华中科技大学计算机网络课件 专题2 智能家居与普适计算.ppt

智能家居与普适计算,智能家居的起源,智能家居概念的起源甚早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司（UnitedTechno1ogiesBuildingSystem）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州（Conneticut)哈特佛市（Hartford）的CityPlaceBuilding时，才出现了首栋的智能型建筑,从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。最著名的智能家居要算比尔盖茨的豪宅。经过7年的建设，1997年，比尔盖茨的豪宅终于建成。他的这个豪宅完全按照智能住宅的概念建造，不仅具备高速上网的专线，所有的门窗、灯具、电器都能够通过计算机控制，而且有一个高性能的服务器作为管理整个系统的后台。,智能家居的定义,家庭自动化（HomeAutomation）,电子家庭（ElectronicHome、E-home）,家庭网络（Homenet/NetworksforHome）,数字家园（Digitalfamily）,智能家庭/建筑（Inte1ligenthome/building）,网络家居（NetworkHome）,智能家居（SmartHome）,智能化住宅的概念,美国电子工业协会于1988年编制了第一个适用于家庭住宅的电气设计标准，即：家庭自动化系统与通讯标准，也有称之为家庭总线系统标准(HBS)；我国也从1997年初开始制定小康住宅电气设计(标准)导则。规定了小康住宅小区电气设计总体上应满足以下的要求：高度的安全性；舒适的生活环境；便利的通讯方式；综合的信息服务；家庭智能化系统。同时也对小康住宅与小区建设在安全防范、家庭设备自动化和通讯与网络配置等方面提出了三级设计标准，即：第一级为“理想目标”；第二级为“普及目标”；第三级为“最低目标”。,智能家居的发展,2000年概念年：2000年是智能家居在中国的一个概念年。通过广播电台、电视、报纸和杂志等诸多媒体的广泛宣传，相当一部分居民已经接受了智能家居这个概念。2001年研究开发年：国外完成这个系统的过程一般要经过35年的时间，当然在中国也许用不了这么长的时间，因为已有了国外的一些经验可供参考。2001年是各个科研机构和公司从规划到实际研究和开发的关键一年。2002年2003年实验年：在这一年中，有相当一部分高档和中档的住宅小区和私人住宅，将在控制和管理上实现一般意义上的智能化，宽带网将进入一般居民的住宅和小区，为智能家庭网络功能的完善佐以一定的条件。2003年2004年推广年：到20032004年，是智能家庭网络系统在中国推广应用的两年。2005年2007年普及年：我国在智能家居技术领域与欧美国家的差距并不大，估计仅滞后23年，在这几年中，我国将全面普及智能家庭网络系统和产品，即开始走进普通居民的家居中。,还不是真正意义上的智能家居,智能家居的特点,节省费用-在不需要时，能源消耗装置可以自动关闭，这样可以降低您的费用。使用方便-使用方便-自动化系统提供远程遥控接口。自动化系统还可以把重复的工作自动化。在您外出时，还可以通过Internet来调整或控制家电。安全性高-一套家庭自动化系统在紧急情况时可以防御坏人或报警。您可以在任何地方可以监控该安全系统，这样可以保证您的家居安全运行。智能家居可以为人们带来更为惬意轻松的生活在生活工作节奏越来越快的今天，家居智能化也可以为人们减少繁琐家务提高效率节约时间，让人们有更多的时间去休息教育子女锻炼身体和进修，使人们的生活质量有了很大的提高。改变生活方式-你可以是穿著T恤在家办公，可以在家炒股、进行远程会议，主妇在家逛街，孩子在家上课，在互联网上能完成的工作都可以在家完成。现代化的生活工作方式较以往有了很大区别。,智能家居的功能,家居安全监控：各种报警探测器的讯息署报警家电控制：利用计算机、移动电话、PDA通过高速宽带接入Internet，并对电灯、空调、冰箱，电视等家用电器进行远程控制家居管理：远程三表(水、电、煤气)传送收费家庭教育和娱乐：如远程教学、家庭影院、无线视频传输系统、在线视频点播、交互式电子游戏等家居商务和办公：实现网上购物、网上商务联系，视频会议入口控制(门禁系统)：采用指纹识别、静脉识别、虹膜识别、智能卡等家庭医疗，保健和监护：实现远程医疗和监护，幼儿和老人求救，测量身体的参数(如血压，脉搏等)和化验，自动配置健康食谱。,住宅,建筑,网络通讯,信息家电,设备自动化,系统,结构,管理,服务,高效,舒适,便利,安全,环保,平台,技术,构架,服务,智能家居,智能家居的结构,整个智能家居结构的核心是Internet。以Internet为中心，在家庭网络连接下，结合了多种智能家居功能解决方案，包括家居控制、讯息服务、通讯交流、商务、娱乐、教育、医疗保健、移动通讯。,智能家居的构成,智能家居,家庭自动化,家庭网络,网络家电,信息家电,家庭自动化系指利用微处理电子技术，来集成或控制家中的电子电器产品或系统，例如：照明灯、咖啡炉、电脑设备、保安系统、暖气及冷气系统、视讯及音响系统等。,家庭自动化,CPU,温度湿度日照光线变化等,键盘、触摸荧、按钮、电脑、电话机、遥控器等,照明视听设备空调安防系统炊具等,外界信号,界面,家电、设备,家居智能化的最初形式,家庭网络是在家庭范围内(可扩展至邻居，小区)将PC、家电、安全系统、照明系统和广域网相连接的一种新技术。,家庭网络,家居智能化的发展方向,形式：有线、无线,网络家电,网络家电是将普通家用电器利用数字技术、网络技术及智能控制技术设计改进的新型家电产品。网络家电可以实现互联组成一个家庭内部网络，同时这个家庭网络又可以与外部互联网相连接。,目前认为比较可行的网络家电包括网络冰箱、网络空调、网络洗衣机、网络热水器、网络微波炉、网络炊具等。,网络家电技术包括：（1）家电之间的互连问题，也就是使不同家电之间能够互相识别，协同工作。（2）解决家电网络与外部网络的通信，使家庭中的家电网络真正成为外部网络的延伸。,最终将融入到家庭网络中去,信息家电,信息家电应该是一种价格低廉、操作简便、实用性强、带有PC主要功能的家电产品。利用电脑、电信和电子技术与传统家电相结合的创新产品，是为数字化与网络技术更广泛地深人家庭生活而设计的新型家用电器，信息家电包括PC、机顶盒、DVD、超级VCD、无线数据通信设备、视频游戏设备、WEBTV、INTERNE电话等等，所有能够通过网络系统交互信息的家电产品，都可以称之为信息家电。,实现家居智能化的终端,家庭自动化,家庭网络,网络家电,信息家电,智能家居,智能家居的基本结构图,智能家居为什么智能？,从技术上，智能家居所要实现的主要的功能有：（1）对白色家用电器和其他设备的控制、调节和监测，比如微波炉、洗衣机、灯光、电动窗帘、防盗报警器、自动门烟雾探测器、有害气体检测装置、温度和湿度控制器、风量调节器、各种手动的开关和遥控器等。（2）沟通黑色家电和其他视频设备之间以及与外部世界之间的信息通道，其中包括：台式/手持计算机、电视、录/摄像机、VCD/DVD和数码照相机等；同时还可以实现对它们的控制和监测。（3）通过对外的接口，实现远程控制和信息交换，如：电话线、有线电视电缆、市电电源线、双绞线和无线通讯方式等。,国外把家电分为3类：白色家电、黑色家电和米色家电。白色家电：指可以替代人们家务劳动的产品；黑色家电：可提供娱乐，像彩电、音响等；米色家电：指电脑信息产品。,绿色家电：指在质量合格的前提下,高效节能且在使用过程中不对人体和周围环境造成伤害,在报废后还可以回收利用的家电产品。,智能家居的信息流介质,控制网络如智能家居的基本结构图中右半部分所示，它主要是控制家庭中各种设备的运行状况，如电灯的灭/亮和亮度控制，空调的启/停以及温度和风量的控制，家庭安防系统的讯号采集和执行，各种开关量的输入，电动窗帘的开启/关闭控制，室内各种物理量的探测（如温度、湿度，各种气体含量等），四表（煤气表、电表、水表和暖气的热量表）数据的输出与指示等。特点：传输的信息主要是控制信息以及一些物理量的参数。信号的频率相对比较低，因此传输的速率可以比较低，一般在数十Kbps就可满足要求，但是信息传输的可靠性要求比较高。,智能家居的信息流介质,2.信息网络在图中其它部分我们统称其为信息网络，它连接的设备有计算机、电视、音响系统，录像机、数码相机以及手机等等。特点：在信息网络上传输的主要是音频和视频信号，它们的频率带宽一般要高达数兆赫兹，因此要求信息网络上的信息传输速率比较高，普遍应达到10Mbps以上。但相对说来，它的可靠性要求没有控制信息那么高。,网络：智能家居的骨架,分布式家庭控制网络的基本组成,总线耦合器（BCU）,4.通用遥控器,3.家用电器,2.家电控制信号的驱动部分,5.电话接口,6.家庭网关,技术：智能家居的神经,未来的智能家居什么样？,我们可以体验一下生活在智能信息家电所创造的现代化生活场景：清晨6点20分，轻柔的音乐自动响起并逐步增大音量催你起床，同时卧室的光线也逐渐调整到清晨的亮度。6点30分，电视自动调整到CNN频道播报当日新闻。同时，你的智能咖啡壶已自动热好咖啡。7点整出门时，你完全不必担心灯还没关，大门还没锁。因为在你开车上公路的时候，埋藏在地下的传感器会检测到你离家了，智能家居系统会自动帮你照料好一切。,上班以后，你可以随时登陆到自己的家庭网站上查看安全防护系统的摄像记录。通过连接到托儿所或学校的摄像头，你还可以观察到你孩子的一举一动。而当下午你的孩子放学回家时，在他输入安全秘码进屋的同时，你的手机上会显示出孩子已经安全到家的消息。下班路上，在离家还有一两分钟时，你掏出手机指示家里的空调开始工作。接着安装在家门口的传感器检测到你回家了，由于天色已晚，院子的大灯自动开启，车库的大门也自动打开。,走进厨房，热气腾腾的晚餐已经备好。这要归功于你的智能电炉的快速烹饪功能。晚餐后，你来到家庭影院，电视机的顶置盒在白天已经按照你的指示自动搜索并摄录了电视节目。睡觉前，你通过床边的触摸屏查阅了电子邮件，然后按下了“晚安”键。这时，你家的灯全部熄灭，大门锁好。而安全防卫系统开始忠实地守卫你的家园。,未来的智能家居,网络技术,计算机技术,未来的智能家居,智能家居的骨架-网络技术,智能家居的神经-计算机技术？,窄带,有线,IPv4,宽带,无线,IPv6,介绍内容：,提出与定义如何实现研究领域结论,计算模式的发展,计算模式（ComputingParadigm）在20世纪80年代经历了从主机计算(MainframeComputing)到桌面计算(DesktopComputing)的革新,90年代以来计算技术的飞速发展，是否蕴育了新的计算模式？,计算机的时代变迁,当前计算机技术发展的特点,计算、通信和数字媒体技术的互相渗透和结合，其集中的体现就是互联网的发展；计算机在计算能力和存储容量提高的同时体积也越来越小，其发展趋势是把计算能力嵌入到各种设备中去，而且这些设备可联网使用。,传统的计算模式,以计算机为中心的计算：计算机的使用方法不符合人类的习惯；为了完成一项任务，需要与计算机进行的对话过于烦琐；基于桌面的使用模式：用户要使用计算机，就需要坐在计算机面前；本质上说是一种私有模式，难以适应一个用户可能在不同地点和环境，甚至在移动过程中使用多台计算设备进行工作的情况。,全新的计算模式提出,计算机技术进一步发展迫切地需要全新的计算模式，这就是普适计算(Pervasive/UbiquitousComputing)。普适计算的思想最早是1991年MarkWeiser在ScientificAmerican的“TheComputerforthe21stCentury”中提出的。,MarkWeiser,计算模式的发展趋势,普适计算思想的发展,强调把计算机嵌入到环境或日常工具中去，让计算机本身从人们的视线中消失，让人们注意的中心回归到要完成的任务本身Weiser的思想在90年代后期开始在国际上得到广泛关注和接受，目前已经成为一个极具活力和影响力的研究领域。重要标志：1999年开始的Ubicomp国际会议、2000年开始的PervasiveComputing国际会议、2002年IEEEPervasiveComputing期刊的创刊。,普适计算的定义,目前尚未有明确定义，但目标都是“要建立一个充满计算和通信能力的环境，同时使这个环境与人们逐渐地融合在一起”。清华大学徐光祐教授等的定义是:“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、透明地获得数字化的服务。”,普适计算的内涵,消失（Disappearing）：Weiser的一个著名论述，“最深奥的技术是那些消失了的技术，这些技术将它们的自身交织于日常生活中，直至不可区分。”例如：书写-文字、符号，电。不可见（Invisible）：一种好的工具是不可见的工具，其含意是这一工具并不进入你的意识，你只是专注于任务而非工具。例如：眼镜，盲人的竹竿。好工具应增加其不可见性。普适计算也将是那样一种不可见的工具。,“随时随地”和“透明”,“随时随地”指人们可以在工作、生活的现场就可以获得服务,而不需离开这个现场而去端坐在一个专门的计算机面前，即像空气一样无所不在；“透明”指获得这种服务时不需要花费很多注意力，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（ImplicitInteraction）。,普适计算的本质要求,相对“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。Themostprofoundtechnologiesarethosethatdisappear.Theyweavethemselvesintothefabricofeverydaylifeuntiltheyareindistinguishablefromit.“最具有深远意义的是那些从人们注意力中消失的技术，这些技术已经渗透到人们的日常生活中以致与生活难以区分”。,目前的主要研究计划,DonNorman的“InvisibleComputer”；CMU的Aura计划；欧盟的“DisappearingComputer”计划；MIT的Oxygen计划；MERL实验室的InteractiveTable计划；MITMediaLab的ThingsThatThink项目；HP的CoolTown计划；清华大学的SmartClassroom等。,介绍内容：,提出与定义如何实现研究领域结论,信息空间和物理空间的融合,绑定和自发的交互,绑定：信息空间中的对象与物理空间中的物体建立相互的对应，使这个物体成为访问信息空间中服务的直接入口。自发的交互：物理空间和信息空间之间无需人的干预的交互，即其中任一个空间状态的改变可以引起另一个空间的状态的相应改变。,两种途径实现绑定,直接在物体上（内）嵌入一定的感知、计算、通信能力，使其同时具有物理空间和信息空间中的用途。例子：MERL实验室研究的InteractiveTable；清华大学研究的SmartClassroom；MITMediaLab的ThingsThatThink项目。,两种途径实现绑定,为每个物体添加可以被计算机自动识别的标签，标签可以是基于条码、红外和RFID的。例子：HP的CoolTown计划，通过在所有物理世界中的物体上附着一个编码有URL信息的条形码来建立物体与其Web上的表示之间的对应，从而建立一个数字化的城市。,从两个相对方向看自发的交互,信息空间的状态改变映射到物理空间中，其最主要形式是数字化信息可以无缝地叠加在物理空间中/上。例子：已经广泛采用的各种电器上的显示屏；E-Ink公司正在研究的电子纸；IBM研究院的EverywhereDisplay；,信息空间也可以自动地觉察物理空间中状态的改变，从而改变相应对象的状态或触发某些事件。这种特性称为觉察上下文的计算，是普适计算的重要特征；当你抵达一个场所当你拿起一个公用设备信息空间对人的行为甚至表情的自动理解主动的计算或者蕴涵式的人机交互,从两个相对方向看自发的交互,蕴涵式人机交互的实现途径,实现途径有两类通过传感器：欧盟的TEA计划，在日常器具如咖啡杯、家具、手机等中嵌入传感器；通过多模态感知接口：清华大学的SmartClassroom，用视觉跟踪、姿态识别等方法来判断目前教室中的上下文。,桌面计算模式Vs普适计算模式,桌面计算模式下，信息空间和物理空间是隔离的：绑定是稀疏的，唯一的绑定点是计算机；它们之间的交互是由人驱动的，人先察觉物理空间的改变然后用一定的方式输入到信息空间隔离正是桌面计算模式各种不足的根源！,普适计算的特性,无所不在的(Pervasive)嵌入的(Embedded)游牧的(Nomadic)自适应的(Adaptable)永恒的(Eternal)普适计算的本质就是力图真正全面实现计算技术的“以人为本”,介绍内容：,提出与定义如何实现研究领域结论,各个层次上新的要求和技术挑战,在硬件或接入层次上在网络层次上在系统软件层次上在人机交互层次上,相对自完备的研究领域,智能空间(SmartSpace)；可穿戴计算(WearableComputing)；系统软件(SoftwareInfrastructure)；觉察上下文计算(Context-awareComputing)；游牧计算(NomadicComputing)。,觉察上下文的计算,觉察上下文计算的基本概念当前上下文的获取觉察上下文计算的软件支持环境,基本概念,上下文：指任何可用于表征实体状态的信息；实体：可以是个人、位置、物理的或信息空间中的对象；觉察上下文计算：每当用户需要时，利用上下文向用户提供适合于当时任务、地点、时间和人物的信息或服务。,上下文的种类,当前上下文的获取方式,从各种传感器从已有的信息从用户和任务模块获取通过计算设备间的交互由用户直接设定,软件支持环境,这是个困难的问题：必须解决由上下文种类的多样性、数据格式和精度各不相同、提供的时间互不同步所造成的困难需要解决的关键问题上下文信息的建模：需要能表示各种上下文信息的通用数据结构；系统结构：把应用开发与上下文的感知相分开，需要引入中间层，可有集中式结构和分布式结构。,系统软件(SoftwareInfrastructure),对普适计算中大量的联网的设备、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、任务迁移等等提供系统级的支持必须能在我们日常生活的空间中而不是一个特定的环境中提供上述各种功能和服务这是一个组成、结构都经常变化的工作环境，并且与此相关的硬件经常是异构的、容易出错和只具有有限的资源,两个主要的需求,物理的集成(PhysicalIntegration)：在普适计算系统中涉及计算节点与物理世界的某种集成；自发的互操作(SpontaneousInteroperation)：普适计算系统可以划分为两部分，一部分是基础设施，一部分是移动设备,系统软件的关键问题,发现(Discover)当用户把一个新设备带入一个空间或在已有的设备上采用新的模块时，在此设备/模块和其它可用的服务和设备之间是如何相互地发现以及在它们之间需要进行哪些交互；普适计算系统是一个逐渐扩展的系统，这个过程应该不要求重新启动系统，或重写已有代码，这也是以发现机制作为基础的。如JINI，UpnP,系统软件的关键问题,自适应(Adaptation)普适计算系统中各种设备拥有的资源是不同的和变化的它们在计算能力、存储容量、电池容量、交互手段等因素上都有着很大的差异，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,系统软件的关键问题,对物理实体的管理在普适计算系统中，物理世界中的物体都同时具有信息空间中的意义，普适计算的系统软件就必须对这些物理实体具有一定的管理能力。有两层含义：(a)把物理实体看作一种资源，需要建立对这些资源的位置、结构、功能的表示，而且需要反应动态的实际情况。这需要觉察上下文计算的支持。(b)当物理实体嵌入有传感、计算、效应能力时，必须提供对它们的高层接口，即相当于传统的驱动程序。,系统软件的关键问题,模块间协调机制(IntermoduleCoordination)普适计算系统是一个分布的系统，如何把各种分布的模块之间纷繁复杂的互联、通信、协作以一种统一和有机的方式组织、管理起来，而使系统展示出一个协调的行为和功能已有的各种分布式组件结构如DCOM、CORBA和EJB等都可以认为是一种协调机制，但它们直接用来支持普适计算系统是不合适的，因为用对象来抽象普适计算中的模块是不合适的Multi-Agent系统目前被公认为是一种较合适的选择方案,系统软件的关键问题,鲁棒性(Robustness)与使用有线分布式系统时相比出错频率大幅度增加；在自发互操作中，模块间的联系会经常不可预见地丢失和恢复；各种暂时的故障不应该被作为错误情况而导致系统退出或崩溃，而需要设计能把这种暂时的故障看做一种正常的动态的工作上下文的功能和技术,系统软件的关键问题,安全性(Security)普适计算系统的移动设备和基础设施之间自发的互操作带来了新的安全问题，如何保护它们不受到潜在的、恶意的交互对方的损害,智能空间,智能空间的定义是“一个嵌入了计算、信息设备和多模态的传感器的工作空间,其目的是使用户能非常方便地在其中访问信息和获得计算机的服务来高效地进行单独工作和与他人的协同工作”,智能空间应具备的功能,能识别和感知用户以及他们的动作和目的，理解和预测用户在完成任务过程中的需要；用户能方便地与各种信息源进行交互；用户携带的移动设备可以无缝地与智能空间的基础设施交互；提供丰富的信息显示；提供对发生在智能空间中的经历(experience)的记录,以便在以后检索回放；支持空间中多人的协同工作以及与远程用户的沉浸式的协同工作。,智能远程教室基于智能空间的远程智能教室实验系统,基于多模态信息的自然人机交互；分布侍候式服务(attentiveservice)；经历(experience)的自动记录；计算和通信服务是分布和不可见的；结合了桌面会议系统、异地协同编著系统的功能，因此，可支持远程的协同工作。,基于多模态信息的自然人机交互,教师的身份通过对人脸图像和讲话声音的识别来实现；教师就像在普通教室中那样通过语音和手势就可进行教学，而无需坐在计算机面前；教师的操作包括调用课件、在电子黑板上作注释、与远方的学生交流；引入基于了虚拟人像(avatar)技术的一个虚拟助理角色,由它代表智能空间来协助用户与智能空间的交互,分布侍候式服务,能检测教室中发生的事件，并根据对此事件的理解主动地提供相应的服务；教师在教学中可能有以下场景：手持教具讲解、面向电子黑板解释其上内容等；系统将根据对教师动作的理解，在不同的场景下向远方的学生转发相应的视频镜头或电子黑板内容。,经历的自动记录,系统自动记录在远程智能教室中发生的所有事件，其中包括学生的提问、教师的演讲和在黑板上的注释等，并以结构化的多媒体流的形式保存；这是一个以时间或事件为索引的结构化的文件，既可作为课件也可作为上下文历史供以后使用。,计算和通信服务是分布和不可见的,整个系统是建立在一个自主开发的多代理(multi-agent)分布式系统SmartPlatform上的；系统中计算资源是共享的，而不是私有的；通过传感器输入的信息和提出的相应计算任务不是固定在某台计算机上，而是由系统根据当时的情况来调度，这样可以很好地解决多项计算任务，例如语音与手势数据的实时处理同时进行的问题,介绍内容：,提出与定义如何实现研究领域结论,结论,把计算和信息融入人们的生活空间人们生活其中可随时、随地得到信息访问和计算服务是对计算模式的革新，维极大地活跃了学术思想，推动了对新型计算模式的研究新的研究方向：平静计算CalmComputing日常计算EverydayComputing主动计算proactivecomputing等,平静技术（CalmTechnology）,主机时代：平静相对是很少的；PC机+互联网时代：人机交互；普适计算时代：强调的是“平静”。,使计算机处于非妨碍状态，也就是当人正被指定的计算机共享时，人依旧处于安定和控制之中。,人是主体,平静与活跃,活跃-外界对人的作用，如信息的刺激，呼机、手机、新闻服务、www、e-mail、电视和收音机等平静-人对外界的作用，如从事某项具体的工作，设计，计算，思考等,平静与活跃是矛盾的，它们都是人们的需要，但往往不能同时满足。,平静技术,平静技术的特征：第一，中心和边缘之间可以很容易移动；第二，通过把更多的细节放入边缘，可以增强边缘的延伸（reach）；第三，边缘可以轻易地把我们与大量熟悉的细节相连