第11章 智能空間關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用11.1引言智能空間技術(shù)是一種將計(jì)算設(shè)備嵌入到工作和生活空間、為用戶提供自然的人機(jī)交互接口的普適計(jì)算技術(shù)。它是隨著計(jì)算、通訊和相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，各種形態(tài)的傳感裝置、計(jì)

第11章 智能空間關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

11.1引言

智能空間技術(shù)是一種將計(jì)算設(shè)備嵌入到工作和生活空間、為用戶提供自然的人機(jī)交互接口的普適計(jì)算技術(shù)。它是隨著計(jì)算、通訊和相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，各種形態(tài)的傳感裝置、計(jì)算和通訊設(shè)備迅速出現(xiàn)和應(yīng)用而帶來的一種新模式。在智能空間中，各種可見或不可見的傳感器、執(zhí)行裝置、通訊、計(jì)算和交互設(shè)備將為人們創(chuàng)造一個(gè)更好的生活和工作環(huán)境。 美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)學(xué)會（NIST ）把智能空間定義為：“一個(gè)嵌入了計(jì)算、信息設(shè)備和多模態(tài)的傳感器的工作空間，其目的是使用戶能夠非常方便地訪問信息和獲得計(jì)算機(jī)的服務(wù)，高效地進(jìn)行單獨(dú)工作或與其他人的協(xié)作”。智能空間普遍被認(rèn)為是普適計(jì)算思想最集中和最重要的體現(xiàn)，是研究普適計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)驗(yàn)床。

根據(jù)NIST 的定義，典型智能空間硬件的基本組成包括：RFID （radio frequency identification ）卡及讀取裝置、多種的傳感和執(zhí)行裝置、通訊（有線、無線）設(shè)施和計(jì)算設(shè)備等。其中，

(1) RFID 卡和讀卡裝置用于標(biāo)識和識別智能空間中的物體和用戶的身份，為各個(gè)實(shí)體分配一個(gè)唯一的ID 。智能空間通過RFID 讀取裝置，以非接觸的方式，同時(shí)讀取多個(gè)RFID 卡內(nèi)存儲的ID ，實(shí)現(xiàn)實(shí)體身份的識別。

(2) 傳感裝置用于收集和感知環(huán)境和用戶的多種數(shù)據(jù)和信息，并通過通信系統(tǒng)傳遞給其他對象及用戶。

(3) 執(zhí)行裝置能根據(jù)用戶的需求、系統(tǒng)的狀態(tài)和環(huán)境數(shù)據(jù)，執(zhí)行和完成一系列的動作和行為，改變智能空間中的環(huán)境或物體的狀態(tài)，為用戶提供豐富的交互手段。

(4) 通訊設(shè)施能以異構(gòu)的方式，通過多種通信方法和協(xié)議，實(shí)現(xiàn)智能空間中的數(shù)據(jù)傳遞，在各種環(huán)境實(shí)體和用戶之間傳遞信息。

(5) 計(jì)算設(shè)備則負(fù)責(zé)完成對信息的處理。把各種數(shù)據(jù)和信息根據(jù)用戶和應(yīng)用的需求，進(jìn)行相應(yīng)的處理和存儲，進(jìn)行智能決策，并通過適當(dāng)?shù)臋C(jī)制完成反饋。

11.1.1智能空間的主要特征

智能空間需要物理空間和信息空間的高度融合。在這個(gè)融和的空間中，人們可以根據(jù)自己的需要，隨時(shí)隨地透明地獲得數(shù)字化的服務(wù)。根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)會定義，智能空間應(yīng)具備的功能和為用戶提供的服務(wù)包括如下6個(gè)內(nèi)容：

(1) 能識別和感知用戶及其動作和目的，理解和預(yù)測用戶在完成任務(wù)工程中的需求。

(2) 用戶能方便地與各種信息源進(jìn)行交互。

(3) 用戶攜帶的移動設(shè)備可以無縫地和智能空間中的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行交互。

(4) 能為用戶提供豐富的信息展示。

(5) 提供對發(fā)生在智能空間的事件的記錄，實(shí)現(xiàn)用戶體驗(yàn)的檢索和回放。

(6) 支持空間中多人的協(xié)同工作以及和遠(yuǎn)程用戶的沉浸式協(xié)同工作。

根據(jù)這些要求，智能空間需要實(shí)現(xiàn)信息基礎(chǔ)設(shè)施和周圍環(huán)境的物理集成，設(shè)備之間可自主互操作。所謂物理集成，包含兩個(gè)方面含義。一方面，信息空間的物理設(shè)備應(yīng)該能被集成到代表物理世界的物理環(huán)境和設(shè)備中。通過嵌入計(jì)算、傳感和無線通訊設(shè)備，物理設(shè)備能向環(huán)境中的其它設(shè)備報(bào)告自己的狀態(tài)。另一方面，用戶和信息基礎(chǔ)設(shè)施所發(fā)生的交互，還需要受到所處的物理環(huán)境的限制和制約。

智能空間中的設(shè)備、裝置和模塊自主互操作，可協(xié)同地主動為用戶提供服務(wù)，使得智能空間能實(shí)現(xiàn)立體和連續(xù)的交互通道。不同的智能空間也應(yīng)該能夠自主地進(jìn)行交互，為用戶提供服務(wù)。當(dāng)一個(gè)智能空間的資源無法滿足用戶的請求時(shí)，智能空間可根據(jù)用戶的需求向鄰近的其它智能空間請求幫助，多個(gè)智能空間組成一個(gè)智能社區(qū)，協(xié)同實(shí)現(xiàn)用戶的請求。 11.1.2 智能空間的關(guān)鍵技術(shù)

智能空間具有系統(tǒng)的高度分布性、資源異構(gòu)性、設(shè)備可移動性以及系統(tǒng)的持久性和整合性等特點(diǎn)，而且要支持自主互操作，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的自主發(fā)現(xiàn)和模塊之間的自主協(xié)作。因此，在智能空間的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，要考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和實(shí)體之間的松散耦合等方面。而且由于移動設(shè)備的存在，要支持根據(jù)位置信息的環(huán)境自發(fā)現(xiàn)、支持異構(gòu)的通訊信道和應(yīng)用模塊之間資源分配的協(xié)調(diào)機(jī)制等。

設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)智能空間的關(guān)鍵技術(shù)包括以下5個(gè)方面。

(1) 資源的描述和發(fā)現(xiàn)機(jī)制：為了便利地使用智能空間中的各種軟硬件資源，實(shí)現(xiàn)模塊之間的協(xié)作，需要為智能空間中的各種軟硬件提供一致的描述方式，以描述資源的性質(zhì)和外部接口。當(dāng)系統(tǒng)需要使用某種資源時(shí)，可以根據(jù)需求，查找和發(fā)現(xiàn)滿足需求的資源。

(2) 異構(gòu)通訊方法：智能空間中不但存在計(jì)算設(shè)備的異構(gòu)，而且，由于存在多種移動設(shè)備，需要發(fā)生交互的設(shè)備可能有完全不同的通訊方法。例如，使用無線通訊的無線傳感裝置，通過通信基礎(chǔ)設(shè)施，可以和使用藍(lán)牙通訊的手機(jī)等移動裝置進(jìn)行交互等。

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(3) 信息交互模型：由于智能空間中很多設(shè)備僅具有有限的計(jì)算、存儲和通訊能力，在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)智能空間的信息交互模型時(shí)，必須考慮這些受限設(shè)備能力，避免大量信息在這些設(shè)備之間的傳遞。

(4) 數(shù)據(jù)匯聚方法：由于在智能空間中存在大量不同類型的傳感器設(shè)備和RFID 設(shè)備，感知和獲取的數(shù)據(jù)不但格式差異，而且物理含義也不同。如何有效地匯聚數(shù)據(jù)，滿足不同應(yīng)用的需求，是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)智能空間的關(guān)鍵技術(shù)。

(5) 系統(tǒng)的可重構(gòu)策略：智能空間不但要支持不同的應(yīng)用，而且在生命周期的不同階段，也有不同的應(yīng)用重點(diǎn)。如何根據(jù)應(yīng)用的需求，支持智能空間的重構(gòu)，是需要研究和解決的重要問題和關(guān)鍵技術(shù)。

在后面幾節(jié)中，將分別討論智能空間設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)，并介紹典型的智能空間具體應(yīng)用。

11.2 智能空間中的實(shí)體協(xié)同

在智能空間中，大量不同類型的系統(tǒng)需要分布式地協(xié)同工作，以滿足用戶需求。但由于系統(tǒng)的異構(gòu)性，各種資源具有不同的功能、計(jì)算能力和通訊方式。這給在智能空間中實(shí)現(xiàn)協(xié)同帶來了困難。為了實(shí)現(xiàn)智能空間中的資源協(xié)同，需要實(shí)現(xiàn)一致的資源接口描述和資源發(fā)現(xiàn)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互通訊以及資源的組織管理等。

11.2.1 資源描述和發(fā)現(xiàn)機(jī)制

智能空間中的資源是指參與智能空間計(jì)算環(huán)境的主機(jī)軟硬件環(huán)境、配置（configuration ）及其它各種實(shí)體等。這些軟硬件環(huán)境、配置和實(shí)體能直接或間接、單獨(dú)或協(xié)同地為智能空間中的人機(jī)交互接口（用戶接口）或者軟硬件模塊（系統(tǒng)接口）提供支持或服務(wù)。資源的描述和發(fā)現(xiàn)機(jī)制廣泛用于多種分布式計(jì)算領(lǐng)域，如資源發(fā)現(xiàn)、負(fù)載平衡、基于多播的組通訊、網(wǎng)絡(luò)緩存和普適計(jì)算領(lǐng)域等，資源的描述和發(fā)現(xiàn)也是各種高層網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的基礎(chǔ)。

智能空間中的資源描述和發(fā)現(xiàn)機(jī)制，就是設(shè)計(jì)一種機(jī)制統(tǒng)一描述各種異構(gòu)資源的能力和接口，使用戶或者應(yīng)用系統(tǒng)能夠在智能空間中，根據(jù)自己需要資源的描述，快速、動態(tài)發(fā)現(xiàn)和使用需要的資源。而資源感知的數(shù)據(jù)，也應(yīng)該能夠根據(jù)智能空間中用戶應(yīng)用的需求，主動傳遞給用戶和應(yīng)用系統(tǒng)，進(jìn)行必要的后續(xù)處理。

在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)資源的命名、描述和發(fā)現(xiàn)機(jī)制是整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心。在這個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)有了不少成熟的研究成果。相關(guān)領(lǐng)域的主要研究工作有以下幾種：

(1) 網(wǎng)絡(luò)資源命名系統(tǒng)。如DNS 是互聯(lián)網(wǎng)中最常用的資源命名和發(fā)現(xiàn)機(jī)制，但是其功能也最簡單，只能把固定的域名映射成IP 地址。描述性命名方式可以定義特定的描述語言

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來描述資源。如Jini ，XML 等。尤其是以XML 為基礎(chǔ)的RDF/OWL，更是在“語義Web ”中的資源描述和發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮著非常重要的作用。但是這樣的命名策略，往往對資源的描述存在諸多的限制，而且不適合資源受限設(shè)備的描述。

(2) 通用應(yīng)用層命名服務(wù)。它可以提供不依賴于特定應(yīng)用的應(yīng)用層命名機(jī)制，如應(yīng)用層廣播和主動服務(wù)等。但是目前這些機(jī)制仍然嚴(yán)重依賴于網(wǎng)絡(luò)層，并且和應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)高度相關(guān)。

(3) 分層命名機(jī)制。如資源的分層命名機(jī)制，但其實(shí)現(xiàn)和使用情況尚需要做進(jìn)一步的驗(yàn)證。

在資源的發(fā)現(xiàn)機(jī)制方面，目前常用的有Jini ，SLP （Service Location Protocol ），UPnP 等。這些機(jī)制的功能和局限如表11.1所示：

表11.1 目前常用的網(wǎng)絡(luò)資源發(fā)現(xiàn)機(jī)制

11.2.1.1 智能空間資源描述機(jī)制

為了實(shí)現(xiàn)資源的可描述性以及資源描述的通用性，使用了樹形結(jié)構(gòu)來描述智能空間中的資源，采用（屬性，值）匹配對，從屬性和值兩個(gè)方面來描述資源。其中，屬性指明了資源的分類方法，而值則表明了資源根據(jù)屬性的具體分類。例如，可以使用“位置”屬性來描述一個(gè)傳感設(shè)備，而“入口”則是該傳感設(shè)備的“位置”屬性的值。在這種（屬性，值）匹配對的資源機(jī)制中，沒有預(yù)定義的屬性和值域，應(yīng)用程序和用戶可以根據(jù)自己的需要自由定義屬性集和屬性的值域。使用(屬性，值) 匹配對描述資源的某個(gè)特定屬性取值為指定的值，如某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)具有屬性（位置，倉庫入口）則表明該設(shè)備的位置是倉庫入口處。

由于單個(gè)的（屬性，值）匹配對并不能提供對資源的詳細(xì)描述，可以使用（屬性，值）匹配對列表來進(jìn)一步描述資源。如（方位，右側(cè)）屬性可以進(jìn)一步描述（位置，倉庫入口）這個(gè)屬性。這樣，智能空間中資源的描述可以形成了一個(gè)樹形結(jié)構(gòu)，其樹根的值為空，第一層節(jié)點(diǎn)為高層屬性的名稱，屬性節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)為屬性值，其下層子節(jié)點(diǎn)則為其進(jìn)一步描述的子屬性名，如圖11.1所示。

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圖11.1 資源的樹狀描述

使用這樣的（屬性、值）匹配對列表的描述機(jī)制，應(yīng)用系統(tǒng)和組織可以根據(jù)實(shí)際的需要，自由定義智能空間中資源的屬性，并從不同的角度進(jìn)行描述，實(shí)現(xiàn)資源的充分可描述性。同時(shí)這樣的描述機(jī)制也具有高度的通用性。這種資源描述方法，可以用下面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表示，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含一個(gè)(屬性，值) 匹配對作為根，（屬性，值）匹配對中包含一個(gè)屬性名、屬

性的取值以及后續(xù)子描述的一個(gè)匹配對列表。屬性名和屬性值目前都用字符串標(biāo)識，使用等號（=）連接起來。子描述列表使用括號（“[”和“]”），跟在描述匹配對的后面。

整個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以用如下的BNF 范式進(jìn)行描述：

例如，可以使用如下的方法來描述智能空間中的一個(gè)實(shí)體資源的類型、位置和訪問方法：

資源描述樹中的屬性節(jié)點(diǎn)也可以有多個(gè)子值節(jié)點(diǎn)，用來描述該屬性可能的取值范圍。樹中的節(jié)點(diǎn)按照層次劃分，交替依次為值節(jié)點(diǎn)和屬性節(jié)點(diǎn)。

在資源描述樹中，為了方便實(shí)現(xiàn)資源的查找，值節(jié)點(diǎn)應(yīng)包含如下4個(gè)屬性：

(1) 變量value ，標(biāo)識了該值節(jié)點(diǎn)的值。

(2) 鏈表children ，包含了該值節(jié)點(diǎn)所具有的所有屬性節(jié)點(diǎn)。

(3) 變量parent ，標(biāo)識了該值節(jié)點(diǎn)的父屬性節(jié)點(diǎn)。

(4) 鏈表records ，包含了所有在此節(jié)點(diǎn)中的資源描述。

同樣，屬性節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有如下3個(gè)屬性：

(1) 變量attribute 標(biāo)識了該節(jié)點(diǎn)標(biāo)識的屬性名。

(2) 鏈表children 包含了所有該屬性節(jié)點(diǎn)的下層值節(jié)點(diǎn)，表示該屬性節(jié)點(diǎn)的可能取值。

(3) 變量parent 標(biāo)識了該屬性節(jié)點(diǎn)的父值節(jié)點(diǎn)。

通過資源描述樹機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)高效的智能空間資源描述解析和資源發(fā)現(xiàn)，便于應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。同時(shí)，該機(jī)制也具有高度的可部署性，可以在網(wǎng)絡(luò)中集中部署，或者多處部署同一資源描述樹的多個(gè)備份，實(shí)現(xiàn)快速的資源發(fā)現(xiàn)和訪問。

為了實(shí)現(xiàn)智能空間中的資源發(fā)現(xiàn)，針對這樣的資源描述樹，提供的操作有6種:

(1) LOOKUP-RESOURCE ，可以用來在樹中查找指定的資源。可以使用遞歸的方法，把樹中存儲的屬性節(jié)點(diǎn)及值節(jié)點(diǎn)和用戶指定的描述進(jìn)行匹配，找到需要的資源。

(2) LOOKUP-RESOURCES ，在樹中查找符合指定描述的所有資源。這些資源描述的前綴和指定的描述相匹配。

(3) GET-RESOURCES ，返回樹中存儲的所有資源描述。

(4) ADD-RESOURCE ，在資源描述樹中添加一個(gè)資源描述。

(5) REMOVE-RESOURCE ，在資源描述樹中刪除一個(gè)資源描述。

(6) FORWARD_DATA，應(yīng)用程序可以調(diào)用該操作，把數(shù)據(jù)異步通過資源描述樹發(fā)送給和描述匹配的資源，調(diào)用后立即返回，繼續(xù)執(zhí)行。資源描述樹負(fù)責(zé)找到和描述相匹配的資源，完成數(shù)據(jù)傳遞。

通過這些操作，不但可以維護(hù)資源描述樹，在描述樹中增加和刪除資源描述，而且可以查找指定描述的資源，給出資源的列表，實(shí)現(xiàn)資源的發(fā)現(xiàn)，并能進(jìn)行應(yīng)用和資源之間的異步數(shù)據(jù)傳遞。但是這樣的資源描述樹只適合在一個(gè)智能空間中使用。對于跨越多個(gè)智能空間資源發(fā)現(xiàn)和共享，需要在資源描述中增加用于資源共享的信息，并需要指定共享的限制，如可以指定條件，只能與滿足指定條件的智能空間共享等。下面，討論跨組織的資源發(fā)現(xiàn)機(jī)制。

為了實(shí)現(xiàn)跨智能空間的資源發(fā)現(xiàn)和共享，需要能把多資源描述樹鏈接起來。為了使一個(gè)智能空間的資源描述可以被其他智能空間發(fā)現(xiàn)和使用，設(shè)計(jì)的方法是在描述共享資源時(shí)，增加一個(gè)Partition 屬性和描述，其它組織的用戶可以通過指定資源的Partition 屬性值來發(fā)現(xiàn)和使用資源。沒有Partition 屬性描述的資源，只能在組織內(nèi)部使用。如：

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[Resource=sensor1,[Location = floor 4,[Room= 407]] 和

[Resource=sensor1,[Location = floor 4,[Room= 407]]

[Partition = “Sensor_Robot”]]

前一個(gè)資源只能被資源所屬智能空間內(nèi)的用戶和應(yīng)用發(fā)現(xiàn)和使用，后一個(gè)描述的資源，表示該資源可以被其它智能空間通過在需要的資源描述中指定Partition = Sensor_Robot組織檢索、發(fā)現(xiàn)和共享使用。為了描述資源的共享限制，如資源只能被特定智能空間系統(tǒng)共享，可以在Partition 中添加（屬性、值）匹配序列，對共享做進(jìn)一步的限制，如：

[Resource=sensor1 [Location = floor 4,[Room= 407]]

[Partition = “Sensor_Robot”，[smartpace=”CS ”,]]]

表示該資源可以被智能空間（描述為smartspace=”CS ”）中的應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)和共享使用。

采用這樣的描述機(jī)制后，需要一個(gè)跨智能空間的共享資源描述管理器來管理多個(gè)共享的資源描述，存放各個(gè)智能空間共享的資源和資源的共享限制。該共享資源描述管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以采用智能空間內(nèi)的資源描述管理樹相似的樹結(jié)構(gòu)，但是共享資源描述管理樹的葉節(jié)點(diǎn)是智能空間中的資源描述樹中的資源描述。

應(yīng)用系統(tǒng)或用戶在需要使用其它組織共享的資源時(shí)，首先形成關(guān)于自身的描述、資源所屬Partition 的描述和對資源描述, 然后，在共享資源描述管理樹中根據(jù)對自己和資源所屬組織的描述，查找到各個(gè)組織的資源樹中共享的資源描述，把自己需要的資源和資源描述樹中的資源進(jìn)行匹配。

11.2.1.3 資源的調(diào)用方法

在上述資源描述方式的智能空間中，資源請求策略按照綁定（binding ）方式來分，可以分為前綁定和后綁定兩種。在前綁定方式中，資源請求者自己在智能空間的資源描述中進(jìn)行檢索，根據(jù)自己的需求，匹配智能空間中的資源描述。當(dāng)檢索到自己需求的目標(biāo)資源時(shí)，根據(jù)資源描述的訪問方式，通過智能空間，請求和目標(biāo)資源建立連接，進(jìn)行訪問。

在后綁定方式中，資源請求者根據(jù)自己對目標(biāo)資源的需求，創(chuàng)建需求資源的描述，并向智能空間提交，由智能空間進(jìn)行目標(biāo)資源的檢索。在提交需求后，資源請求者可以根據(jù)自己的處理邏輯，繼續(xù)自己的運(yùn)行或者等待智能空間返回檢索結(jié)果。智能空間在接收到資源需求描述后，在自己的資源描述樹中，按照前面介紹的方法，進(jìn)行資源檢索。如果當(dāng)前智能空間沒有符合用戶需求的資源描述，則在共享的資源描述樹中，檢索其它智能空間的共享資源。當(dāng)檢索到符合需求的目標(biāo)資源后，把目標(biāo)資源的訪問方法法送給資源請求者。資源請求者接受到目標(biāo)資源的訪問方式描述后，可以和目標(biāo)資源建立連接，進(jìn)行資源的訪問。顯然，后綁定方式可以簡化智能空間應(yīng)用的開發(fā)。但是這種方式下，智能空間將承擔(dān)繁重的資源檢索任務(wù)。在需要頻繁進(jìn)行資源檢索時(shí)，可能會影響系統(tǒng)的效率。

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11.2.2基于代理的多網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制

在智能空間中，存在多種通信方式和通信協(xié)議。如計(jì)算設(shè)備可能通過有線網(wǎng)絡(luò)彼此連接，實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)和信息交換；而傳感器節(jié)點(diǎn)則可能通過無線方式，基于數(shù)據(jù)包（packet ），使用多跳（multihop ）方式傳送數(shù)據(jù)；用戶攜帶的手機(jī)和PDA 設(shè)備，則可能使用藍(lán)牙方式和其它智能空間中的實(shí)體相互通信。為了實(shí)現(xiàn)使用不同通信方式和協(xié)議的實(shí)體互聯(lián)互通，可以使用代理（proxy ）實(shí)現(xiàn)多種通信協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換。

除了通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換外，在智能空間中，代理還可以用來作為數(shù)據(jù)緩沖裝置，在智能空間和應(yīng)用系統(tǒng)之間進(jìn)行內(nèi)容適配和內(nèi)容過濾等。通常，考慮代理軟件對計(jì)算能力和內(nèi)存的需求，代理要運(yùn)行在使用連接骨干通訊方式和無線網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)設(shè)備上，在智能空間中，使用代理方式進(jìn)行通訊的優(yōu)點(diǎn)在于如下三個(gè)方面：

(1) 所有通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換都可以通過代理完成，這樣使多種應(yīng)用程序可以在智能空間中使用。

(2) 協(xié)議和內(nèi)容轉(zhuǎn)換需要的處理可以在需要時(shí)分散到其它的實(shí)體處理，降低了對實(shí)體的處理能力的要求。

(3) 可以實(shí)現(xiàn)在不同通訊層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，這樣可以根據(jù)無線連接的具體情況，對代理進(jìn)行定制開發(fā)等。

代理是一種處理動態(tài)內(nèi)容適配的常用方法。現(xiàn)在已經(jīng)有一些通用的代理框架，可以定制或擴(kuò)充，來解決特定的問題。如Internet 工程任務(wù)組提出的OPES ，提供了一個(gè)解決安全、分布和動態(tài)配置的Web 代理參考框架。在此，我們討論智能空間中代理框架的常用機(jī)制。代理框架通常需要實(shí)現(xiàn)的主要功能有：①適配模塊（adapter ）的實(shí)現(xiàn)和組合；②適配模塊使用條件的描述機(jī)制；③監(jiān)視通信的語境，如網(wǎng)絡(luò)帶寬、應(yīng)用的狀態(tài)等；④適配模塊的載入。

1． 適配模塊開發(fā)

代理框架中最重要的部分就是適配模塊。適配模塊實(shí)現(xiàn)不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。一個(gè)代理可以使用多個(gè)適配模塊實(shí)例，以滿足不同應(yīng)用和語境需要的內(nèi)容適配和協(xié)議轉(zhuǎn)換?？紤]應(yīng)用的當(dāng)前語境，代理在運(yùn)行時(shí)決定使用的適配器類型。在某些情況下，可能需要多個(gè)適配模塊組合完成通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換和內(nèi)容的適配。此時(shí)，代理框架需要支持對適配模塊的優(yōu)先級、排序和組合等的定義。代理框架在設(shè)計(jì)時(shí)，通常要考慮可擴(kuò)展性。通常使用基于組件的方法來開發(fā)和實(shí)現(xiàn)適配模塊以及實(shí)現(xiàn)適配模塊的動態(tài)載入機(jī)制。

2． 適配模塊選擇

適配模塊的選擇以及使用時(shí)機(jī)是代理框架的一個(gè)可擴(kuò)展的特征，可以使用可編程接口或基于規(guī)則的配置兩種方法來定義。在第一種方法中，應(yīng)用程序的需求和要用的適配模塊必須使用代理框架提供的應(yīng)用程序接口編程實(shí)現(xiàn)。在基于規(guī)則配置的方法中，開發(fā)者必須定義規(guī)則。規(guī)則中包含使用客戶的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)（語境）描述的觸發(fā)條件；執(zhí)行的適配模塊和規(guī)則的優(yōu)234

先級等。規(guī)則可以使用XML 進(jìn)行描述。代理框架在轉(zhuǎn)發(fā)消息時(shí)，根據(jù)語境和轉(zhuǎn)發(fā)的內(nèi)容，在規(guī)則庫中查找，確定需要使用的適配器?；谝?guī)則的適配模塊選擇方法容易配置，不易出錯(cuò)，不用處理框架內(nèi)部的編程細(xì)節(jié)。同樣重要的是，只有內(nèi)容的提供者可以決定在不同的語境中使用哪個(gè)適配模塊。

3． 語境監(jiān)測

語境信息的收集和監(jiān)測，包括執(zhí)行環(huán)境的客戶概況和條件，如網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)的可用資源、負(fù)載、能量等，是代理框架的一項(xiàng)重要功能。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的探知，如可用帶寬或連接情況等，通常是通過監(jiān)測功能或服務(wù)來完成的。與應(yīng)用相關(guān)的信息可以在應(yīng)用發(fā)出連接請求時(shí)，通過包含概況的定制數(shù)據(jù)庫，或監(jiān)視設(shè)備資源的狀態(tài)得到。在代理框架中，當(dāng)語境發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生和發(fā)出異步事件。代理需要對異步事件進(jìn)行解釋和處理，以執(zhí)行相應(yīng)的行為。

4． 適配模塊載入和執(zhí)行

根據(jù)適配模塊載入和執(zhí)行的方式，代理框架可以分為可配置代理或動態(tài)代理。在可配置代理中，適配模塊在代理部署時(shí)靜態(tài)定義，開發(fā)者可以同時(shí)定義觸發(fā)規(guī)則來改變代理的行為。觸發(fā)規(guī)則定義了適配模塊執(zhí)行的語境和次序。動態(tài)代理支持按照當(dāng)前語境，動態(tài)和按需從適配模塊庫中載入適配模塊。適配模塊的動態(tài)載入給代理框架體提供了更大的柔性，缺點(diǎn)是載入時(shí)間較長?？膳渲么碇С诌m配模塊的組合和配置驗(yàn)證。

11.3 支持智能空間的傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)格服務(wù)系統(tǒng)

11.3.1 概述

由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建智能空間的一個(gè)關(guān)鍵問題是需要一種基礎(chǔ)設(shè)施（infrastructure ），把多個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和需要它們數(shù)據(jù)的多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接起來?，F(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用系統(tǒng)多是和特定的傳感器網(wǎng)絡(luò)直接連接，固定接收和處理傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

這里，引入面向服務(wù)的網(wǎng)格系統(tǒng)來構(gòu)建一個(gè)基于Internet 基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)中多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的命名、發(fā)現(xiàn)、概要管理、數(shù)據(jù)請求、過濾和匯聚等機(jī)制。通過把對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的訪問封裝成為網(wǎng)格服務(wù)，同時(shí)在網(wǎng)格系統(tǒng)中設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一些輔助服務(wù)，然后在網(wǎng)格系統(tǒng)服務(wù)注冊機(jī)構(gòu)中注冊這些網(wǎng)格服務(wù)，應(yīng)用系統(tǒng)可以自動查找、綁定、調(diào)用和組合這些服務(wù)及其操作。這樣，不單可以簡化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程，而且可以方便在已有的應(yīng)用系統(tǒng)中集成和使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一種基于SOA （service oriented architecture ）的軟件結(jié)構(gòu)。

235

11.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格系統(tǒng)

在具有傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能空間網(wǎng)格系統(tǒng)中，可以把每個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)看成是一個(gè)數(shù)據(jù)采集單元。采集單元里面的數(shù)據(jù)采集設(shè)備可能差異巨大，有的可能只有一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，有的則具有成百上千個(gè)能進(jìn)行內(nèi)部復(fù)雜處理的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。這樣的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)該支持從多個(gè)來自于不同管理域、具有不同連接特點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)到各種應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳送。

結(jié)合多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)格系統(tǒng)由多個(gè)數(shù)據(jù)采集單元、多種網(wǎng)格服務(wù)和多種客戶應(yīng)用系統(tǒng)組成。其中對數(shù)據(jù)采集單元的訪問方式被封裝為網(wǎng)格服務(wù)，在網(wǎng)格系統(tǒng)的全局注冊機(jī)構(gòu)中注冊和發(fā)布?？蛻魬?yīng)用系統(tǒng)可以自動查找、綁定和調(diào)用這些服務(wù)，讀取傳感器網(wǎng)絡(luò)感知的數(shù)據(jù)。

同時(shí)在網(wǎng)格系統(tǒng)中提供一些輔助的網(wǎng)格服務(wù)，如數(shù)據(jù)過濾、匯聚、壓縮、存儲等服務(wù)，使得應(yīng)用系統(tǒng)在調(diào)用源于不同數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)時(shí)可以用這些輔助服務(wù)過濾、匯聚、壓縮甚至?xí)簳r(shí)緩沖數(shù)據(jù)。這些輔助服務(wù)的存在可以簡化應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，使用戶構(gòu)建功能更加強(qiáng)大的應(yīng)用系統(tǒng)。

把對傳感器網(wǎng)絡(luò)的訪問封裝成為網(wǎng)格服務(wù)，然后在網(wǎng)格系統(tǒng)中發(fā)布，可以解決傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中存在的如下一些問題。

（1） 資源命名和發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)上，應(yīng)用系統(tǒng)很難感知和訪問在不同管理域、具有不同接口和訪問權(quán)限的傳感器網(wǎng)絡(luò)。引入網(wǎng)格系統(tǒng)后，可以通過網(wǎng)格系統(tǒng)內(nèi)已經(jīng)存在的資源與服務(wù)的注冊與查找機(jī)制，解決傳感器網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)現(xiàn)和使用問題。

（2）資源描述：可以使用11.2.1中提出的網(wǎng)格服務(wù)的語義描述機(jī)制，對傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和意義進(jìn)行描述，便于傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)被應(yīng)用更好地發(fā)現(xiàn)和使用。

（3）服務(wù)組合：應(yīng)用系統(tǒng)可以組合網(wǎng)格系統(tǒng)中的多種網(wǎng)格服務(wù)，滿足應(yīng)用不同的需要。

（4）系統(tǒng)可伸縮性：通過提供這樣的一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施，整個(gè)系統(tǒng)可以很容易加入新的傳感器網(wǎng)絡(luò)、新的應(yīng)用系統(tǒng)和新的服務(wù)。

（5）魯棒性：由于傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流可以在網(wǎng)格系統(tǒng)的服務(wù)中進(jìn)行緩沖，可以為應(yīng)用系統(tǒng)提供很高的魯棒性。

（6）服務(wù)質(zhì)量：可以為傳感器網(wǎng)絡(luò)感知數(shù)據(jù)的發(fā)送提供不同等級的服務(wù)質(zhì)量。如有些數(shù)據(jù)可以快速實(shí)時(shí)傳遞給應(yīng)用系統(tǒng)，而有的數(shù)據(jù)可以承受一定的網(wǎng)絡(luò)延遲丟失。結(jié)合網(wǎng)格服務(wù)技術(shù)，可以達(dá)到應(yīng)用對傳感器網(wǎng)絡(luò)不同的QOS 數(shù)據(jù)傳送要求。

11.3.3 系統(tǒng)框架和體系結(jié)構(gòu)

基于網(wǎng)格服務(wù)封裝傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)描述了使用多種網(wǎng)格服務(wù)封裝無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的方法，這些封裝都是在傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層實(shí)施，在對服務(wù)接口進(jìn)行描述的基236