普适计算简介PPT.ppt

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,A Introduction toPervasive/Ubiquitous Computing,普适计算简介,授课教师：姚琳,这样是移动计算的解决办法吗,?,！,2,90,年代早期移动计算形式,3,移动设备硬件技术的发展,Compaq Luggable,1987,Compaq iPaq,1999,IBM Linux Wristwatch,2000,802.11b PC cards,1999,2003,NCR,WaveLan,915 MHz,ISA,1990,4,低成本智能标签技术发展,RFID,（,Radio Frequency Identification,）的初始目标应用只是物品识别与跟踪。但随着互联网和个域网的发展，呈现了赋予,RFID,更丰富功能的趋势。比如，已经出现通过互联网来远程遥控工业应用和医疗应用电冰箱，通过,RFID,来实现对温度，冰箱内的物品数量以及变更情况等实施精密管理。,通过将病人信息植入,RFID,中，实现低成本的远程医疗也开始出现。,5,现今的移动通讯技术,Wi-Fi(WaveLAN),Radio Hub,Cable,xDSL,V90,10/100-BaseT,Wireless LAN,Bluetooth,Wireless PAN,Multimedia&,Messaging,Server,整合的语音和数据,video postcards,通话时图片,上传,/,下载,codec converter,bandwidth manager,store&forward,playback,Content,GPRS/,EDGE/,TDMA,Base,Station,UMTS/,CDMA2000,Base,Station,IP Network,Wireless Backbone and Gateways,Location,Services,6,一些移动数字设备,Ericsson,R320 WAP Phone,&MC218,Mobile Companion,Docomo,Pocketboard,QUALCOMM,pdQ smartphone,Motorola,StarTAC clipOn,Organizer,NeoPoint,1600 smartphone,Sharp,Zaurus,Bandai WonderSwan,Samsung MP3 Phone,Apple,iPhone,7,提 纲,一、概念提出与定义,二、国内外研究现状,三、普适计算研究体系,四、结论,8,计算模式的发展,9,普适环境概述,1970s,1990s,Late 1990s,Now and Tomorrow?,计算模式的发展：,10,软件工程系,普适计算产生的背景,计算模式的变革,多台计算机共享每一个人,普适计算时代,PVC,过渡阶段,Internet,分布计算,一个人一台计算机,个人计算机时代,PC,多人共享一台计算机,主机时代,MC,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。,12,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。,13,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/Ubiquitous Computing),。,普适计算概念的正式提出是,1991,年,Mark Weiser,在,Scientific American,的,“,The Computer for the 21st Century,”,论文中。,14,新的计算模式,第三代,普适计算（,Pervasive Computing,或,Ubiquitous Computing,）,随着计算机及相关技术的发展，通信能力和计算能力的价格正变得越来越便宜，所占用的体积也越来越小，各种新形态的传感器、计算联网设备蓬勃发展,;,同时由于人类对生产效率、生活质量的不懈追求，人们开始希望能随时、随地、无困难地享用计算能力和信息服务，由此带来了计算模式的新变革，这就是计算模式的第三个时代,普适计算时代。,15,普适计算的前驱,普适计算的思想是由,Mark Weiser,在,1988,年提出的。他根据所从事的研究工作，预测计算模式将来会发展为普适计算模式。在这种模式中，人们能够在,任何时间,（,anytime,）、,任何地点,（,anywhere,）、以,任何方式,（,any way,）访问到所需要的信息。,Mark Weiser (1952 1999),16,Mark Weiser,17,软件工程系,18,软件工程系,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,Pervasive Computing,国际会议、,2002,年,IEEE Pervasive Computing,期刊的创刊。,19,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,。,”,20,信息空间和物理空间的融合,信息空间：,存在于计算机和网络中的,数字化的信息、服务、,计算和通信,物理空间：,真实存在的物理世界,普适计算,融 合,2,、自发的交互,1,、绑定,21,“,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,）。,22,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。,The most profound technologies are those that disappear.They weave themselves into the fabric of everyday life until they are indistinguishable from it.,“,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,”,。,23,普适计算产生的背景,普适计算时代：,大量计算机共享我们每一个人，其中数百台计算机可以在几分钟的因特网浏览中被访问，其他计算机则嵌入在墙壁、椅子、衣服、电灯开关、汽车等一切东西中。基本特征是深度的嵌入计算，即连接现实世界中一切具有计算能力但规模大小不同的东西。,24,软件工程系,25,Can remember pertinent events,They have a memory,Show context-sensitive behavior,They may have sensors,Location/situation/contextawareness,Are responsive/proactive,Communicate with environment,Networked with other smart objects,26,Spontaneous Networking,Objects in an open,distributed,dynamic world find each other and form a transitory community,Devices recognize that they“belong together”,27,软件工程系,Interactive Map,Foldable and rollable,You are here!,28,软件工程系,Smart Clothing,Conductive textiles and inks,print electrically active patterns directly onto fabrics,Sensors based on fabric,e.g.,monitor pulse,blood pressure,body temperature,Invisible collar microphones,Kidswear,game console on the sleeve?,integrated GPS-driven locators?,integrated small cameras(to keep the parents calm)?,29,软件工程系,Smart Glasses,By 2009,computers will disappear.Visual information will be written directly onto ourretinas by devices inour eyeglasses andcontact lenses-Raymond Kurzweil,30,软件工程系,与普适计算相关的概念,游牧计算（,nomadic computing,）,平静计算（,calm computing,）,日常计算（,Everyday computing,）,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,”,31,提 纲,一、概念提出与定义,二、国内外研究现状,三、普适计算研究体系,四、结论,32,1.,国内研究现状,中科院计算所,普适计算研究中心,（,RCPC-Research Center for Pervasive Computing,）,清华大学智能技术与系统国家重点实验室、普适计算教育部重点实验室,浙江大学,CCNT,实验室,普适计算组,国家,863,重点项目“,普适计算基础软硬件关键技术及系统,”,33,2.,国外研究现状,90,年代末以来,国外一些著名大学和工业界相继出现了各种普适计算的研究项目,如,MIT,的,Oxygen,、,CMU,的,Aura,、,Illinois,大学的,Gaia,、美国加州大学,Berkeley,的,Endeavour,、,Washington,大学的,Portalano,、,IBM,的,DreamSpace,、,Microsoft,的,EasyLiving,、欧盟资助的,Disappearing Computer,、韩国科技部的,UT,项目,34,MIT Oxygen,项目,35,提 纲,一、概念提出与定义,二、国内外研究现状,三、普适计算研究体系,四、结论,36,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,37,普适计算的主要研究内容,38,1.,普适设备,普适计算环境由普适计算设备、系统软件及其网络等部分构成。其中普适计算设备根据功能不同可以分为,信息访问终端,、,感知设备,、,智能物体,等。,信息访问终端,：通过有线或无线的方式与网络连接，使用者可以随时随地按需获取各种信息和服务。典型的信息访问终端包括,PDA(,Personal Digital,Assistant,),、,PC,、智能手机（,Smart Phone,）、网络计算机等，其中智能手机被认为是当前普适计算的首选平台；,感知设备,：包括用于标识对象身份的设备（如射频标签,RFID,）和用于感知物理对象和环境状态的设备（如传感器、智能灰尘、照相机、摄像机等）；,智能物体,：通过将计算和通信能力嵌入到日常生活中的常见物体中，如家具、家电、咖啡杯等，将其变为智能物体，从而实现计算机对这类设备的感知和控制，建立物理世界与虚拟世界联系的桥梁。,39,2.,普适网络,普适计算环境是一种普遍互连的环境。除当前常见的计算机之间的互联外，各种物体都通过不同方式与其他物体相连。,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,RFID,网络、无线传感器网络、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,、,自组网,(AD HOC),、无线传感器网络,。,40,3.,系统软件,(,Software Infrastructure,),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,41,两个主要的需求,物理的集成,(Physical Integration),：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,(Spontaneous Interoperation),：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,42,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,（,Jini,是,Sun,公司的研究与开发项目，它能极大扩展,Java,技术的能力），,UpnP(Universal Plug and Play),43,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,44,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。,45,系统软件的关键问题,模块间协调机制,(Intermodule Coordination),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,46,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。,47,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。,48,4.,人机交互,自然人机交互为人与普适计算环境之间提供更和谐、更高效的交互方式，典型的交互方式包括语音输入、手写输入、电子纸、眼镜显示器等。除鼠标键盘输入等由人驱动的显式人机交互外，普适计算的人机交互方式会向隐式和多模式的人机交互方式方向发展。,49,5.,上下文感知计算,(Context-Aware Computing),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。,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身份、操作习惯、个人喜好、情绪状态等用户信息。感知上下文计算涉及上下文信息感知、上下文建模、上下文感知应用等多个方面,50,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,51,软件工程系,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：能够感知在当前的情景中与交互的任务有关的上下文，并据此做出决策和自动地提供相应的服务。,用户的手机能够在进入电影院后自动进入振动模式,热水器能在用户运动回来后自动打开,52,软件工程系,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,低层次,高层次,54,软件工程系,6.,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,”,55,7.,可穿戴计算,可穿戴计算是普适计算设备研究的一个重要方面，通过把计算和交互设备穿戴在身上，方便人们随时随地获得计算和信息服务，典型的可穿戴计算设备如可穿戴式战场电脑、智能衣服、智能手套、智能手表等,56,普适计算研究范围,普适计算所涉及到的学科领域,普适计算,嵌入式系统,信息安全,计算机网络,交互技术,无线通讯,上下文感知,通讯协议,系统软件,传感器,中间件,验证与授权,57,软件工程系,普适计算技术衍生出的产品,目镜显示器,可穿戴计算机,多功能摄像头,58,软件工程系,59,软件工程系,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,普适计算具有：关联性、普遍性、主动性,60,