消息交互、服务发现、任务协调等 提供系统级支持。由于普适计算环境存在任务动态性和设备异质性等特点，普适计算 系统软件需要解决设备与服务的发现与自适应等问题，实现对物理实体的管理以及 模块间的协调机制，同时还要保证系统的鲁棒性和安全性。 硬件制造技术和电池技术：普适计算对硬件技术和电池技术提出新的要求。硬件 方面，要求显示设备尺寸小型化，芯片要节能。同时，在普适计算环境下人们对小型、 廉价、高能量电池的需求会越来越多。 3 l 绪论 硕士论文 安全隐私：在普适计算环境下，安全隐私显得更为棘手，因为无所不在的网络将 随时随地为人们提供服务，但隐私和安全用更加难以保障。传统的用户授权和访问控 制方式无法适应分布式网络和普适计算的需要，必须提出不同的解决策略，包括硬件 和软件方法。此外，通过立法、修改完善法律等手段约束和规范人们的行为，有效阻 止犯罪。 1 2 3 最新发展趋势 近年来普适计算取得了很大发展，出现更多的普适计算原型系统，智能空间得到 更加广泛的应用，支持普适计算的新型设备与硬件系统层出不穷，位置感知技术更加 成熟。主要发展趋势如下例： 智能空间的应用逐渐呈多尺度化、复杂化：智能空间可视为普适计算的实验床。 目前智能空间研究正由物理上相对封闭的环境( 如智能会议室、智能房间) ，逐步面 向相对开放的环境( 如智能购物中心、智能出租车召唤) ，由室内走向室外，由小规模 走向大规模。而其信息交互也由单个孤立智能空间的内部交互，逐渐发展到涉及多个 智能空间之间的信息交互。 大规模的个人数字化“记忆”开始兴起：近几年，如何记录与分析一个人日常生 活中的每一件事。使得人们能重现往日的记忆，正成为一个研究热点，相关的研究项 目急剧增多。虽然记录日常生活的所有活动需要极大的存储空间，但因目前存储能力 每年约翻一倍，故这种应用的主要瓶颈不在于存储，而在于如何合理、准确地标识和 过滤原始的视频、音频数据，方便地浏览与检索，使系统可以作进一步的智能分析。 射频标签已成为上下文感知中最重要的设备：射频标签( r f i d ) 是一种利用射频 信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术。它的优势在于无需复杂的计算机视觉 与模式识别算法，亦无需用户作繁琐的输入动作即可识别，其设备也非常简单。射频 标签已成为上下文感知应用中的一种通用设备。 智能手机作为普适计算的一个重要终端型载体，发挥越来越关键的作用：与其他 终端设备相比，智能手机具有普及率高、用户基础好、便携性佳、计算能力相对较强、 随时随地的无线通信能力等优势。全球手机数量已超过l o 亿，一些国家手机使用率 已超过固定电话。基于智能手机的高端服务可以实现人们日常急需的信息服务，3 g 以 后的智能手机已是首选的信息服务终端、普适系统的控制设备。 越来越重视人机交互中的自然、和谐问题：从近年的3 个普适计算一流会议上论 文情况看，学术界已越来越重视普适环境中的自然人机交互问题以及用户研究。 4 硕士论文 基于普适计算模式下的数字家庭关键技术研究 1 3 数字家庭 1 3 1 数字家庭定义 数字家庭的定义是：以计算机技术和网络技术为基础，各种家用数字化设备有 机结合在一起的智能化的网络家庭。这些家用数字化设备包括电话、电脑、信息家电 等。数字化家庭包括四大功能：信息、通信、娱乐和生活。从信息角度而言，电脑将 作为服务器，将家中的数字化设备联接成一个网络，进行信息共享。从通信角度而言， 家庭的通信功能极大扩展。未来上网设备将不再只局限于电脑一种，p d a 、电视机、 冰箱、微波炉都将能方便地上网。另外，数字家庭将成为娱乐休闲的天堂，游戏、娱 乐功能始终都居于核心位置，家庭成员还可以利用家用电脑控制电视、音响等传统娱 乐设备，可以通过视频服务器或者无线个人终端点播电视节目、实现定时播放。另外， 数字家庭的其他生活也将会彻底数字化，电脑将统一控制各种家电，一旦发生火灾、 煤气泄漏、水管泄漏、盗匪闯入等异常情况，将会自动报警并拨打报警电话等等【5 1 。 数字家庭中各种家电通过不同的互连方式进行通信及数据交换，实现家用电器之 间的“互联互通”，使人们足不出户就可以更加方便快捷地获取信息，从而极大提高人 类居住的舒适性和娱乐性。 1 3 2 数字家庭控制 家庭服务器是整个数字家庭的核心，是所有家庭设备的控制中心、管理中心和数 据存储中心，也是人们在家中或在异地利用远程技术控制家中设施的中央处理中枢，t 是实现家庭内部与外部连接的关键 6 】。 数字家庭脱离不了家庭内部包括电器等设备的智能化。而以计算机技术和网络技 术为基础，各种家用数字化设备有机结合在一起的智能化的网络家庭是我们的数字家 庭所追求的最终目的。信息家电之间如何通信、如何调用其它设备所提供的服务，这 些都涉及到互操作的问题，并且是实现数字家庭的关键点。常见的互操作技术有以下 几种： 1 、h a v i 体系：以s o n y 为首的日欧八家i t 企业联合推出的面向家庭网络的软件 规范，是关于家庭网络中音频视频电子产品的互联和控制方面的标准【7 1 。 2 、j i l l i 技术：s u n 公司推出的一种基于j a v a 且具备即插即用功能的分布式计算环 境，利用j a v a 的远程调用方法来使用其它设备提供的服务i g 。 3 、h o m e a p i 技术：由m i c r o s o f ti n t e lp h i l i p s 等公司发起的h o m e a p i 工作组研发。 4 、o s g i 开放服务网关：是由e r i c s s o n ，s u n ，a l c a t e l ，c i s c o ，i b m n o r t e l ，s i e m e n s ，h p , o r a c l e ，p h i l i p s ，m o t o r o l a , l u c e n t 等电信、计算机、电器巨人发起建立的一个工作组和 1 绪论 硕士论文 开放式论坛，主要是为连接因特网商业服务和下一代智能电器定义一个开放的标准。 1 4 论文的工作内容 正在兴起的普适计算带来许许多多新的机会，数字家庭就是其中之一。它将改变 人们未来的生活方式。数字家庭能通过家庭网关将宽带网络接入家庭，家庭内部的网 络可以是无线或有线的。在家庭内部，手持设备、p c 或者家用电器通过有线或者无 线的方式连接到网络，从而提供了一个无缝、交互和普适计算的环境。人们能在任何 地点、任何时候访问社区服务网络，比如在社区里预定一场比赛的门票，电子家庭解 决方案通过高级的设备与电器诊断、自动定时、集中和远程控制等功能，令生活更方 便舒适；通过远程监控器监控家庭的情况，使生活更安全。 数字家庭的目标是“将家庭中各种与信息相关的通讯设备，家用电器和家庭保安 装置通过家庭服务器连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、控制和 家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调 。 要实现普适计算模式下的数字家庭，智能设备间，智能设备与家庭服务器间的互 操作即互联互控是关键方面。因此本论文的工作任务就是先提出基于普适计算模式的 数字家庭控制中心( 即家庭服务器) 的体系结构、并在此基础上研究并设计了数字家 庭内部多种智能设备之间，设备和家庭服务器之间能够进行互联互通操作的即插即控 协议栈。 1 5 论文结构简介 全文共分六章，每章的主要内容为： 第一章，绪论。介绍了普适计算的概念，普适计算的当前研究状况，数字家庭的 控制并给出了本论文的工作内容和论文结构。 第二章，统一建模语言u m l 的简单描述。简单介绍了u m l 的内容、优点、以及 扩展。 第三章，首先介绍了普适计算系统结构，接着描述了基于普适计算的家庭服务器 的体系结构。 第四章，简析了普适计算中间件技术。 第五章，普适计算在数字家庭中的应用。描述了数字家庭中智能设备间互联互控 的即插即控协议栈的设计与实现。 第六章，对本文进行总结。 6 硕士论文基于普适计算模式下的数字家庭关键技术研究 2 统一建模语言u m l 本章将简单介绍u m l 的一些内容。因为运用u m l 绘制图形可以更形象地描述普适 环境下数字家庭服务器系统以及所设计的即插即控协议栈。 统一建模语言( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，u m l ) 是由3 位世界著名的面向对象技 术专家g r a y b o o c h 、j i mr u m b a u g h 、i v a r j a c o b s o n 发起，在b o o t h 表示法、o o s e 方法和 o m t 方法的基础上，广泛征求意见，反复修改后提出的通用的图形化标准建模语言。 u m l 经过不断使用、发展和完善，已经成为一种定义良好、易于表达、功能强大且普 遍适用的建模语言，它为用户建模提供了完整的符号表示和不同层次的元模型，其作用 域不仅支持面向对象的分析与设计，还支持从需求分析开始的软件开发的全过程，用户 可以根据自己所开发系统的特点和不同的开发阶段，灵活选用u m l 所提供的各种图和 模型，以实现系统软件的柔性开发。 u m l 语言已由o m g ( o b j e c t m a n a g e m e n tg r o u p ) 采纳作为业界标准，先后推出1 2 1 x 版本。又经过大型修订，建立了u m l 2 0 版本。o m g 官方发布的u m l 的当前最高版 本为2 0 。u m l 2 0 重点强调可扩张性、语言体系结构、模型管理和行为语言语义，使u m l 的表示更友好，更精确。 2 1u m l 的基本内容 u m l 由图和元模型组成，图是语法，元模型是语义。u m l 主要包括三个基本构造 块：事物( t h i n g s ) 、关系( r e l a t i o n s h i p s ) 和图( d i a g r a m s ) 9 1 。 2 1 1 事物( t h i n g s ) 事物是实体抽象化的最终结果，是模型中的基本成员，u m l 中包含四种事物： 1 、结构事物。 总共有七种结构化事物。 首先是类( c l a s s ) ，类是描述具有相同属性、方法、关系和语义的对象的集合。一 个类实现一个或多个接口。在u m l 中类被画为一个矩型，通常包括它的名字、属性和 方法。 第二种是接口( i n t e r f a c e ) ，接口是指类或组件提供特定服务的一组操作的集合。因 此，一个接口描述了类或组件的对外的可见的动作。一个接口可以实现类或组件的全部 动作，也可以只实现一部分。接口在u m l 中被画成一个圆和它的名字。 第三种是协作( c o l l a b o r a t i o n ) ，协作定义了交互的操作，是一些角色和其它元素一 7 2 统一建模语言u m l硕士论文 起工作，提供一些合作的动作，这些动作比元素的总和要大。因此，协作具有结构化、 动作化、维的特性。一个给定的类可能是几个协作的组成部分。这些协作代表构成系统 的模式的实现。协作在u m l 中用一个虚线画的椭圆和它的名字来表示。 第四种是用例( u s ec a s e ) ，用例是描述一系列的动作，这些动作是系统对一个特定 角色执行的，产生值得注意的结果值。在模型中，用例通常用来组织动作事物。用例是 通过协作来实现的。在u m l 中，用例画为一个实线椭圆，通常还有它的名字。 第五种是活动类( a c t i v ec l a s s ) ，活动类的对象有一个或多个进程或线程。活动类和 类很相象，只是它的对象代表的元素的行为和其他的元素是同时存在的。在u m l 中活 动类的画法和类相同，只是边框用粗线条。 第六种是组件( c o m p o n e n t ) ，组件是物理上不可替换的系统部分，它实现了一个接 口集合。在一个系统中，你可能会遇到不同种类的组件，例如c o m + 或j a v ab e a n s 。 第七种是结点( n o d e ) ，结点是一个物理元素，它在运行时存在，代表一个可计算 的资源，通常占用一些内存和具有处理能力。一个组件集合一般来说位于一个结点，但 有可能从一个结点转到另一个结点。 类、接口、协作、用例、活动类、组件和结点这七个元素是在u m l 模型中使用的 最基本的结构化事物。系统中还有这七种基本元素的变化体，如角色、信号( 某种类) ， 进程和线程( 某种活动类) ，应用程序、文档、文件、库、表( 组件的一种) 。 2 、动作事物 动作事物是u m l 模型中的动态部分。它们是模型的动作，代表时间和空间上的动 作。总共有两种主要的动作事物。 第一种是i n t e r a c t i o n ，i n t e r a c t i o n 是由一组对象之间在特定上下文中，为达到特定的 目的而进行的一系列消息交换组成的动作。i n t e r a c t i o n 中组成动作的对象的每个操作都 要详细列出，包括消息、动作次序( 消息产生的动作) ，连接( 对象之间的连接) 。 第二种是状态机( s t a t em a c h i n e ) ，状态机由一系列对象的状态组成。 i n t e r a c t i o n 和状态机是u m l 模型中最基本的两个动态事物元素，它们通常和其他 的结构元素、主要的类、对象连接在一起。 3 、分组事物 分组事物是u m l 模型中组织的部分，可以把它们看成是个盒子，模型可以在其中 被分解。总共只有一种分组事物，称为包( p a c k a g e ) 。 包是一种将有组织的元素分组的机制。结构事物、动作事物甚至其他的分组事物都 有可能放在一个包中。与组件( 存在于运行时) 不同的是包纯粹是一种概念上的东西， 只存在于开发阶段。 4 、注释事物 注释事物是u m l 模型的解释部分。 8 硕士论文基于普适计算模式下的数字家庭关键技术研究 2 1 2 关系( r e l a t i o n s h i p ) 关系是将事物联系在一起的方式，u m l 中定义了四种关系： l 、依赖( d e p e n d e n c y ) 目侣 图2 1 1 依赖关系示例 依赖关系描述的是两个模型元素( 类、组合、用例等) 之间的语义上的连接关系。 其中，一个模型元素是独立的，另一个模型元素是非独立的( 依赖的) ，它依赖于独立 的模型元素，如果独立的模型元素发生改变，将会影响依赖该模型元素的模型元素。 2 、关联( a s s o c i a t i o n ) 图2 1 2 关联关系示例 关联用于描述类与类之间的连接。关联关系一般都是双向的，即关联的对象彼此都 能与对方通信。 3 、通用化( g e n e r a l i z a t i o n ) 图2 1 3 通用化关系示例 一个类( 通用元素) 的所有信息( 属性或操作) 能被另一个类( 具体元素) 继承， 继承某个类的类中不仅可以有属于自己的信息，而且还拥有了被继承类中的信息，这种 机制就是通用化。 4 、实现( r e a l i z a t i o n ) 目目 图2 1 4 实现关系示例 实现关系用于表示同一事物的两种描述之间的关系。对同一事物的两种描述建立在 不同的抽象层上。比如，定义了某种数据类型，然后将其实现为某种语言中的类，那么 抽象定义的类型与用语言实现的类之间就是实现关系，这种情况也被称为精化。 9 2 统一建模语言u m l 硕士论文 2 1 3 图( d i a g r a m s ) 图是事物集合的分类，u m l 中包含五类十种图m1 1 1 。 1 、静态图( s t a t i cd i a g r a m ) ： 包括类图( c l a s sd i a g r a m ) 、对象图( o b j e c td i a g r a m ) 、包图( p a c k a g e d i a gr a m ) 。其 中类图描述系统中类的静态结构。对象图是类图的实例，几乎使用与类图完全相同的标 识。包由包或类组成，表示包与包之间的关系。包图用于描述系统的分层结构。 2 、行为图( b e h a v i o r d i a g r a m ) - 包括状态图( s t a t e c h a r t diag ram ) 、活动图( a c t i v i t y d i a g r a m ) 。行为图用来描述系 统的动态模型和组成对象间的交互关系。 3 、用例图( u s e c a s e d i a g r a m ) ： 包括用例图，是从用户角度描述系统功能，并指出各功能的操作者。 4 、交互图( i n t e r a c t i o n d i a g r a m ) ： 包括顺序图( s e q u e n c e d i a g r a m ) 、协作图( c o l l a b o r a t i o nd iagram ) 。用来描述 对象间的交互关系。这两种图合称为交互图。 5 、实现图( i m p l e m e n t a t i o n d i a g r a m ) ： 包括组件图( c o m p o n e n t d i a g r a m ) 、部署图( d e p l o y m e n t diag ram ) 。其中构件图 描述代码部件的物理结构及各部件之间的依赖关系。部件图有助于分析和理解部件之间 的相互影响程度。 2 2 u m l 的优点 ( 1 ) u m l 符号具有定义良好的语义，不会引起歧义。u m l 是一个标准的、被广 泛采用的建模语言，因此，用u m l 建模有利于交流。 ( 2 ) u m l 是可视化的建模语言，它为系统提供了图形化的可视模型，使系统的结 构变得直观，易于理解。 ( 3 ) 用u l 为软件系统建立模型不但有利于交流，而且有利于软件的维护。 4 1 2 3 u m l 的扩展 u m l 自身还具有较好的可扩展性，在其演变过程中提出了一些新的概念，如标签 值( t a g g e dv a l u e ) 、模版( s t e r e o t y p e s ) 、职责( r e s p o n s i b i l i t i e s ) 、扩展机制( e x t e n s i b i l i t y ) 、 线程( t h r e a d s ) 、过程( p r o c e s s e s ) 、分布式( d i s t r i b u t i o n ) 、并发( c o n c u r r e n c y ) 、 模式( p a t t e r n s ) 、合作( c o l l a b o r a t i o n s ) 、活动图( a c t i v i t yd i a g r a m s ) 、等新概念，并 清晰地区分类型( t y p e ) 、类( c l a s s ) 和实例( i n s t a n c e ) 、细化( r e f m e m e n t ) 、接h ( i n t e r f a c e s ) 、 1 0 硕士论文 基于普适计算模式下的数字家庭关键技术研究 和组件( c o m p o n e n t s ) 、等概念，可适用于不同领域，在保持通用性的同时，还具有使 自己专用化的能力。因此，可以认为u m l ，是一种先进适用的标准建摸语言，但其中某 些概念还有待实践来验证。 3 基于普适计算的数字家庭框架 硕士论文 3 基于普适计算的数字家庭框架 在前面章节中，我们对普适计算的概念、普适计算当前的研究状况以及本文中用 到的统一建模语言u m l 做了简单的介绍。因为本论文的主要任务是实现普适计算模 式在数字家庭中的应用，因此本章将以前面的内容为基础，首先，介绍普适计算系统 结构，接着提出了数字家庭中的核心部分家庭服务器的体系结构。 3 1 普适计算系统结构 普适计算的系统结构主要包括智能终端、普适网络、中间件和人机交互等几个层 次【1 2 】。 1 智能终端 智能终端可以包括不同类型的设备，如传统的计算机输入设备和输出设备、移动 和手持设备、感知设备、智能物体和可穿戴计算机等。在理想情况下，普适计算应该 包括全球范围内嵌入的具有主动或者被动的智能设备，它能自动搜集信息和传递信 息，并根据信息采取相应行动。 2 普适网络 普适计算环境是一种普遍互联的网络。除一般计算机之间联网外，各种智能物体 或设备都可以通过不同方式接入互联网。所有智能物体或设备的控制可以不通过w e b 界面来完成，这样用户就可以随时随地对这些设备进行操控。 普适计算的网络环境包括各种无线网络、互联网、电话网、电视网、自组网络、 无线传感器网络以及g p s 网络等。普适计算网络支持异构环境和多种设备的自动互 连，对环境的动态变化具有自适应性，提供无所不在的信息服务。 3 中间件技术 普适计算系统软件的创新是推动普适计算发展的一个重要因素，而普适计算中的 系统软件多采用中间件技术。中间件是位于操作系统与应用软件之间，屏蔽操作系统 和网络协议的差异，为异构系统提供服务的软件。普适环境中遇到的诸如异构性、扩 展性、不可见性以及对自组网络的支持等问题为未来中间件的发展提出了新的机遇。 目前普适计算中间件的研究还处于探索阶段，这些中间件针对普适计算的要求， 突出了灵活的协议支持，统一的编程支持以及可裁减等特点，有别于固定网络和p c 平台的传统中间件，而动态可重配置中间件、支持上下文感知应用中间件是普适计算 中间件的发展方向。 4 人机交互 自然的人机交互为人与普适计算环境之间提供高效、和谐的交互方式，典型的交 1 2 硕士论文基于普适计算模式下的数字家庭关键技术研究 互方式包括语音输入、手写输入、人脸识别以及立体眼镜等。除鼠标、键盘输入由人 驱动的显示人机交互外，普适计算人机交互会向隐式或多模态的人机交互方向发展。 o i 感知设备 l w r e b 浏览器 智能手机等 各种探头或标签 图3 1 1 系统框架结构 除用户主动输入外，上下文感知过程是系统确定自身行为最有效的依据。上下文 是指包括用户自身在内的计算环境中可能对交互过程产生影响的各种因素，其中蕴含 的环境信息能够拓宽人机之间的信息带宽，从而在交互过程中发挥积极的辅助作用。 3 2 数字家庭服务器体系结构 3 2 1 家庭服务器概述 家庭服务器是利用计算机、微电子、通信、布线等技术，将家庭智能化的几乎所 有功能集成起来，为普适环境的数字家庭和各种将来可能的增值服务提供了一个统一 的平台。智能家庭设备能通过家庭服务器将宽带网络接入家庭，家庭内部的网络可以 是无线或有线的。在家庭内部，手持设备、p c 或者家用电器用上述方案通过有线或 者无线的方式连接到网络，从而提供了一个无缝、交互和普适计算的环境。人们能在 任何地点、任何时候访问服务网络，通过高级的设备与电器诊断、自动定时、集中和 远程控制等功能，令生活更方便舒适；通过远程监控器监控家庭的情况，使生活更安 全。 家庭服务器可以看成是集主网关、多媒体服务器和多个子网关于一体的并且具有 大存储空间的综合网关。它具有协议转换、媒体服务等的功能，用于连接外网和家庭 内部的智能设备。对外，家庭服务器连接包括电话网、电视网、小区局域网等外部网 络，并通过选配外网接口可以支持多种接入技术。对内，家庭服务器可配置多种接口， 我们的后续章节中提出的即插即控协议栈就是基于这种对内多种接口的配置。 家庭服务器内嵌家庭网关，所以家庭服务器应提供给本地网络方案。 家庭服务器不仅要提供多种外网接入，同样的，它还需提供多种家庭内部联网方 3 基于普适计算的数字家庭框架 硕士论文 式，可以是电话线，电力线、无线或其他须重新布线的联网技术。因此家庭服务器必 须有嵌入式的路由或h u b ，带有多种网络接口和i p 地址管理和协议转换，提供高速的 宽带连接。必须实现的服务有：登陆、h t t p 、设备访问，通过因特网进行合法的远 程管理等。考虑到实际的家庭里的应用环境，家庭服务器必须有其独特的特点： 1 ) 耐久性和长生命周期； 2 ) 高可靠性：运行在上面的硬件和软件都必须非常可靠； 3 ) 低能耗：由于家庭网关提供的是2 4 d x 时不间断的连接，因此必须将能耗降低到 最小； 4 ) 必须有一个安全的环境，保证服务的正常运行； 5 ) 安全和私人防火墙：支持安全的电子商务传输和远程家庭控制和或许服务提供 商的访问； 6 ) 生命周期管理：安装、启动、停止、更新、卸载等； 7 ) 升级平台：远程网络配置、设备查询、服务分配、软件升级等。 家庭服务器除了具备家庭网关的功能以外，还必须具有适应未来发展的各种功 能： 1 ) 提供一个统一的平台：满足消费者关于通讯、信息和娱乐的各种主流需求， 其大容量的存储空间使其可担当家庭的数据中心，无缝连接现有的所有的已存在家庭 系统和电子设备； 2 ) 为服务商提供一个开放的服务接入平台：互联网服务对于需要远程控制的家 庭设备的远程控制配置；控制、查询和网络监控；继承的防火墙、安全措施使之能胜 任第三方服务提供商提供面向家庭的增值服务，并将有效的将新的服务分布至家庭的 各个角落。 除了上面的列出的基本的特点外，家庭服务器应当具有以下的特点： 1 ) 模块化系统结构：考虑未来的可能的需求，着眼于未来的应用，只有使用模 块化架构才能使家庭服务器支持未来的可能的服务。这种模块化的设计必须采用灵活 的可扩展硬件平台，以及支持为开展新服务而对操作系统和应用程序升级的有较优的 鲁棒性和容错性的文件系统。 2 ) 更高的安全性：是服务提供商之间隔离保护，服务质量的保证。 3 ) 个性化动态性：用户和操作者可以根据需要改变配置。虽然家庭服务器可以 提供多种接入和多种家庭组网的接口，但实际家庭可能只需要其中的几种，这就可以 利用模块化组装来实现。在硬件设计中，一般可将各种网络技术设置为m a c ( 媒体 继而控制层，m e d i aa c c e s sc o n t r o ll a y e r ) 内置，p h y ( 物理层，p h y s i c a ll a y e r ) 外 接。当需要某几种网络技术时，选购家庭