Ứng dụng của mạng cảm biến trong lĩnh vực tính toán khắp nơi = b application of sensor network in ubiquitous computing

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắtTHUẬT NGỮ GIẢI NGHĨA GHI CHÚ CPI Computer Physical Interaction hay Physical World Interaction Tương tác máy – thế giới vật lý hay Tương tác với

Mục lục

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 3

Danh mục các bảng 5

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 6

Mở đầu 9

Phương pháp nghiên cứu 10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 11

1.1 Giới thiệu về đề tài 11

1.1.1 Hệ thống Agrasys 11

1.1.2 Hệ thống Mobicon 12

1.1.3 Hệ thống BKCAS 13

1.2 Các tính năng của các hệ thống Agrasys, Mobicon, Bkcas và đóng góp của học viên 15

1.2.1 Giới thiệu các tính năng của hệ thống Agrasys 15

1.2.2 Giới thiệu các tính năng của hệ thống Mobicon 17

1.2.3 Giới thiệu các tính năng của hệ thống BKCAS 18

1.2.4 Đóng góp của tác giả 19

CHƯƠNG 2 Ubiquitous Computing 21

2.1 Giới thiệu về Tính toán khắp nơi (Ubiquitous Computing) 21

2.2 Một số lĩnh vực liên quan 23

2.2.1 Wearable Computing 23

2.2.2 Proactive Computing 24

2.2.3 Autonomic Computing 24

2.2.4 Ambient Intelligent 25

2.2.5 So sánh sự khác nhau giữa các lĩnh vực liên quan với lĩnh vực tính toán khắp nơi 29

2.3 Đặc trưng của UbiComp 30

2.3.1 Tính di động (Mobility) 30

2.3.2 Khả năng kết nối liên mạng (Interconnectivity) 31

2.3.3 Khả năng nhận thức ngữ cảnh (Context-Awareness) 32

2.3.4 Khả năng lưu trữ của hệ thống (Storability) 32

2.3.5 Tính bảo mật cao (High Security) 33

2.4 Mô hình hệ thống tính toán khắp nơi 33

2.5 Vấn đề nhận thức ngữ cảnh (Context-Aware) 37

2.5.1 Khái niệm ngữ cảnh (Context) 37

2.6 Ứng dụng và nghiên cứu lĩnh vực UbiComp 44

2.6.1 Trong nước 44

2.6.2 Ngoài nước 45

2.7 Các công nghệ thành phần 47

2.7.1 Công nghệ định vị vệ tinh GPS (Global Positioning System) 47

2.8 Ứng dụng của mạng cảm biến (Sensor Network) trong lĩnh vực tính toán khắp nơi 53

2.8.1 Sự khác nhau giữa mạng SN trong lĩnh vực tính toán khắp nơi và mạng SN thông thường 53

2.8.2 Khái niệm mạng cảm biến phát hiện ngữ cảnh (Context-AWARE SENSORS) 54

2.8.3 Framework cho Context-Aware Sensors 56

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG SENSOR NETWORK 64 3.1 Đề xuất mô hình kiến trúc Ubiquitous Sensor Network 64

3.2 Thiết kế và thực thi hệ thống Mobicon 69

3.2.1 Khối MOBILE Plug-in M2.1 69

3.2.2 Khối điều khiển trình duyệt M1.1 70

3.2.3 Khối thu dữ liệu GPS M1.2 71

3.2.4 Khối xử lý ngữ cảnh M1.3 71

3.3 Thiết kế và thực thi hệ thống đo đạc, thu thập các tham số môi trường - Agrasys 74

3.3.1 Sơ đồ ghép nối hệ thống 76

3.3.2 Hoạt động của hệ thống 77

3.4 Thiết kế và thực thi hệ thống BKCAS 94

3.4.1 Thiết kế cơ sở dữ liệu 94

3.4.2 Thiết kế giao diện 103

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 104

4.1 Mạng Sensor (Hệ thống Agrasys) 105

4.2 Ứng dụng tính toán khắp nơi (Ứng dụng Mobicon) 109

4.3 Ứng dụng quản lý vào ra, cung cấp thông tin tùy biến ngữ cảnh trong môi trường cơ quan, doanh nghiệp 111

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

THUẬT NGỮ GIẢI NGHĨA GHI CHÚ

CPI Computer Physical Interaction hay

Physical World Interaction

Tương tác máy – thế giới vật

lý hay Tương tác với thế giới vật lý

Hà nội DHT Distributed Hash Table Bảng băm phân tán

Functional

modeling

Mô hình hóa chức năng

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu HCI Human-Computer Interface Giao diện người dùng- máy

tính HTTP Hypertext Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn

bản Human

Environment

Môi trường con người

Phòng nghiên cứu phát triển công nghệ truyền thông đa phương tiện

RFID Radio Frequency Identification Công nghệ định dạng bằng

tần số vô tuyến RFID Radio Frequency Identification Công nghệ nhận dạng bằng

tần số vô tuyến Sequence

Mô hình hóa cấu trúc

Ubicomp Ubiquitous Computing Tính toán khắp nơi

Use-case

diagram

Biểu đồ ca sử dụng

AGRASYS Agriculture Automation System Hệ thống giám sát và điều

khiển tự động trong nông nghiệp

Danh mục các bảng

Bảng 2-1: Tính đặc trưng của thiết bị thông minh, môi trường thông minh, tương tác thông

minh 36

Bảng 2-2: Bốn loại nhận thức ngữ cảnh 41

Bảng 3-1: Bảng dữ liệu chứa thông tin về Room 94

Bảng 3-2: Bảng dữ liệu chứa thông tin về Areas 95

Bảng 3-3: Bảng dữ liệu chứa thông tin về Zones 95

Bảng 3-4: Bảng dữ liệu chứa thông tin về CommonAlerts 96

Bảng 3-5: Bảng dữ liệu chứa thông tin về Resources 97

Bảng 3-6: Bảng dữ liệu chứa thông tin về RoomResources 98

Bảng 3-7: Bảng dữ liệu chứa thông tin về RFIDs 99

Bảng 3-8: Bảng dữ liệu chứa thông tin về RoomEvents 99

Bảng 3-9: Bảng dữ liệu chứa thông tin về UserCommonAlerts 100

Bảng 3-10: Bảng dữ liệu chứa thông tin về UserScheduler 100

Bảng 3-11: Bảng dữ liệu chứa thông tin về ZoneAlerts 102

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1-1: Sơ đồ kiến trúc của hệ thống Agrasys 15

Hình 1-2: Kiên trúc hệ thống Mobicon 17

Hình 1-3: Kiến trúc hệ thống BKCAS 18

Hình 2-1: Ứng dụng tính toán khắp nơi 21

Hình 2-2: Các đối tượng trong môi trường UbiComp 22

Hình 2-3: Hình ảnh máy tính ZYPAD từ hệ thống điều khiển Arcom 24

Hình 2-4: Mối quan hệ giữa Tính toán “tiền hành động” và Tính toán “tự trị” 25

Hình 2-5: Các yêu cầu cho một ứng dụng “Môi trường thông minh” 27

Hình 2-6: Sự khác nhau giữa các lĩnh vực của thế hệ máy tính sau này 30

Hình 2-7: Yếu tố xây dựng hệ thống UbiComp 34

Hình 2-8: Mô hình kiến trúc chung của hệ thống tính toán khắp nơi 35

Hình 2-9: Phân loại nhận thức ngữ cảnh 40

Hình 2-10: Mô hình quá trình nhận thức ngữ cảnh 42

Hình 2-11: So sánh quá trình nhận thức ngữ cảnh của người và máy tính 42

Hình 2-12: Hệ thống toàn cầu GPS 48

Hình 2-13: Các phần trong hệ thống GPS 49

Hình 2-14: Nguyên lý định vị GPS 51

Hình 2-15: Các thế hệ của mạng ngang hàng P2P phân theo mức độ tập trung Error! Bookmark not defined Hình 2-16: Sự khác nhau giữa mạng SN thông thường và mạng SN trong lĩnh vực tính toán khắp nơi 53

Hình 2-17: Sơ đồ trạng thái máy tiết kiệm năng lượng 57

Hình 2-18: Kiến trúc Context-Aware Sensor Network 60

Hình 3-1: Mô hình kiến trúc Ubiquitous Sensor Network 65

Hình 3-2: Kiên trúc hệ thống Mobicon 69

Hình 3-3: Mô hình ứng dụng Xử lý ngữ cảnh (Context Aware) 72

Hình 3-4: Biểu đồ tuần tự hoạt động xứ lý ngữ cảnh 73

Hình 3-5: Sơ đồ kiến trúc của hệ thống Agrasys 74

Hình 3-6 : Sơ đồ ghép nối hệ thống 76

Hình 3-7 : Sơ đồ tương tác giữa các khối trong hệ thống 77

Hình 3-8 : Giản đồ thời gian gửi yêu cầu 79

Hình 3-9 Cấu trúc file xml 80

Hình 3-10: Lưu đồ thuật toán hoạt động của hệ thống 82

Hình 3-11: Vị trí của khối thông kê dữ liệu M03.6 trong hệ thống 84

Hình 3-12: Đồ thị thống kê dữ liệu trong quá khứ 85

Hình 3-13: Thuật toán tạo file XML và cơ sở dữ liệu cho ngày (Hình 1) và tháng (Hình 2) 87

Hình 3-14:Sơ đồ hoạt động trường hợp người sử dụng xem ngày trong quá khứ 89

Hình 3-15: Lược đồ hoạt động trường hợp người sử dụng xem N giờ trước 89

Hình 3-16: Vị trí của khối ứng dụng web,flash M06.2 trong hệ thống 90

Hình 3-17 Chức năng khối ứng dụng web-flash M06.2 91

Hình 3-18 Biểu đồ tuần tự hoạt động Giám sát 92

Hình 3-19 Biểu đồ tuần tự hoạt động Điều khiển 93

Hình 3-20 Biểu đồ tuần tự Hoạt động Cấu hình và quản trị hệ thống 93

Hình 3-21: Kiến trúc hệ thống BKCAS 94

Hình 3-22: Sơ đồ thực thể liên kết cơ sở dữ liệu 103

Hình 3-23: Giao diện BKCAS 104

Hình 4-1: Giao diện chính (Giao diện Desktop PC) 105

Hình 4-2: Xem dữ liệu tại vị trí 1 sensor trong hệ thống 106

Hình 4-3: Theo dõi nhiệt độ thơi gian thực 106

Hình 4-4: Thống kê dữ liệu theo ngày hiện tại 106

Hình 4-5: Thống kê dữ liệu theo ngày 2/3/2010 107

Hình 4-6: Thống kê dữ liệu theo tuần từ ngày 15 đến 21 tháng 1/2010 108

Hình 4-7: Thống kê dữ liệu theo tháng 1/2010 109

Hình 4-8: Ứng dụng chạy trên thiết bị đầu cuối là ĐTDD 110

Hình 4-9: Hệ thống tự hiển thị thông tin theo ngữ cảnh khi người sử dụng di chuyển trong mạng SN 110

Hình 4-12: Hệ thống đang thông báo công việc cần làm của nhân viên 112 Hình 4-13: Roaming thông tin giữa các Domain (VD: các phòng ban, khoa viện) 113

Mở đầu

UbiComp (Ubiquitous Computing: Tính toán khắp nơi) là một khái niệm không còn

xa lạ và được nói đến nhiều trong thời gian gần đây, đặc biệt trong các cuộc hội thảo về IT Nó được xem như thế hệ tiếp theo của máy tính Nếu Mainframe là cuộc cách mạng của một máy và nhiều người dùng, PC là một người một máy thì thời đại của UbiComp một người nhiều máy Xu hướng hiện nay, thiết bị máy móc được liên kết, kết nối chặt chẽ với nhau để phục vụ cho hoạt động sống của nhân tố trung tâm đó là con người Hệ thống máy tính sẽ đóng vai trò tự động nhận biết và trả lời phản hồi, nhận biết sự hiện diện của con người và có những đáp ứng thích hợp.Do

đó, các nhà nghiên cứu đang mong muốn sẽ xây dựng được hệ thống tính toán khắp nơi, có khả năng quản lý, cung cấp thông tin cũng như các dịch vụ được tích hợp chỉ trong một ứng dụng Hệ thống cần có khả năng tùy biến được ngữ cảnh khác nhau của đối tượng

Ngày nay dưới sự phát triển rất mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật nói chung và công nghệ thông tin nói riêng, mạng cảm biến ra đời là một trong những thành tựu cao của công nghệ chế tạo và công nghệ thông tin Sức mạnh của WSN nằm ở chỗ khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết bị nhỏ có khả năng tự thiết lập cấu hình của hệ thống Sử dụng những thiết bị này để theo dõi thời gian thực, cũng có thể để giám sát điều kiện môi trường, theo dõi cấu trúc hoặc tình trạng thiết bị etc

Một trong những xu hướng của thế giới hiện nay là nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến vào lĩnh vực tính toán khắp nơi, nhằm tạo ra nhiều ứng dụng dựa trên sự kết hợp của việc cảm nhận, tính toán và truyền thông vào trong các thiết bị nhỏ gọn, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao cũng như phục vụ ngày một tốt hơn cho lợi ích của con người

Nội dung của luận văn sẽ tập trung vào nghiên cứu nền tảng lý thuyết của lĩnh vực

thời trong luận văn cũng tập trung vào mô tả việc phân tích, thiết kế 3 hệ thống dựa trên kiến trúc đã đề xuất:

1 Hệ thống giám sát, thu thập các thông số môi trường (AGRASYS- Agriculture Automation System)

2 Ứng dụng đầu cuối chạy trên các thiết bị di động, PDA để điều khiển thiết bị gia dụng, công nghiệp , theo dõi môi trường (MOBICON- MOBILE CONTROL APPLICATION)

3 Hệ thống quản lý vào ra và cung cấp thông tin tùy biến ngữ cảnh trong môi trường cơ quan, doanh nghiệp (BKCAS – BACH KHOA CONTEXT – AWARE SYSYEM )

Phương pháp nghiên cứu

Về mặt phát triển phần mềm, tác giả áp dụng quy trình phát triển phần mềm kết hợp

3 phương pháp tiên tiến hiện nay là phát triển xoáy trôn ốc (spiral development), phát triển lặp (iterative development) và phát triển tích luỹ (incremental development) trong đó các bước trong quy trình phân tích thiết kế được lặp lại

nhiều lần và cải tiến không ngừng cho đến khi đạt được các yêu cầu đặt ra Kiểu thiết kế này rất mềm dẻo, cho phép nâng cấp và không ngừng cải tiến hệ thống một cách dễ dàng Về thiết kế hệ thống, nhóm thiết kế theo hướng Top-Down

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về đề tài

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu nền tảng lý thuyết của Sensor Network và Ubiquitous Computing, từ đó đề xuất ra mô hình kiến trúc chung để xây dựng nên các ứng dụng tính toán khắp nơi trên cơ sở Sensor Network, đồng thời nghiên cứu

và phát triển 1 số ứng dụng dựa trên mô hình đã đề xuất

Trong thời gian 2 năm tham gia thực hiện đề tài KC.01.10/06-10: Nghiên cứu và phát triển một số sản phẩm tính toán khắp nơi và di động, phần nghiên cứu

chính được đề cập trong luận văn của tác giả nằm trong 3 hệ thống

Agrasys,Mobicon và Bkcas

1.1.1 Hệ thống Agrasys

Trong môi trường canh tác nhà kính, nhà lưới cần liên tục thep dõi các tham số môi trường (đất canh tác, không khí) như nhiệt độ, độ ẩm vì các tham số này ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sinh trưởng của thực vật Dựa trên các tham số này, người ta

sẽ điều chỉnh quy trình chăm sóc hoặc chủ động điều chỉnh môi trường bằng nhiều biện pháp (ví dụ tưới nước, che nắng, phun sương, quạt gió, etc)

Tùy theo từng loại cây trông khác nhau (ví dụ cây cảnh, hoa, rau, cây ăn quả) cần

có các chế độ tưới tiêu và nhiệt độ phù hợp với quá trình phát triển để cho năng suất cao nhất

Do việc thực hiện các công việc này hoàn toàn bằng nhân công rất kém hiệu quả và không đảm bảo theo dõi 24/24 nên cần có hệ thống tự động giám sát và điều khiển

Hệ thống AGRASYS (Agriculture Automation System) được phát triển bởi phòng thí nghiệm nghiên cứu phát triển công nghệ Multimedia (RDLAB) Khoa Điện tử- Viễn thông, ĐHBK HN, là một hệ thống hỗ trợ nông nghiệp có nhiệm vụ đo lường

thiết bị điện như quạt gió, máy bơm Các thuật toán điều khiển dựa trên các tri thức nông nghiệp của các chuyên gia về từng loại cây trồng Hệ thống chia làm hai phần chính: phần giám sát môi trường và phần điều khiển các thiết bị chấp hành

1.1.2 Hệ thống Mobicon

Vài năm gần đây, thế giới đã chứng kiến sự bùng nổ của công nghệ điện thoại di động Xuất hiện từ năm 1983, bắt đầu từ những chiếc điện thoại với màn hình đen trắng, chức năng đơn giản cho đến hiện nay đã phát triển vô cùng mạnh, sử dụng vi

xử lý tốc độ cao, bộ nhớ trong tăng từ vài lên vài trăm Mb Bộ nhớ ngoài từ không

có tăng lên vài Gb và đa dạng về chủng loại như: SD,MMC, USB Từ lúc đầu chỉ

có một vài hãng sản xuất như Nokia, Siemens, Motorola, đến nay xuất hiện thêm rất nhiều như Sam sung, LG, HTC, Apple, Microsoft, Google, Panasonic, Sony Ecrison.Các thiết bị ngoại vị cũng tăng lên không ngừng: Camera chụp ảnh, quay video, LCD Graphic,GPS, cảm biến gia tốc, etc Cơ sở hạ tầng mạng di động phát triển từ 1G, lên 2G, 2,5G, 3G, CDMA,WiFi (802.11), Wimax(802.16)

Điện thoại di động đã trở thành nhu cầu thiết yếu, không thể tách khỏi cuộc sống của hàng tỉ người trên thế giới Bối cảnh đó đã làm nảy sinh ra nhu cầu dùng điện chính thoại di động để tương tác với các thiết bị gia dụng và công nghiệp

Ví dụ, với 1 điện thoại di động hiện đại với màn hình LCD Graphic độ phân giải cao, khả năng truyền thông mạnh, tài nguyên tính toán lớn, hoàn toàn có khả năng giám sát hoạt động của 1 hệ thống máy móc, hiển thị dữ liệu,ảnh tĩnh và động Thậm chí có thể điều khiển các thiết bị đó từ xa qua mạng di động hoặc mạng Internet

Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu về các thiết bị tính toán di động, nhóm đề tài đã nghiên cứu phát triển sản phẩm MOBICON-(Mobile Control application) để làm đầu cuối điều khiển các hệ thống thiết bị qui mô công nghiệp như AGRASYS, ANIMON và các thiết bị chấp hành công suất lớn khác

Về mặt khoa học & công nghệ, việc thiết kế và phát triển hệ thống này phải vượt qua rất nhiều các thách thức như

1) Các thiết bị đầu cuối di động hết sức đa dạng : Năng lực tính toán, loại vi xử lý, loại thiết bị ngoại vi, ứng dụng (trình duyệt, máy ảo java, khả năng kết nối mạng, kích thước màn hình) 2)Các hãng sản xuất thiết bị di động để đảm bảo được tính kinh tế và định hướng cho các lớp người dùng khác nhau luôn cố tìm cách tối ưu hoá phần mềm và phần cứng dẫn tới sự không tương thích giữa các dòng di động của các hãng khác nhau, thậm chỉ không tương thích giữa các dòng khác nhau của cùng 1 hãng sản xuất 3) Do các thiết bị di động đều chạy bằng pin nên các chương trình phải tối ưu hoá về mặt năng lượng 4) Tối ưu hoá về mặt lưu lượng truyền thông, do giá cước truyền thông của di động cao hơn so với các thiết bị cố định 5) Giao diện người dùng (bàn phím) hạn chế và đa dạng…

Trong quá trình thiết kế phát triển phát triển hệ thống cũng tuân theo một qui trình hiện đại là RIPPLE, trong đó tập trung vào thiết kế chức năng của giao diện người dùng di động dựa trên các yếu tố của ngành lao động học (Ergonomic)

Sản phẩm MOBICON làm giảm chi phí vận hành, mở rộng phạm vi vận hành của người sử dụng (kể cả tại vùng sâu vùng xa hoặc ngoài phạm vi địa lý của 1 quốc gia), tiết kiệm năng lượng, loại bỏ thời gian chờ khởi động (do điện thoại di động luôn trong trạng thái sẵn sàng hoạt động, khác với máy tính để bàn hay laptop)

1.1.3 Hệ thống BKCAS

Trong điều kiện phát triển mạnh mẽ và ngày càng ứng dụng hiệu quả của công nghệ thông tin và truyền thông vào cuộc sống, đồng thời nhu cầu xã hội đòi hỏi đối với các ứng dụng này cũng ngày càng thông minh, đa dạng, phong phú, hấp dẫn và bảo mật hơn Thực tế cho thấy, đa số các cơ quan, doanh nghiệp giám sát cán bộ, nhân viên ra vào cơ quan thông qua các cán bộ làm công tác bảo vệ và tấm thẻ đeo trên người mỗi cán bộ, nhân viên đó Các nhà quản lý giám sát tiến độ của công việc của nhân viên thông qua giấy tờ, các bản báo cáo trên giấy hoặc thông qua mail Khi người quản lý muốn nhắc nhở hay thông báo cho các thành viên trong đơn vị

Internet và mạng viễn thông Người quản lý có thể truy nhập vào mạng và gửi tin thông tin về công việc, thông tin khẩn cấp đến các thành viên tùy theo ngữ cảnh cụ thể và khả năng có thể nhận thông tin của các thành viên Điểm độc đáo của 1 hệ thống tính toán khắp nơi là khả năng tự động nhận dạng ngữ cảnh và định tuyến thông tin đó đến người dùng một cách tối ưu nhất, phù hợp với nhu cầu thông tin của người đó vào đúng thời điểm Thông tin gửi đến người dùng không chỉ là văn bản hay tiếng nói mà có thể dưới nhiều dạng khác như Video

Các thông tin gửi đến các thành viên hoàn toàn được bảo mật, thông tin đó thuộc về những thành viên nào thì chỉ có thành viên đó nhận được thông qua mã cá nhân của người đó thể hiện qua thẻ nhận diện cá nhân (ví dụ thẻ RFID)

Hệ thống quản lý vào ra cung cấp thông tin tùy biến ngữ cảnh (context-aware)

trong môi trường cơ quan, doanh nghiệp, gọi tắt là BKCAS – Bach Khoa

Context-Aware System là một hệ thống tính toán khắp nơi (Ubiquitous Computing) như

vậy

Trong hệ thống BKCAS, sự kiện quẹt thẻ RFID của nhân viên kết hợp với yếu tố thời gian được sử dụng để xác định ngữ cảnh, từ đó kích hoạt các hoạt động định tuyến thông tin đến người dùng theo các kịch bản (Script) do các quản trị viên đã chuẩn bị và lưu trữ sẵn trên hệ thống

1.2 Các tính năng của các hệ thống Agrasys, Mobicon, Bkcas và đóng góp của học viên

1.2.1 Giới thiệu các tính năng của hệ thống Agrasys

Hình 1-1: Sơ đồ kiến trúc của hệ thống Agrasys

Truy nhập qua mạng

Hệ thống cho phép truy nhập từ xa qua mạng INTERNET,GPRS,3G hoặc truy nhập trong nội bộ qua mạng LAN,WIFI Sử dụng các đầu cuối như: Laptop, PC hoặc điện thoại di động

Giám sát qua giao diện web

Người sử dụng sẽ giám sát các tham số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm) qua giao diện Web Giá trị đo đạc được từ các sensor lắp đặt tại hiện trường sẽ hiển thị chi tiết dưới dạng số nguyên đối với độ ẩm và số thập phân (chỉ có 1 số sau dấu phẩy ) đối

Giá trị tham số môi trường đo đạc được tại hiện trường sẽ được hệ thống lưu vào bộ nhớ

Với bộ nhớ có dung lượng là 4Gb, sẽ lưu được giá trị môi trường thu thập được trong vòng 2 năm

Thống kê và vẽ đồ thị tham số môi trường

Tham số môi trường đo đạc sẽ được thống kê lại và được tính toán,vẽ đồ thị khi có yêu cầu của người sử dụng Sau đây là 5 chế độ :

1 Hiển thị theo thời gian thực

2 Hiển thị theo ngày hôm nay

3 Hiển thị theo ngày bất kì

4 Hiển thị theo tuần

5 Hiển thị theo tháng

Điều khiển tại chỗ

Người sử dụng tương tác với bộ điều khiển của hệ thống (đặt tại tủ tổng) qua giao diện phím bấm và hệ thống đèn LED, còi báo hiệu để điều khiển TBCH

Điều khiển qua web

Hệ thống hỗ trợ chế độ điều khiển bằng giao diện Web Người sử dụng cần có 1 đầu cuối có kết nối mạng (LAN,WLAN,3G,GPRS,INTERNERTA) để truy nhập vào WEBSERVER của hệ thống.Từ đó sử dụng các chế độ điều khiển được hỗ trợ

Khả năng kết nối với TBCH và sensor

Hệ thống có khả năng kết nối với ít nhất là 3 sensor và 3 TBCH

1.2.2 Giới thiệu các tính năng của hệ thống Mobicon

Hình 1-2: Kiên trúc hệ thống Mobicon

Giám sát, thu thập số liệu từ xa qua mạng bằng thiết bị di động cá nhân

Khi đóng vai trò đầu cuối, kết hợp với các hệ thống ANIMON hoặc AGRASYS, cho phép truy nhập từ xa qua mạng LAN,WLAN,INTERNET,GPRS,3G để giám sát, thu thập số liệu môi trường

Điều khiển từ xa qua mạng bằng thiết bị di động cá nhân

Điều khiển tất cả các TBCH trong các hệ thống ANIMON và AGRASYS như giàn tưới phun sương, quạt gió, hệ thống tưới tiêu, đèn cực tím, đèn hồng ngoại sưởi ấm…

Có khả năng xử lý ngữ cảnh (Context Aware)

Hệ thống tự động cập nhật thông tin và thuộc tính của các thực thể (VD : Tham số môi trường đo đạc, loại sensor, tọa độ) khi người sử dụng di chuyển qua các tọa độ tương ứng với các thực thể này

1.2.3 Giới thiệu các tính năng của hệ thống BKCAS

Sử dụng các thiết bị đầu cuối như màn hình, loa, điện thoại wifi… để diễn giải các thông tin đa phương tiện như âm thanh, hình ảnh cho đối tượng cần truyền đạt Tuỳ theo ngữ cảnh hiện tại, gồm có vị trí, tính chất công việc, và tuỳ từng người, từng thời điểm cụ thể, hệ thống sẽ quyết định truyền đạt các thông tin thích hợp Ví dụ: Trong khoảng thời gian buổi sáng từ 9h đến 9h 15, khi người nhân viên bước vào phòng làm việc, hệ thống sẽ tự động gửi lời chào, chơi 1 bản nhạc để khuyến khích người có mặt tại công ty sớm nhất Buổi chiều từ 4h đến 4h 30 sẽ tự động nhắc nhở nhân viên nghỉ giải lao, tham gia góc cafe Cuối buổi từ 6h đến 6h 30, sẽ thực hiện lời chào tạm biệt, hẹn gặp lại nhân viên vào sáng hôm sau…

Kết hợp sử dụng Camera quản lý vào ra

Cho phép theo dõi trực tiếp hoạt động vào/ra của nhân viên hoặc gián tiếp qua các đoạn video được hệ thống ghi lại ngay tại thời điểm vào ra Người quản trị sẽ biết chính xác trong 1 ngày nhân viên của mình vào/ra bao nhiêu lần, nhân viên đi làm sớm hay muộn, có sử dụng đúng thẻ RFID của chính mình hay không? …

Thiết lập kết nối một cách thông minh đến các đầu cuối phù hợp theo ngữ cảnh

Hệ thống cho phép mở rộng phạm vi hoạt động bằng cơ chế roaming qua nhiều vị trí, địa điểm Với cơ chế định tuyến “thông minh” này, thông tin ngữ cảnh đa phương tiện sẽ luôn “đuổi theo” đối tượng sử dụng (ví dụ là nhân viên) Nhờ đó, khi đối tượng di chuyển đến nhiều vị trí như các phòng ban, hoặc khoa viện… khác nhau cũng sẽ nhận được các thông tin ngữ cảnh cần thiết

1.2.4 Đóng góp của tác giả

Luận văn tập trung trình bày các kết quả trong quá trình nghiên cứu mà tác giả đã tham gia như:

• Hệ thống Agrasys

2 Thiết kế và thực thi phần mềm chạy trên Node trung tâm (Base Station) thực hiện các tính năng:

1 Tổng hợp dữ liệu thu thập từ các sensor node

2 Cung cấp giao diện Web để người dùng truy nhập qua mạng

3 Cung cấp khả năng xử lý thông tin ngữ cảnh, tracking

sự di chuyển của người dùng để cung cấp thông tin phù hợp

• Hệ thống Mobicon

1 Thiết kế và thực thi giao diện người dùng

2 Thiết kế và thực thi modun giao tiếp ngữ cảnh với hệ thống Agrasys

• Hệ thống BKCAS

ƒ Thiết kế và thực thi giao diện tương tác người dùng để nhập dữ liệu vào kho ngữ cảnh của hệ thống

ƒ Thiết kế khối thực thi ngữ cảnh, bao gồm:

• Phát hiện ra sự kiện quẹt thẻ RFID

• Stream Video lên Terminal (Màn hình LCD, Loa) để cung cấp thông tin người dùng

CHƯƠNG 2 Ubiquitous Computing

2.1 Giới thiệu về Tính toán khắp nơi (Ubiquitous Computing)

Hệ thống tính toán khắp nơi hay Ubiquitous Computing System là một lĩnh vực xuất hiện chưa lâu, do Mark Weiser và các đồng sự đề xuất, ông bắt đầu nghiên cứu lĩnh vực này từ cuối những năm 1980 ở Xerox PARC Họ đưa ra cách suy nghĩ mới

về máy tính, đặt máy tính vào trong môi trường vật lý của con người và biến nó trở nên “vô hình” Khi đó, người dùng tương tác với các thiết bị thông tin với dung lượng rất nhỏ và nhiệm vụ “tập trung” thay những máy tính cá nhân có mục đích chung phức tạp, cồng kềnh truyền thống Ngày nay, tính toán khắp nơi đã trở thành hiện thực nhờ sự phát triển không ngừng của công nghệ

UbiComp là mô hình tương tác người-máy trong đó thông tin xử lý được tích hợp vào từng đối tượng hay hoạt động của đối tượng đó Khi đó người là chủ thể và có khả năng “thống trị” các vật dụng xung quanh Nói cách khác, ứng dụng UbiComp tạo ra một thế giới ảo mà các nhu cầu, dịch vụ, giao tiếp của con người được đáp ứng mọi lúc mọi nơi mà không cần quan tâm đến việc thực hiện hay điều khiển như thế nào

Các vật dụng tưởng chừng như vô tri, vô giác như quần áo sẽ tự điều chỉnh nhiệt độ

để người sử dụng thích nghi với môi trường xung quanh Điện thoại tự rung hay vô tuyến tự động bật và cung cấp thông tin Cửa tự động đóng mở Camera tự động được kích hoạt khi có những chuyển động bất thường, Con người được kết nối với nhau tự động mà không cần phải để ý tới vị trí, hay phương thức liên lạc… Tất cả những hoạt động đó được giải thích một cách chi tiết hơn bằng thuật ngữ: tùy biến ngữ cảnh người dùng

Trong môi trường “tính toán khắp nơi”, mỗi vật dụng, hay một vật thể sống bất kỳ đều được “quy ước” như một tài nguyên tương đương và giao tiếp với nhau qua môi trường Mạng (Network) Nói cách khác mỗi vật dụng đều có khả năng “cất tiếng nói” của mình để phục vụ vào một mục đích chung là cung cấp thông tin cho người sử dụng

Hình 2-2: Các đối tượng trong môi trường UbiComp

Tuy nhiên, xây dựng hệ thống UbiComp (hay Pervasive Computing) vẫn là một thách thức lớn trong ngành truyền thông cũng như công nghệ thông tin

2.2 Một số lĩnh vực liên quan

2.2.1 Wearable Computing

Tính toán “mang trên người” (Wearable Computing) là một dạng máy tính được gắn trên con người Các ứng dụng trong lĩnh vực này rất hữu ích bởi khả năng hỗ trợ hành động mà người dùng phải thực hiện bằng tay, mắt, tai, …Sự giao tiếp người máy hầu như không ảnh hưởng đến các hoạt động bình thường của con người như đi lại, làm việc bằng tay, nhìn, Do đó, máy tính đeo người được coi như phần mở rộng của cơ thể và trí óc con người Lĩnh vực nghiên cứu này rất rộng và liên quan đến rất nhiều ngành và lĩnh vực liên quan như: thiết kế giao diện người sử dụng, thực tại ảo nâng cao (Augmented Reality), thiết kế phần cứng, toả nhiệt, mạng không dây,

Tính chất đặc trưng của wearable computing là tính nhất quán, tính đa nhiệm, tính

di động, tính liên tiếp (ví dụ: tương tác giữa con người và máy tính là liên tục không có sự tham gia của thiết bị bật tắt) Khi xây dựng ứng dụng Wearable Computing cần nghiên cứu các yếu tố sau: thiết kế giao diện người dùng, công nghệ tương tác thực với môi trường, nhân dạng mẫu, thiết kế hiển thị text điện tử và kiểu cách của ứng dụng

Ứng dụng Wearable Computing phổ biến như: EyeTap (một thiết bị đeo trên mắt, hoạt động như một camera ghi lại hình ảnh người dùng quan sát), Calculator Watch (một dạng đồng hồ tích hợp chức năng tính toán), Zypad (máy tính đeo tay có khả năng kết nối GPS, Wi-Fi, bluetooth, và có thể chạy được một số ứng dụng)…

Hình 2-3: Hình ảnh máy tính ZYPAD từ hệ thống điều khiển Arcom

2.2.2 Proactive Computing

Tennenhouse, 2000, Want et al, 2003 đã đưa ra khái niệm về tính toán “tiền hoạt

động” (Proactive Computing), đó là sự dự đoán trước nhu cầu và nhận dữ liệu từ các hoạt động của người dùng Ý tưởng này là sự kết hợp của các thiết bị máy tính, cảm biến, … tự động cấu hình, theo dõi môi trường và đáp ứng hoặc thích ứng với môi trường Tính toán “tiền hoạt động” đưa ra quyết định sớm hơn tốc độ của người dùng tác động vào hệ thống hay nói cách khác sự giám sát, tác động của con người vào hệ thống là rất nhỏ

2.2.3 Autonomic Computing

Đặc trưng của ứng dụng tính toán “tự trị” (Autonomic Computing) là khả năng “tự trị”, tức là tự kết nối, tự cấu hình, tự tối ưu hóa, tự bảo vệ

• Tự kết nối: là khả năng hệ thống tự động “chuẩn đoán” nghĩa là phát hiện

sai trong quá trình hoạt động, và tự sửa chữa các lỗi cục bộ do phần mềm hay phần cứng gây ra

• Tự cấu hình: là khả năng thiết lập cấu hình tự động Nhờ vào tính chất này

khi có thêm thành phần mới sẽ tự động thiết lập để hệ thống luôn hoạt động một cách thống nhất

• Tự tối ưu hóa: dò tìm liên tục và tự động thay đổi các thông số của nó trong quá trình hoạt động để tăng tốc độ hệ thống

• Tự bảo vệ: là khả năng tự “đề phòng” khi bị những tấn công gây hại đến

hoạt động hay lỗi gây tác động liên tiếp cho hệ thống

Tính toán “tiền hoạt động” và tính toán “tự trị” đôi khi bị “giao thoa” nhau Cả hai lĩnh vực này đều liên quan đến các hệ thống tính toán khắp nơi, và đều sử dụng thông tin ngữ cảnh về môi trường của hệ thống người dùng để đưa ra “quyết định”

và đều có tính dự đoán trước [8] Tuy nhiên, tùy theo từng cách xử lý, đặc trưng của

hệ thống mà phân loại ứng dụng

Hình 2-4: Mối quan hệ giữa Tính toán “tiền hành động” và Tính toán “tự trị”

Các ứng dụng Tính toán “tự trị” thường nhấn mạnh vào tính tương tác, trong khi Tính toán “tiền hoạt động” tập trung vào tính “tiền hoạt động” tức là đưa ra dự đoán

và đáp ứng trước khi có lệnh Có thể nói Tính toán “tiền hoạt động” nhằm xây dựng

hệ thống mà con người giám sát nhiều hơn là hệ thống có sự điều khiển của con người

2.2.4 Ambient Intelligent

Năm 2001, nhóm cố vấn về công nghệ cho Cộng đồng tin học của Châu Âu (The

AmI) nhằm kết hợp các kỹ thuật thành công nhất của Công nghệ thông tin và truyền thông Marzano và Aarts, 2003 đã xây dựng ứng dụng đầu tiên dựa trên sự kết hợp giữa Tính toán khắp nơi và giao diện người dùng thông minh Một ứng dụng thân thiện với người dùng cả về dịch vụ, giao diện, và tốc độ đáp ứng

Khái niệm “Môi trường thông minh” được ISTAG đưa ra dựa trên viễn cảnh: “con người sống một cách dễ dàng trong một môi trường số hóa chứa các thiết bị điện tử nhạy bén với nhu cầu của người dùng, cá nhân hóa theo yêu cầu của họ, dựa đoán trước hành động của họ và phản ứng lại sự hiện diện của họ”[9] Trong báo cáo

“Viễn cảnh cho các ứng dụng môi trường thông minh” năm 2001 [10], ISTAG đưa

ra nhận định rằng trong một “môi trường thông minh”, bao quanh con người là các giao diện thông minh nhúng vào các vật thể hàng ngày

“Môi trường thông minh” - “Ambient Intelligence” có nghĩa là sự thân thiện với người dùng một cách mạnh mẽ, hỗ trợ các tương tác một cách tự nhiên với con người, hỗ trợ các dịch vụ hiệu quả hơn và trao cho người dùng nhiều quyền lực và khả năng hơn Với cái nhìn này, con người sẽ được bao quanh bởi những giao diện thông minh và trực quan, nhúng vào các đối tượng xung quanh chúng ta, một môi trường có thể nhận dạng và phản ứng lại một cách thầm lặng sự hiện diện của mỗi

cá thể

Sự phát triển của các hệ thống “Môi trường thông minh” là một thách thức đa lĩnh vực, đòi hỏi rất nhiều các công nghệ khác nhau, do đó đòi hỏi sự kết hợp các nhà khoa học từ rất nhiều lĩnh vực, như Mạng di động, Tương tác người-máy và Công nghệ phần mềm Trong Hình 1 là các ngành nghiên cứu cần thiết cho “Môi trường thông minh” tương ứng với các yếu tố khác nhau của “Môi trường thông minh”

Môi trường

- Truyền thông mọi nơi

- Tính thích ghi cao

-Tính di động

-Tính hỗn tạp của môi trường

- Kỹ thuật MEMS và kỹ thuật

- Tính toán thông minh

- Tính toán mọi nơi

Hình 2-5: Các yêu cầu cho một ứng dụng “Môi trường thông minh”

“Môi trường thông minh” được đặc trưng bởi ba khía cạnh chính:

• Tính toán mọi nơi (Ubiquitous computing)

• Truyền thông mọi nơi (Ubiquitous communication)

• Các giao diện người dùng thông minh (Intelligent user interfaces)

“Tính toán mọi nơi” là sự tích hợp của các bộ vi xử lý vào các vật thể hàng ngày như điện thoại, tivi “Truyền thông mọi nơi” cho phép các vật thể này giao tiếp với nhau và với người dùng thông mạng không dây và mạng ad-hoc “Các giao diện người dùng thông minh” cho phép người dùng điều khiển và tương tác với môi trường một cách tự nhiên và cá nhân hóa

Để có được các tính năng như vậy, các hệ thống “Môi trường thông minh” phải nhúng, di động và phân tán Chúng phụ thuộc nhiều vào các thông tin về môi trường và phải giao tiếp với con người một cách tự động và tự nhiên Thêm vào đó, những hệ thống này phải có khả năng thích nghi cao về các dịch vụ mà chúng cung cấp, kiến trúc nội tại của chúng và cách thức chúng giao tiếp với môi trường xung quanh và các nút khác Chi tiết hóa hơn, các hệ thống AmI có những tính chất sau:

• Giao diện người-máy tự nhiên

thấy sự hiện diện của máy tính, các giao diện này phải tự nhiên chứ không phải thông qua bàn phím, chuột và màn hình Các loại hình tương tác sẽ là: nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, tổng hợp tiếng nói, hình ảnh và cảm xúc, …

• Tính phân tán

Một nút “Môi trường thông minh” nhận được sự thông minh thông qua tương tác với các nút “Môi trường thông minh” khác trong khu vực lân cận bằng cách trao đổi các thông tin quan trọng và các dịch vụ với các nút khác Chính vì vậy, các nút

“Môi trường thông minh” có khả năng hợp tác để tạo thành một hệ thống phân tán tương tác qua mạng ad-hoc

• Tính nhúng

Điều này có nghĩa là chúng là những phần tích hợp vào những ứng dụng xung quanh mà chúng điều khiển Con người sử dụng các ứng dụng này mà không biết

có sự tồn tại của các hệ thống nhúng, có nghĩa là con người không truy cập vào các

hệ thống AmI bằng cách thông thuờng qua bàn phím, chuột và màn hình

• Giao tiếp một cách tự phát

Các hệ thống “Môi trường thông minh” phải liên tục cập nhật với những thông tin mới nhất để có thể hoàn thành nhiệm vụ Điều này yêu cầu các hệ thống “Môi

trường thông minh” sử dụng mọi cơ hội khi liên hệ được với các nút “Môi trường thông minh” khác để gia nhập vào mạng ad-hoc để trao đổi thông tin

• Trạng thái hỗn tạp cao

Trong một môi trường phân tán, các nút “Môi trường thông minh” có thể giao tiếp với nhau với những tốc độ khác nhau, từ vài bit/giây đến vài Gbit/giây, có thể có những tính toán đơn giản hoặc rất phức tạp, năng lượng có thể cần rất ít hoặc rất nhiều Để đạt được điều này, kiến trúc của “Môi trường thông minh” phải theo các lớp, để có thể phù hợp với nhiều tốc độ truyền thông, tốc độ tính toán và yêu cầu năng lượng khác nhau Thêm vào đó, nhiều loại nút “Môi trường thông minh” từ nhiều nhà sản xuất khác nhau có thể tham gia vào mạng ad-hoc, do đó kiến trúc hệ thống phải rất thích ứng được tình trạng hỗn tạp này

Tuy nhiên, cũng giống như các ứng dụng Tính toán khắp nơi, trọng tâm của lĩnh vực “Môi trường thông minh” là phát triển các hệ thống có khả năng nhận thức ngữ cảnh (Context-Aware)

2.2.5 So sánh sự khác nhau giữa các lĩnh vực liên quan với lĩnh vực tính toán

khắp nơi

Dựa vào 5 yếu tố: tính di động, tính kết nối, tính dự đoán, khả năng nhận thức ngữ cảnh, giao diện người dùng để so sánh các lĩnh vực này với nhau được biểu diễn thông qua biểu đồ dưới đây:

Interconnectivity

Anticipation Context-Aware

Wearable Comp Proactive Comp Autonomic Comp Ambient Comp

Hình 2-6: Sự khác nhau giữa các lĩnh vực của thế hệ máy tính sau này

Có thể nói tính toán khắp nơi UbiComp là nền tảng cho việc nghiên cứu các lĩnh vực khác ra đời

2.3 Đặc trưng của UbiComp

Trong ứng dụng tính toán khắp nơi, người dùng có quyền truy cập đến nhiều thiết

bị, do đó chúng thường truy cập liên tục với các loại dữ liệu và đáp ứng yêu cầu của người dùng khi cần thiết dù ở bất kỳ lúc nào, bất kỳ nơi nào Để đảm bảo được mục tiêu đó, hệ thống tính toán khắp nơi phải đáp ứng được các thuộc tính:

yếu tố dễ di chuyển và dễ tương tác với nhau Giao diện người dùng dựa trên giọng nói, bút hay bàn phím đều là thách thức cho các thiết bị di động Tính gọn nhẹ, tiện ích là tính chất quan trọng khi thiết kế chúng Màn hình của thiết bị di động giới hạn khả năng đồ họa và thường chúng khá nhỏ Tương tự, bộ nhớ cũng được hạn chế, các ổ đĩa có thể không tồn tại, và các phần mềm có sẵn cũng ít hơn

2.3.2 Khả năng kết nối liên mạng (Interconnectivity)

Một yếu tố quan trọng trong việc xây dựng ứng dụng tính toán khắp nơi là khả năng kết nối liên mạng Các host di động như notebook, PDA, hay điện thoại cầm tay hiện nay đều có hỗ trợ khả năng kết nối nhưng lại thiếu khả năng kết nối liên mạng Với các thiết bị này người dùng chỉ có thể kết nối với các hệ thống khác thông qua giao thức điểm nối điểm Mô hình tính toán khắp nơi tạo ra các thiết bị có thể nhận thức các thiết bị khác và “biết” thay đổi thông tin giữa giữa chúng Ngoài ra, chúng còn có thể điều khiển lẫn nhau khi cần thiết

Môi trường mạng rất đa dạng, bao gồm:

• Mạng không dây và di động cho môi trường indoor và outdoor

• Mạng vùng rộng và cục bộ

• Mạng thay đổi theo hiệu suất sử dụng

Thách thức trong việc xây dựng các ứng dụng tính toán khắp nơi là: băng thông, quản lý vị trí, tốc độ di chuyển, bảo mật, độ tin cậy, giao thức, chất lượng dịch vụ,

số người sử dụng, …Nếu nhìn theo khía cạnh kết nối mạng, thách thức là làm thế nào đảm bảo các tài nguyên mạng luôn sẵn sàng đáp ứng ở bất kỳ nơi nào và bất kỳ lúc nào Trước đây, tối ưu hóa việc phân bố nguồn lực là mục tiêu lớn, nhưng trong môi trường tính toán khắp nơi thì việc cung cấp tài nguyên còn đảm bảo cả chất lượng dịch vụ Khi đó, môi trường tính toán khắp nơi cho phép mọi thông tin trao đổi ở bất kỳ thời gian nào và nơi nào nhưng vẫn có sự giới hạn thẩm quyền đối với người dùng để đảm bảo tính bảo mật, cá nhân

2.3.3 Khả năng nhận thức ngữ cảnh (Context-Awareness)

Một tính chất đặc trưng khi nói đến ứng dụng tính toán khắp nơi là khả năng nhận thức ngữ cảnh Phổ biến là khả năng thay đổi hoạt động để thích nghi với môi trường, ví dụ ứng dụng có thể phát hiện ra mạng mới tối ưu hơn hay sử dụng giao thức khác cho phù hợp như chuyển kết nối từ RF có hiệu suất thấp sang giao tiếp với cổng IrDA Ngoài ra, tính nhận thức ngữ cảnh của ứng dụng có thể đơn giản là nhận ra những hạn chế của nguồn, phần mềm, phần cứng mà chúng tương tác Ví

dụ, hệ thống có khả năng nhận ra thiết bị thích hợp để tương tác đồng thời hỗ trợ giao thức phù hợp

Xu hướng hiện nay, các hệ thống hướng tới nhận thức ngữ cảnh ở “mức cao”, tức là môi trường không đơn giản là môi trường mạng hay kết nối thiết bị ngoại vi mà là môi trường vật lý Để phản ánh được môi trường này, hệ thống cần thu thập nhiều thông tin như: nhiệt độ, độ ẩm, thời gian,

Vấn đề nhận thức ngữ cảnh (Context-Aware) và nhận thức vị trí (Location-Aware) đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng các ứng dụng tính toán khắp nơi Tuy nhiên, vấn đề xác định ngữ cảnh rất khó mặc dù nếu chỉ xét trong một môi trường hẹp bởi mỗi người dùng lại hoạt động khác nhau, do đó thông thường hệ thống gồm nhiều sensor thu thập dữ liệu Ngày nay, càng ngày càng xuất hiện nhiều các ứng dụng cá nhân nhận thức ngữ

Mục 2.5 sẽ nói cụ thể hơn về khái niệm và quá trình nhận thức ngữ cảnh của hệ thống tính toán khắp nơi

2.3.4 Khả năng lưu trữ của hệ thống (Storability)

Trong môi trường tính toán khắp nơi, thông tin trao đổi là rất nhiều do đó số lượng

dữ liệu được tạo ra và được lưu trữ là rất lớn Điều này phụ thuộc rất nhiều vào số lượng người dùng, loại thông tin, mức “nhân rộng” thông tin để đáp ứng mục tiêu mọi lúc mọi nơi Do đó, xử lý một lượng lớn dữ liệu và làm thế nào để tìm kiếm có hiệu quả trong môi trường như vậy vừa là đặc trưng và là thách thức lớn đối với hệ thống

Tính chất này của hệ thống đảm bảo việc thông tin được nhân rộng, cập nhật, và đồng bộ hóa

2.3.5 Tính bảo mật cao (High Security)

Tính bảo mật trong ứng dụng tính toán khắp nơi đóng vai trò rất quan trọng đặc biệt trong lĩnh vực quân sự Bảo mật bao gồm những vấn đề sau:

2.4 Mô hình hệ thống tính toán khắp nơi

Từ khi xuất hiện lần đầu tiên đến giờ, hệ thống tính toán khắp nơi đã được rất nhiều các nhà nghiên cứu đề xuất với các mô hình khác nhau như:

• Weiser (1991): Sự phân tán, tương tác ẩn giữa người-máy tính, nhận thức ngữ cảnh vật lý.[12]

• Art và Marzano (2003) định nghĩa ra 5 yếu tố: Tính nhúng, nhận thức ngữ cảnh, tính cá nhân, tính thích nghi, và tính dự đoán trước.[12]

• Buxton (1995): Tính khắp nơi và tính trong suốt của hệ thống.[12]

• Endres et al (2005): Tính phân tán, tính di động, tính thông minh, tăng tính hiện thực

• Millner (2006): Tính tự trị và tương tác ẩn giữa người-máy (implicit

Hình 2-7: Yếu tố xây dựng hệ thống UbiComp

• Các máy tính được kết nối mạng, được phân tán và truy cập trong suốt trong

môi trường mạng “Distributed” Mục đích làm giảm hoạt động phức tạp

trong việc tính toán

• Tương tác máy tính với người dùng ẩn nhiều hơn “implicit HCI” Schmidt (2000) đã định nghĩa: “một hành động không rõ ràng, được thực hiện bởi người sử dụng, nhằm tương tác với máy vi tính thì hệ thống vẫn sẽ hiểu đó

là đầu vào” Tương tác ẩn dựa trên giả định các máy tính có hiểu biết nhất

định về hành vi của người dùng trong tình huống nhất định: nó là một dạng nhận thức người sử dụng User-Aware Biết được hành vi của người dùng trong tình huống cụ thể được coi là yếu tố bổ sung cho máy tính thực hiện một hoạt động nào đó Ví dụ, sử dụng cử chỉ tay, chẳng hạn như vỗ tay một,

để kiểm soát một thiết bị để tắt hay bật ứng dụng, hoặc có thể vỗ tay theo cách khác để diễn tả một cảm xúc Do đó, đôi khi nó bị yếu tố nhận thức ngữ cảnh Context-Aware che khuất

• Máy tính cần nhận biết được ngữ cảnh của môi trường để tối ưu hóa hoạt

động trong cả môi trường vật lý và môi trường con người “Context-Aware”

Ngữ cảnh ở đây là vị trí, thời gian và hoạt động của người dùng

Từ đó, ông đã đưa ra thêm 2 yếu tố:

• Các máy tính hoạt động một cách tự trị, tức là tự quản lý, tự hoạt động mà

không có sự can thiệp của con người “Autonomous” Điều này có nghĩa là hệ

thống có khả năng tự cấu hình, tự kết nối, tự tối ưu hóa, tự hoạt động, tự bảo

vệ hệ thống

• Máy tính điều khiển vô số hành động và tương tác phức tạp, do đó cần đưa

ra các “quyết định” thông minh và tương tác có hệ thống Thuộc tính này thể

hiện sự “thông minh nhân tạo” của nó “Intelligent”

Mô hình kiến trúc chung cua hệ thống tính toán khắp nơi cũng được Stefan Poslab[12] xây dựng như hình vẽ dưới đây:

Human Environment Personal

Social Public

Physical Phenomena Ecological

(Living)

Physical Environments

Autonomous

Implicit HCI

Aware Intelligent

Context-Distributed ICT

CCI

ICT Virtual Environment

UbiComp System

HCI (Complete)

HCI (Cooperate) HCI

CPI (Sense,

Adapt)

CPI (Survive,

Adapt)

Hình 2-8: Mô hình kiến trúc chung của hệ thống tính toán khắp nơi

Môi trường trong tính toán khắp nơi gồm có môi trường vật lý (liên quan đến hệ sinh thái, hiện tượng vật lý như địa lý, thời gian, nhiệt độ, lượng mưa, cường độ ánh sánh, ), môi trường con người (hay môi trường cá nhân là ngữ cảnh tương tác với

(còn được gọi là môi trường ICT: đó là thành phần đặc biệt trong một hệ thống phân tán nhận biết được các dịch vụ)

Tương tác máy tính – máy tính (Computer-Computer Interaction: CCI), tương tác máy tính – môi trường vật lý (Computer-Physical Interaction: CPI), và tương tác người – máy (Human-Computer Interaction: HCI) là giao tiếp tương tác trung gian giữa máy tính – người – môi trường vật lý, để thu thập đầu vào

Từ các yếu tố trên để qui chuẩn thiết bị thông minh (Smart Device), môi trường thông minh (Smart Environment) và tương tác thông minh (Smart Interaction)

Bảng 2-1: Tính đặc trưng của thiết bị thông minh, môi trường thông minh, tương tác thông minh

chức năng hoạt động dựa trên môi trường tính toán ảo

Mỗi thiết bị có một chức năng được nhúng, phân tán trong môi trường vật lý

Từng thành phần đơn lẻ hoạt động, cạnh tranh để thực hiện được nhiệm vụ

Sự tương tác giữa môi

trường và hệ thống

- Tương tác Máy - Môi trường thấp -Tương tác người tới máy tính cao

- Tương tác máy tới người thấp

- Tương tác Máy – Máy cao

- Tương tác máy tới môi trường cao

- Tương tác máy tới người dùng cao

- Tương tác Người - Máy rất cao

- Tương tác Máy - Môi trường rất cao

Tính phân tán của hệ

thống: Tính mở, hoạt

động linh hoạt, Truy

cập di động

- Hoạt động linh hoạt

- Phát hiện tài nguyên cao

- Phát hiện tài nguyên là môi trường vật lý cao

- Cao

- Tương tác Một – Nhiều

- Trung bình

- Tương tác Nhiều - Nhiều

thuộc vào xử lý

Từ thấp đến cao phụ thuộc vào xử lý của hệ thống

Thông tin tập hợp ở mức cao

2.5 Vấn đề nhận thức ngữ cảnh (Context-Aware)

2.5.1 Khái niệm ngữ cảnh (Context)

Có khá nhiều nguồn định nghĩa ngữ cảnh như:

• Từ điển www.thefreedictionary.com về máy tính định nghĩa ngữ cảnh là “tất

cả những gì xung quanh đối tượng nào đó, tồn tại trong môi trường” Đối

tượng là con người, hệ thống máy tính, đồ vật, và “tồn tại” [18]

• Schilit et al (1994) định nghĩa: “Ngữ cảnh trong môi trường của hệ thống tính toán khắp nơi, là nơi con người được coi là đối tượng nhắm đến, và ngữ cảnh là tập hợp tất cả thông tin về môi trường quanh của đối tượng đó như vị trí, đặc điểm.” [5]

• Dey và Abowld (2001) đã khái quát khái niệm này có hệ thống, cụ thế và

phù hợp với tính toán khắp nơi hơn Ông đã định nghĩa như sau: “Bất kỳ thông tin nào có thể mô tả, hay đặc trưng được tình huống của thực thể đều gọi là thông tin ngữ cảnh Thực thể là người, nơi chốn, đối tượng liên quan đến tương tác giữa người dùng và ứng dụng”

Như vậy, một ứng dụng cụ thể có khả năng nhận thức ngữ cảnh sẽ có rất nhiều thử thách đặt ra như: những thông tin nào có thể thu thập, cấu trúc thông tin như thế nào và làm thế nào để phát hiện ngữ cảnh khi môi trường vật lý cũng như môi trường con người là bất định Thông thường ngữ cảnh bao gồm: vị trí (của người,

băng thông, hoạt động, ý định, cảm xúc của người dùng và các điều kiện của môi trường Thông tin đó có được nhờ các cảm biến gắn trong môi trường

2.5.2 Khái niệm về bối cảnh (Situation)

Liên quan chặt chẽ với khái niệm ngữ cảnh là bối cảnh American Heritage

Dictionary đã viết về mối quan hệ giữa bối cảnh và ngữ cảnh như sau: “Sự kết hợp những thông tin ngữ cảnh tại một thời điểm nhất định sẽ thu được trạng thái của ngữ cảnh” Còn Dey (2001) cũng định nghĩa bối cảnh là: “việc mô tả trạng thái của các thực thể liên quan”[5] Do đó, ý tưởng tổng hợp thông tin ngữ cảnh để xác định

được bối cảnh của thực thể là cần thiết Như vậy, nó có mức độ trừu tượng cao hơn

so với ngữ cảnh

Khi hệ thống nhận thức ngữ cảnh của một tập hợp các thực thể xác định và sau đó

dự đoán hay phát hiện ra sự thay đổi bối cảnh Mục đích của việc thu thập ngữ cảnh

• Identity (Định nghĩa): định nghĩa thực thể có liên quan

• Location (Vị trí): Vị trí địa lý của thực thể có liên quan

• Activity: Hoạt động của thực thể

• Time: Khoảng thời gian thực thể thực hiện hành động đó

Ngữ cảnh được xác định khi có sự kết hợp của ít nhất hai trong số bốn yếu tố trên,

ví dụ địa chỉ liên lạc của một đối tượng là xác định khi có thông tin về nơi chốn, tên tuổi, số điện thoại Tùy theo mục đích của từng ứng dụng, số lượng thông tin chính

và thông tin bổ sung nhiều hay ít, ví dụ xét nhiệt động môi trường, thông tin nhiệt

độ (thông tin chính), chỉ hữu ích khi nó kết hợp với khu vực, thời gian, và độ cao (thông tin bổ sung)

9 Theo quan điểm của Cisco [21], việc phân loại xuất phát từ định nghĩa của ứng dụng AAA, đó là:

• Authentication (Xác thực): ví dụ là xác thực trang thái vị trí

• Authorisation (Cấp phép): ví dụ cho phép truy cập dữ liệu vị trí, chức năng

nào đó của ứng dụng

• Accounting (Tính toán): ví dụ mối quan hệ giữa việc đặt ngữ cảnh và tài

khoản của lao động, giấy phép được cấp và hàng hóa được giao

Cả ba điều khoản trên đều có sự tham gia của thông tin về địa điểm và thời gian

9 Pascoe[20] phân tích từ ngữ cảnh của ứng dụng tính toán mang được trên người Wearable Computing chia ra thành bốn loại sau:

• Sensing: Phát hiện trạng thái của môi trường và hiện thị dữ liệu cho

người dùng (Ví dụ: là hiện thị vị trí của đối tượng trên bản đồ)

• Adaption: Cho phép các ứng dụng Wearable Comp thay đổi trạng thái

hoạt động khi hiện thị dữ liệu tùy thuộc môi trường vật lý (Ví dụ: Khi trời tối, màn hình hiển thị dữ liệu sẽ sáng hơn)

• Discovery: Kết hợp giữa ngữ cảnh người sử dụng với thông tin về môi

trường để xác định thiết bị phù hợp để kết nối (Ví dụ: Thực hiện in ở máy in gần nhất hay tìm ra siêu thị mở của gần nhất đối tượng)

• Augmentation: Kết hợp giữa dữ liệu số trong thực tại ảo và hiện thực

9 Schilit et al.[20] định nghĩa loại ứng dụng dựa trên 2 trục vuông góc: một trục là

lấy thông tin “INFORMATION” và thực thi lệnh “COMMAND” và một trục là nhiệm vụ được thực hiện bằng tay “MANUALLY” và tự động

“AUTOMATICALLY”