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1、2009 年8月28日,No.1/50,普适计算 Pervasive Computing,专业前沿知识,电气专业选修课,2009 年8月28日,No.2/50,普适计算 技术及其应用,2009 年8月28日,No.3/50,计算机技术的发展,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。,2009 年8月28日,No.4/50,计算模式的发展过程（1）,2009 年8月28日,No.5/50,很多研究人士认为Tabs是三个具体化模型里面最重要的应用成果
2、。普适计算之父 Mark Weiser批处理系统的出现使用户不再需要在集中的时间进行计算，即使计算机处于非空闲状态，用户也可以提交工作任务，但仍然需要用户在集中的地方进行计算。以上是普适计算概念创始人 Mark Weiser为我们描述的21世纪日常生活一景。普适计算之父 Mark Weiser由于传输通道的原因，每次同网络进行连接时，终端都可能被分配到不同的网络地址。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；移动代理与具体的软件和硬件平台无关，能够工作于异质环境。年8月28日实例：汽车上的 ABS 防滑刹车系统普适计算终端的研究内容（1）“随时随地”指人们可以在工作、生活的现场
3、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；多保真性Mark Weiser 于 1991 年提出普适计算的想法后，他所在的（施乐复印机公司）帕洛阿尔托研究中心开始进行一系列无线技术研究。实时性年8月28日,计算模式的发展过程（2）,早期的计算机非常庞大，要求用户集中到计算机所在地进行计算，并且由于使用的为单用户操作系统，为了提高使用效率，还要求用户在集中的时间进行计算。随着计算系统的发展，用户逐渐从计算的集中使用中解放出来，使计算模式越来越自由。批处理系统的出现使用户不再需要在集中的时间进行计算，即使计算机处于非空闲状态，用户也可以提交工作任务，但仍
4、然需要用户在集中的地方进行计算。,2009 年8月28日,No.6/50,分时系统使得计算机的资源能够同时被多个用户所共享，并使用户可以在分散于实际计算机所在的地方进行计算。传统的分布式分时系统网络结构把这种分散性进一步扩大到更广泛的地理区域，但对于能够为多个用户共享的被互联起来的计算资源的使用仍然不是很方便。局域网和工作站的出现则使得资源的共享和使用更加方便。,计算模式的发展过程（3）,2009 年8月28日,No.7/50,随着无线网络的发展而出现的移动计算则使计算更加自由，用户可以在无线通讯网络体系结构覆盖范围的任何地方，在任何时间进行系统资源的访问。计算的发展趋势：计算和资源使用的自由
5、性和灵活性趋势。随着计算的发展，计算变得越来越自由，并表现出了多种形式。目前，主要涌现出了无线计算、普适计算、移动计算、松散计算、日常计算和无所不知的计算等多种模式。从广义的角度来说，这些计算都属于普适计算的范畴。,计算模式的发展过程（4）,2009 年8月28日,No.8/50,新型计算模式（1）,无线计算（wireless computing），指通过无线连接到工作环境的计算系统。通常，无线计算意味着无线局域网络中的计算设备，这些设备能够通过网关等设备访问普通的有线网络。无线计算的关键在于相应的设备具有加入用来实现数据和信息共享的由计算设备和服务组成的工作环境的能力。,2009 年8月28
6、日,No.9/50,新型计算模式（2）,游牧式计算（nomadic computing），指设备从一种支持环境移动到另一种支持环境时计算仍然能够进行的能力，使得非本地用户能够通过网络连接访问本地资源。,2009 年8月28日,No.10/50,松散计算（decoupled computing），指设备在同网络环境失去连接时所具有的计算能力。对于资源比较丰富的计算设备，在失去同网络的连接时，能够以透明的方式执行某些操作。如，访问文件服务器上的文件，可通过在设备中使用文件缓存技术，使得用户在断连状态下进行文件访问或更新成为可能，当连接被重新建立时，缓存的文件自动同服务器中的拷贝进行重新同步。,新型
7、计算模式（3）,2009 年8月28日,No.11/50,日常计算(everyday computing)，如同计算不再局限于传统的桌面系统改变了人与计算机之间的关系一样，持续交互方式把计算从局部处理工具变为了一种持续存在。日常计算的目的在于需要支持非正式的、非结构化的日常生活中的典型行为。这些行为在时间上是连续的，没有明显的起点或终点。AT&T实验室正在研究一种新的计算模式无所不知的计算（omniscient computing）。无所不知的计算通过服务器、CORBA数据库软件和无线传感器来定位人们生活和工作地点的准确位置，使用计算机、摄像机或是其他日常使用的工具自动识别使用人员，并能确定使
8、用人员的位置和需求等信息。,新型计算模式（4）,2009 年8月28日,No.12/50,新型计算模式（5）,普适计算则是一种更加广泛的概念，Mark Weiser认为普适计算（ubiquitous computing，pervasive computing）指的是一种环境，环境中的计算设备非常便宜，且是随时都可获得的，即使是在典型的办公环境中，也拥有成百上千的这种设备，其目的在于摆脱传统的桌面计算模式，使计算弥漫在人们所处的环境之中。,2009 年8月28日,No.13/50,普适计算时代来临,以上是普适计算概念创始人 Mark Weiser为我们描述的21世纪日常生活一景。在 Weiser
9、 看来，普适计算的本质不在于开发新的计算设备，而在于开发新的计算模式以及与之相适应的人与计算机之间新的交互方式，使计算机真正进入人们的工作和生活，成为像空气、水电一样的生活必需品，并像笔纸、刀叉一样使用方便。,2009 年8月28日,No.14/50,普适计算之父 Mark Weiser,Mark Weiser 被誉为普适计算之父，1988年在 Xerox PARC 实验室开始了这一领域的工作，于 1991 年通过“办公室内窗”产生思索：计算机是否能够以一种人们察觉不到的计算方式感知人的动作、语音甚至表情，从而做出反应（就像人的潜意识）。由此提出了关于普适计算的思想，认为普适计算的目的在于使计
10、算机在整个物理环境中都是可获得的，而用户则觉察不到计算机的存在。,2009 年8月28日,No.15/50,普适计算之父 Mark Weiser,2009 年8月28日,No.16/50,息空间中的对象；当资源缺乏时，则提供降级服务。随着无线网络的发展而出现的移动计算则使计算更加自由，用户可以在无线通讯网络体系结构覆盖范围的任何地方，在任何时间进行系统资源的访问。前者致力于将各种各样的微芯片嵌入到人类生活的各个角落，尽可能地在人们不参与甚至无意识的情况下对生活环境实现最随意的控制。普适计算 技术及其应用传统的分布式分时系统网络结构把这种分散性进一步扩大到更广泛的地理区域，但对于能够为多个用户共
11、享的被互联起来的计算资源的使用仍然不是很方便。如，访问文件服务器上的文件，可通过在设备中使用文件缓存技术，使得用户在断连状态下进行文件访问或更新成为可能，当连接被重新建立时，缓存的文件自动同服务器中的拷贝进行重新同步。年8月28日无连接，弱连接，强连接。实质 无处不在的感知普适计算包括了用户、终端、终端环境和网络环境等内容的复杂体系结构，涉及到心理学、社会学、计算机、通信等范围广大的研究内容。游牧计算(Nomadic Computing)。批处理系统的出现使用户不再需要在集中的时间进行计算，即使计算机处于非空闲状态，用户也可以提交工作任务，但仍然需要用户在集中的地方进行计算。,描绘普适计算的新
12、蓝图,坂村健的嵌入式 TRON 及普适 ID 计划,坂村健正在从事（1984年开始）的两项研发计划，即 TRON House 试验和普适 ID 推广计划。前者致力于将各种各样的微芯片嵌入到人类生活的各个角落，尽可能地在人们不参与甚至无意识的情况下对生活环境实现最随意的控制。后者则希望用最新的 RFID 无线标签技术和统一的规则，为全世界的每件商品都赋以一个永久的身份识别号（ID），本着对商品的便利、准确跟踪，为商品整个生命周期中牵涉到的各个环节（从生产商、零售商到消费者）提供各种信息服务。,2009 年8月28日,No.17/50,描绘普适计算的新蓝图,2009 年8月28日,No.18/50
13、,坂村健的梦想之一,将微芯片嵌入生活的各个角落,半导体工艺和微处理器技术的发展，已使芯片尺寸越来越小、处理性能越来越强大，而Wi-Fi、蓝牙、UWB、GPRS 和3G等各种无线通信技术及互联网的兴起，使得大量微芯片相互关联起来发挥效用成为可能。,例：智能家居实验环境。一个占地333m2的住宅，里面共嵌入了1000 多个CPU、传感器和致动器，并且全部通过网络连接起来。室外的传感器可以测量室外的温度、风速和风向；窗户上的致动器能够开关窗户；室内的天花板和地面上的传感器，可以测量室内温度并判断是否有人居住等。,2009 年8月28日,No.19/50,坂村健的梦想之二,为地球上的每件商品统一编号,
14、贴在商品上的 RFID 无线标签自从商人的物流链到了消费者的手中以后，不该就此“作废”，而应该继续进行充分的利用，“在强化了安全性以后，催生出其他更加丰富的应用”。据此，坂村健等的设想，就是以其制定的统一规则，利用 RFID 无线标签对地球上的每件商品赋以惟一的永久识别号，以对所有的商品进行最大程度上的监控和管理。,在普适计算环境下，RFID 仅仅是一种信息存储和无线读取技术，但由于被贴在每件商品上，其分布的广泛性和相对于传统条形码技术的读取便利性，使 RFID 成为普适计算应用环境的重要部分。,2009 年8月28日,No.20/50,普适计算 技术及其应用,普适计算的基本概念,小 结,引
15、言,普适计算的研究内容,普适计算的应用,普适计算的发展现状,2009 年8月28日,No.21/50,普适计算的基本概念,普适计算是一种新型的计算模式，在该模式下，计算以人为中心，人机交互类似于人与人之间的自然交流方式（如语言，姿势，书写等），用于计算的设备无处不在，弥漫在人们生活的环境中，并能够随时随地为人们提供所需要的服务，而使用计算设备的人则感知不到计算机的存在。,2009 年8月28日,No.22/50,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
16、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。”,2009 年8月28日,No.23/50,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（Implicit Interaction）。,2009 年8月28日,No.24/50,实质 无处不在的感知,实例：汽车上的 ABS 防滑刹车系统 在汽车电子控制单元 ECU 中嵌入 ABS 处理器，通过检测（感知）车
17、轮和车身的速度来监控和预计是否会出现车轴死锁的危险，并通过调节刹车的压力来自动地避免出现死锁。在此过程中，用户完全没有觉察，而是由 ABS 处理器自行预计情况和主动提供服务。（其他：随需应变的个人电脑、智能感应台灯、可穿戴计算等）,2009 年8月28日,No.25/50,虚拟网络时代：每个人排队等候同一台计算机的处理,普适计算时代：计算机程序已嵌入各个设备，主动为每个人服务,2009 年8月28日,No.26/50,普适计算：任何时间、任何地点、任何人的连接,在普适计算时代，任何一个在信息高速公路上行进的人都可以通过无线连接装置在计算机（多媒体设备）上定位，让计算机准确给予你帮助信息。同时可
18、让人们在任何时间、任何地点、以任意方式利用身边所有可获取的信息。,2009 年8月28日,No.27/50,普适计算 技术及其应用,普适计算的基本概念,小 结,引 言,普适计算的研究内容,普适计算的应用,普适计算的发展现状,2009 年8月28日,No.28/50,普适计算的研究内容（1）,普适计算包括了用户、终端、终端环境和网络环境等内容的复杂体系结构，涉及到心理学、社会学、计算机、通信等范围广大的研究内容。,目前，有不少公司和研究机构都在直接或间接地对普适计算的相关技术进行研究，力图在即将到来的普适计算中占据一席之地。,2009 年8月28日,No.29/50,普适计算的研究内容（2）,各
19、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,2009 年8月28日,No.30/50,相对自完备的研究领域,智能空间(Smart Space)；可穿戴计算(Wearable Computing)；系统软件(Software Infrastructure)；觉察上下文计算(Context-aware Computing)；游牧计算(Nomadic Computing)。,2009 年8月28日,No.31/50,觉察上下文的计算,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
20、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。,2009 年8月28日,No.32/50,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：,软件支持环境,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。,2009 年8月28日,No.33/50,普适计算 技术及其应用,普适计算的基本概念,小 结,引 言,普适计算的研究内容,普适计算的应用,普适计算的发展现状,2009 年8月28日,No.3
21、4/50,普适计算的发展现状（1）,尽管在九十年代初期就提出了普适计算的概念，但直到现在，普适计算仍处于发展的初期阶段，还有大量的研究工作需要开展，普遍认为研究人员正面临着空前的机遇。,2009 年8月28日,No.35/50,普适计算终端的研究内容（1）,普适计算的终端设备通常具有如下基本特性：形态多样 自然的人机交互方式，计算以人为中心 网络连接特性 无缝移动性 智能特性 资源不断变化的特性 相对的资源有限性 服务的个性化 安全性,2009 年8月28日,No.36/50,普适计算终端的研究内容（2）,普适计算终端的种类繁多，主要功能也不尽相同，外在形式更是千差万别，但大都需要考虑从硬件到
22、软件、心理学等方面的综合内容。普适计算终端需要考虑的主要技术包括：低功耗高集成度芯片设计技术，嵌入式操作系统，网络技术，自适应技术，中间件，实时技术，人机接口，电源管理，移动代理，数据管理，设计方法和安全性等范围广大的研究内容。,2009 年8月28日,No.37/50,自适应性（1）,普适计算终端资源的局限性 普适计算终端的局限性 资源缺乏性。终端硬件的附加设计目标所造成：功耗低，重量轻和尺寸小。低安全性。终端的移动性所带来的直接结果，数据应该保存在拥有丰富资源，并具有高安全性的服务器上。,2009 年8月28日,No.38/50,自适应性（2）,网络环境的局限性 网络的连接特性。无连接，弱
23、连接，强连接。远程资源。终端所能得到的远程资源也是变化的，当工作于学校或办公环境时，所得到的打印服务可能是高分辨率、彩色的，若工作于公共场所，得到的可能是低分辨率的黑白服务。,2009 年8月28日,No.39/50,自适应性（3）,自适应要求 普适计算终端的环境是变化的，可得到的资源也是变化的，并且这种变化是动态的，不可预期的。这就要求终端具有自适应的环境处理能力，能够根据资源的变化做出相应的响应，当资源比较丰富时，为应用提供高质量的服务；当资源缺乏时，则提供降级服务。,2009 年8月28日,No.40/50,移动代理（1）,在普适计算终端上开发能够通过移动平台充分使用网络资源的分布式应用
24、比较困难：,终端可能经常失去网络连接，而不具有固定的网络连接；终端处于连接状态时，网络连接通常具有低带宽和高延迟的特性，容易遭受到突然的故障；由于所处物理位置的关系，终端可能要使用不同的传输通道，导致网络连接的性能处于不断的变化之中；由于传输通道的原因，每次同网络进行连接时，终端都可能被分配到不同的网络地址。,2009 年8月28日,No.41/50,移动代理（2）,移动代理是在异质网络环境下能够自行控制移动的程序，并能够进行相互之间的交互操作。使用移动代理主要有以下好处：,降低网络负载。移动代理能够通过把计算移动到数据存放点，而不是把数据移动到计算所在节点的方式大大降低网络的数据传输量。减少
25、网络延迟的影响。终端通过移动到目标节点的移动代理实现对目标节点的直接控制，使控制过程不受网络延迟的影响。,2009 年8月28日,No.42/50,移动代理（3）,实现协议封装。可通过移动代理在通信双方建立一个隧道，实现不同终端之间的协议封装，满足安全或是效率方面的需求；能够使终端工作于弱连接或是无连接状态。移动代理能够在网络环境中独立运行，不需要终端的干预，终端可在获得网络连接时收集分布出去的代理；移动代理与具体的软件和硬件平台无关，能够工作于异质环境。,2009 年8月28日,No.43/50,软件的设计考虑,通常的软件设计过程中，一般只需要考虑功能的正确性，即软件所产生的逻辑结果是否能够
26、满足需求。对于普适计算终端，在软件设计过程中不但要考虑功能的正确性，还可能需要考虑以下因素：实时性 多保真性 低功耗,2009 年8月28日,No.44/50,普适计算 技术及其应用,普适计算的基本概念,小 结,引 言,普适计算的研究内容,普适计算的应用,普适计算的发展现状,2009 年8月28日,No.45/50,普适计算具体化的模型,Mark Weiser 于 1991 年提出普适计算的想法后，他所在的（施乐复印机公司）帕洛阿尔托研究中心开始进行一系列无线技术研究。最初将普适计算具体化的代表模型是 pads(手输入计算系统）、tabs（掌上计算机）、liveboards（触摸屏）。如今这些
27、模型经过不断改进发展已经成功的实现商品化。,2009 年8月28日,No.46/50,The Pad:手写板原型,最初的手输入计算系统使用Motorola 683xx 系列处理器和4MB内存来运行其独有的操作系统。整个装置由一个插有麦克风的电子笔和水平的显示平面以及串行接口组成。可经红外线或Nearfield Antenna(局域天线)与外部设备无线传导信息。一个完整的笔输入计算系统还要有一个无线收发装置(Basestation)，作为手输入操作系统的缓存站。,2009 年8月28日,No.47/50,The Tab:掌上电脑原型,可移动计算机 无线电收发装置,一个完整的掌上计算系统除可移动计算机主体外，还应该包括一个红外线收发装置（相当于网络集线器HUB的作用）来连接局域网。很多研究人士认为Tabs是三个具体化模型里面最重要的应用成果。,2009 年8月28日,No.48/50,结 束 语,计算机和通信技术的发展使普适计算成为可能。,2G,3G,简单用户接口简单应用WAP（上网协议）,通信,计算,数据为主,话音为主,彩色显示图形用户接口安全应用移动商务电子邮件浏览器JAVA应用,2009 年8月28日,No.49/50,普适计算体系结构,感谢观看,
