普适计算及应用

福州大学至诚学院

院选课（论文）

题目：普适计算

姓名：游巧颖

学号： 210893831

系别：环境资源工程系

专业：资源环境与城乡规划管理

年级： 2008级

指导教师：陈羽中

2010年6月 1 日

独创性声明

本毕业设计（论文）是我个人在导师指导下完成的。文中引用他人研究成果的部分已在标注中说明；其他同志对本设计（论文）的启发和贡献均已在谢辞中体现；其它内容及成果为本人独立完成。特此声明。

论文作者签名：游巧颖日期：2010年6月1日

关于论文使用授权的说明

本人完全了解福州大学至诚学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学院有权保留送交论文的印刷本、复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅；学院可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存论文。保密的论文在解密后应遵守此规定。

论文作者签名：指导教师签名：日期：

目录

第1章论文................................................................. I

1.1 研究背景 (1)

1.2 研究意义 (1)

1.3 研究内容 (2)

1.4 论文组织 (3)

1.5 发展趋势 (9)

1.6 国内研究进展 (10)

结论 (11)

参考文献 (12)

谢辞....................................................... 错误！未定义书签。

第1章绪论

1.1 研究背景

随着计算机、网络等技术的蓬勃发

展，信息技术的软件和硬件环境均发生了

巨大的变化，这种变化使得由通信和计算

机构成的信息空间与人们生活和工作的

物理空间逐渐融为一体。在这种背景下，

普适计算应运而生。

普适计算(Pervasive Computing)也

称无处不在计算(Ubiquitous

Computing)，它是在1991年由施乐公司

PALOATO研究中心的首席执行官Mark

Weiser提出的一种新的计算模式，它是指

在日常环境下使人能够使用任意设备、通

过任意网络、在任意时间都可以获得一定

质量的网络服务的技术。它集移动通信技

术、计算技术、小型计算设备制造技术、

小型计算设备上的操作系统及软件技术

等多种关键技术于一体。

1.2研究意义

普适计算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，技术不再局限于桌面，用户可以通过手持设备、可穿戴设备或者其他常规、非常规的技术设备无障碍地享用计算能力和信息资源。它使通信服务以及其它基于信息网络的各种“以人为中心”的计算和信息访问服务在任何时候、任何地点都成为可能，许多计算设备通过全球网络为使用者提供更加人性化的服务。

普适计算技术彻底地改变了“人使用计算机”的传统方式，让人与计算环境更好地融合在一起，在不知不觉中达到“计算机为人服务”的目的。普适计算技术以人的需求

为中心，从根本上改变了人去适应机器计算的被动式服务思想，强调用户能在不被打扰的前提下主动、动态地接受网络服务。它改变了计算只局限于桌面进行的传统，使用户能以各种灵活的方式享受计算能力和系统资源。它将计算嵌入到人们的日常生活中，实现任何地点、任何时候、任何人都能访问任何信息的交互，能在真正意义上实现以人为本的生活方式。

1.3 研究内容

普适计算体系结构主要包括普适计算设备、普适计算网络、普适计算中间件、人机交互和觉察上下文计算四个方面，故而，在我这样的初学者的学习中，我觉得应该以理解和简单应用这四个方面为核心。

1．普适计算设备：一个智能环境可以包含不同类型的设备，如传统的输入输出设备、无线移动设备和智能设备。理想状态下，普适计算应该包括全球范围内嵌入的具有主动或者被动智能型的每一个设备，能够自动搜集、传递信息，并且根据信息采取相应行动。

2．普适计算网络：随着计算机软硬件技术的发展，普适计算设备的数量将成倍增长，这对现有技术提出了更高的要求。除了扩展基本结构以适应需要之外，全球化网络也必须修改现有的应用来完成普适计算设备到现实社会系统的集成。

3．普适计算中间件：除了分布式计算和移动计算，普适计算还需要中间件来完成网络内核与运行在泛化设备上的终端用户应用程序之间的交互。普适计算中间件应从用户的角度出发协调网络内核和用户行为间的交互，并且保持用户在泛化计算空间的自然感。

4．人机交互和觉察上下文计算：普适计算使计算和通信能力无处不在的融合在人们生活和工作的现实环境中，人机交互的不可见性是必需的。因此，普适计算提出了一种新的人机交互方式——蕴涵式人机交互，它需要系统能觉察在当时的情景中与交互任务有关的上下文，并据此做出决策和自动地提供相应的服务。普适计算模式下上下文将随任务而变化，而且由于工作环境是现场，其中的背景情况不但复杂而且是动态变化的，使上下文的动态性问题更加突出。

1.4 论文组织

普适计算最重要的应用方向就是各类信息终端产品。普适计算的应用概念最早被IBM公司提出，其目标就是发展更具实用意义的各类信息终端产品，从而真正实现电子商务向信息终端产品的延伸。随着人们对信息服务的需求越来越多样化，信息终端产品的形式也将多姿多彩，功能越来越完善，并且在一个小设备中往往集成多种功能。

智能空间也是普适计算的重要运用，如智能会议室、作战指挥室、智能教室、能照料老人的智能家居等，它们将极大改变人们未来的生活方式，使人们学习、生活变得更加美好，工作效率更高。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、PC或者家用电器通过有线或者无线的方式连接到网络，从而形成了一个无缝、交互和普适计算的环境。

普适计算的的第三个应用领域是普遍信息访问，就是使用户能够在任何时间和地点，以任何方式访问到他们认为

有用的信息。由于普适计算系统

中的信息设备可随身携带，因此

当这样的设备进入到新环境中

时，它能自动地发现环境中可用

的资源和服务，并与它们进行交

互，从而给用户提供方便的服

务。

普适计算的另一个应用领域是

商业识别用RFID芯片。RFID芯片

可代替现在商品上的条形码，它

不仅能够提供商品的价格、名

称，还能够提供更多有用的信息。例如药瓶上的芯片可以给消费者提供药厂的相关信息、药品的成份、药品的适用症、药品禁忌等，水果蔬菜上的芯片还可以提供农药的喷施情况及残留情况，贴在衣服上的芯片可以提供衣服的材料、产地、规格等等。

在本论中将以智能家居为主要研究对象。

在早期，智能家居主要是指“家庭自动化（Home Automation）”，包括使用各种家庭自动化产品和配件。几年前，美国、欧洲、东南亚等经济比较发达的国家先后提出了“智能住宅”的概念，其目标是：“将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭保安装置通过家庭总线(HBS)连接到家庭智能化系统上，进行集中或异地监控，并通过它们进行家庭事务管理，保持家庭设施与住宅环境的和谐与协调。”这也就是我们现在所说的“智能家居（Smart Home）”。

目前，通常把智能家居定义为利用电脑、网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起。也就是说，智能家居必须满足三个基本条件:首先要在家里建立一个通信网络，为家庭信息提供必要的通路，在家庭网络操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对家庭网络上所有家电和设备的控制与监测;其次，要通过某种媒介平台，建立与外界的通信通道，满足远程控制/监测和交换信息的需求;最后，最终目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和符合环保的家居环境的需求。

而在智能家居的研究中主要的是以下五个课题的研究与解决。

课题一: 设备间通信

设备间能够进行有效的通信意味着一个设备能够在其他设备所需的特定条件发生时指示其完成相应的功能，初始设备可以是房间里的任何设备。

设备间通信的基础是智能家电具有联网能力，这里的“联网能力”并不是指Internet 接入能力，而是指能连接家电设备的任何接口，它保证各设备间能交换数据。家庭网络（Home Network）是信息高速公路进入家庭的产物，家庭信息基础设施（Home Information Infrastructure）的组成部分。

家庭网络可同时支持话音、数据、电视、保安及家电自动化，通过电力线、电话线、电视电缆、光纤、无线电、红外线等多种方式，将家庭中的多台电脑与其外围设备、多种数字设备以及数码家电互联成网络，实现资源共享。一台DVD播放机播出的高质量节目可让多台电视机接收;手持遥控器可开启、关闭和调试室内照明、空调、保安、冷热水系统以及数控洗衣机、微波炉、咖啡壶等所有家电，并通过预设指令，从远方遥控家中的任何电器。

课题二: 设备服务抽象

据统计，约有40％的美国家庭有6个以上遥控器，真让人不胜其烦！应用普遍交互技术，可使对设备的遥控、监测、控制功能大大提高，所有这些都可以用一个智能控制器完成。

由于智能家居必须支持不断变化的智能家电及服务，因而必须解决服务发现问题。首先，系统必须能够发现存在的可用设备和服务，继而确定新发现设备及其服务的能力。为了通过单一控制器控制众多的动态智能家电，就必须使智能家电的硬件设备控制、内部计算逻辑和用户接口相分离，这种分离能够灵活地改变智能家电的交互机制而无须改变底层应用。对智能设备提供的服务进行抽象描述就能实现上述分离，这种抽象服务描述允许每一种服务对外公布其所具有的一组属性，使其他服务能够自动地与其进行交互操作。

课题三: 无所不在的感知

在智能家居环境中，用户不需要走到特定的地方与智能家电进行交互操作，也不需要穿戴特殊的设备或标志让智能家电设备知道他们在哪里。用户可以随时随地地与一系列动态智能家电进行不间断的交互，其中包括许多用户感知不到的设备。为了支持更多形式的智能交互，智能家电必须具备感知外部环境的能力，即“无所不在的感知”，这种感知体现在对环境、用户和设备的感知。

对环境的感知体现在物理应用环境建模以及智能家电对其自身位置的感知上。

对用户的感知是智能家电为用户提供智能交互操作的基础，它包括以下方面：

用户识别通过计算机视觉、指纹等方式对用户个体进行识别，从而根据用户的身份提

供相应权限的服务和功能。

用户方位感知智能家电的许多行为都与位置相关，如自动打开用户附近的灯或将来电转接到离用户最近的电话，通过家庭网络将通过计算机视觉、位置跟踪设备等方法获取的用户方位在智能家电间进行感知。

用户行为感知用户总是在进行某种活动，只有能感知其活动，智能家电才能提供相应的服务。对用户行为的感知分为检测、识别和学习三个层面。

用户表情感知用户的表情是推断其需要的一种途径。例如，如果用户眨眼的时间间隔很长，那么可以推断他比较困倦了，继而可以自动调节灯光、温度等。

对设备的感知使智能家电具有自主性，能够自主地与其他家电设备协同，以完成某项功能。对设备的感知能力包括三方面内容：

感知设备分布对智能家居中其他设备的物理空间位置、网络分布以及相互间的位置关系进行感知与跟踪。

感知设备能力通过家庭网络，智能家电公布自己的服务能力并发现其他设备的服务能力。

感知环境变化例如在环境中增加新设备或减少设备。

课题四: 基于上下文的交互

任何能够用来刻画实体状况的信息称为上下文，这里的实体可以是与用户和应用建立交互相关的用户、地点或物体。上下文在交互中的重要性表现在以下方面：

同样的输入，不同的上下文可能具有不同的语义。

在人与人的交谈中运用蕴含的状态信息，可提高信息的效率。例如，位置就包含重要的上下文信息

在普适计算环境下，物理上的接口不是个人专有的，而是由多人共享。此外，在交互过程中实现接口和服务的个性化也需要上下文信息。

智能家居环境是一个上下文感知的智能环境，其中，智能家电能够为用户提供一致性的基于上下文的交互。如果用户因为移动而改变其状态，那么系统必须知道怎样在新的位置维持一致的用户交互行为或操作。例如，当正在听音乐的用户从一个房间走到另一个房间时，他所听的音乐也同样跟着他在新房间中继续播放。

课题五: 扩展性

作为对“即插即用”概念的扩展，新的智能家电设备应该能够智能、自动地集成到智能家居中，使智能家居能力可随着更多设备的添加而自动增长。

扩展性包括两方面含义：其一，新设备能自动成为系统可随意使用的新资源，例如，厨房中添加了一台CRT显示器，系统就能够自动利用其作为显示厨房空间中信息的新途径;其二，扩展性体现为物理空间的扩展，当添加了一台摄像机时，不仅为系统扩展了一个新的设备资源，也扩展了系统的物理空间范围。

这五个课题的解决可以说在理论上已经实现了智能型家居的应用。

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（United Techno1ogies Building System）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。

到具体的划分时，我们把智能家居的功能划分为如下几类：

家居安全监控：各种报警探测器（火警、油烟、入侵）的讯息报警?

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、门窗等家用电器、设备进行远程控制?

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，协同办公?

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。

而同时，我们要求智能家居有以下四

大特点：

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。

简化操作 ---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，系统

可以每天自动打开窗帘、启动空调等。

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。

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。

在以上所叙述的基础上，让我们简单描述一下未来的智能家居。

我们可以体验一下生活在智能家居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，电动窗帘自动打开。

6点30分，电视自动调整到CCTV1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，大门还没锁好。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，你可以随时登录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，在他输入安全密码进屋的同时，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。

多么惬意而让人向往的生活模式，这仅仅是智能家居带给我们的初步便捷，还有更多、更好、更新的功能期待着未来的开发应用。

1.5 发展趋势

普适计算描述了具有丰富计算资源和通信能力的人和环境之间关系的场景，这个环境与人们逐渐地融合在一起。它把计算机嵌入到各种类型的设备中，建立一个将计算和通信融入人类生活空间的交互环境，从而极大地提高个人的工作及与他人合作的效率，

但这种能嵌入的计算机不再是传统意义上的计算机了。随着微电子工艺的发展，电子设备越来越向微小型化发展，同时它的价格也越来越低。这使得将微小型计算设备嵌入到环境中成为可能。

普适计算所需的软件技术也基本成熟，而在基于自然语言理解的普适计算环境中，人和计算机的交互将更加自然，使得普适计算环境更人性化。人机交互研究也将是普适计算研究的一个重要领域。

普适计算的计算机网络正在形成以互联网为核心，以多种无线网以及移动网为接入的更加广泛的异构集成网络。计算机网络协议功能更强，以满足不同数据通信特点的应用，同时IPv6的应用会大大增加网络地址范围，在可预见的未来为每个设备提供网络地址。

从网络带宽上来看，有线主干网逐渐采用光纤，802.11、蓝牙(Bluetooth)逐渐成为无线局域网的常用标准，移动网正在向3G、4G甚至5G演变。这些情况表明，一种高带宽、覆盖全球的统一网络，即无处不在网络(Ubiquitous Network)正在形成。这种网络可允许任何具有IP地址的设备上网，任何上网设备都可享受网络服务。

为适应普适计算环境下各种设备上网的需求，面向21世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口，嵌入式系统将不再是“信息孤岛”。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通信接口，相应需要TCP/IP协议簇软件支持；由于家用电器相互关联及现场设备的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394、USB、CAN、蓝牙等通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件等。

1.6 国内研究进展

目前国内非常重视普适计算的研究，并将其列入国家自然科学基金委信息科学部2003年资助的18个重点项目之一。国内的研究主要在普适计算环境中间件、普适计算中私有信息保护问题、普适计算环境的协调管理、软件结构、觉察上下文计算、人机界面几方面展开，各主要研究机构都在积极开展有关普适计算的研究。

中国科学院软件研究所正开展“无处不在计算环境下智能人机交互研究”，它从计算智能和分布式认知心理学着手，研究通过计算智能来处理人机交互的上下文信息感知问题，建立无处不在计算环境下人机交互动态行为的描述方式和用户意图获取模型。自动化研究所也有一些相关的研究，如对无处不在计算环境中的身份鉴别与行为理解的研究，对人脸、指纹、虹膜、笔迹、步态等的识别来进行身份鉴别，支持人脸跟踪，研究智能机器人自然语言交流，同时在手写体识别、语音识别方面都有不错的研究成果。计算所在高性能计算和网格技术的研究方面也取得了显著的成果。心理所对注意维度转移进行了一系列的相关研究。

清华大学从人机系统对无处不在计算开展了工作，着重研究人和计算机一起工作的方式和技术，从人机系统的层次研究人机交互。交互与媒体集成研究所对普适计算展开了研究，比较著名的有Smart Class项目。该项目将普适计算和远程教育相结合，建立智能远程教室。在智能教室中，教师的操作包括调用课件、在电子黑板上作注释、与远方的学生交流等。系统能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，并自动记录上课的内容。

北京大学成立了普适计算实验室(Ubiquitous Computing Laboratory)。目前开展的研究侧重在开发和设计通用的信息访问和传送平台，存在论工程(Ontology Engineering)和基于存在论的语义网页(Semantic Web)，自适应代理(Adaptive Agent)系统的结构，应用于科学、工程和国防的基于知识的系统。

结论

普适计算是对计算模式的革新，对它的研究虽然还刚刚开始，但是它已显示了巨大的生命力和深远的影响。普适计算的新思维极大地活跃了学术思想，推动了对新型计算模式的研究。目前已出现了许多诸如平静计算(Calm Computing)、日常计算(Everyday Computing)、主动计算(Proactive Computing)等新的研究方向。这说明普适计算是一个不断发展和充满活力的研究领域。我们需要抓住时机开展普适计算的基础理论和方法的研究，这样才能在战略性领域中作出我们的创造性贡献。从另一方面看，从根本上讲，普适计算机是为了使人们更方便地得到信息访问和计算服务。它使计算的应用又可能扩展到前所未有的宽度和领域。因此，普适计算的研究又必须紧密结合应用，不断地开拓应用领域将使普适计算研究获得强大的托动力。

参考文献

[1] Jan Newmarch著，林琪译《Jini技术开发指南》中国电力出版社

[2] Mark Weiser 《Scientific American》中的“The Computer for the 21st Century”

[3]黄培文《普适计算及应用》西安交通大学出版社

[4] 《2004中国计算机科学技术发展报告》中国计算机学会学术工作委员会主编清华大学出

版社

[5] 卢军郭本仪主编《移动软件开发技术》中国水利水电出版社