CN102053864B

CN102053864B - 一种基于抽象格结构的异步普适计算环境感知方法

Info

Publication number: CN102053864B
Application number: CN201110000934.1A
Authority: CN
Inventors: 黄宇; 吕建; 华婷婷
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2011-01-05
Filing date: 2011-01-05
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2031-01-05
Also published as: CN102053864A

Abstract

本发明公开了一种基于抽象格结构的异步普适计算环境感知方法。在异步的普适计算环境中，传感器设备收集环境信息，并发送给信息处理基站，局部区域的信息处理基站将环境信息封装为局部状态，并发送给服务器上的中间件处理进程，该进程将收集到的局部状态组合成全局快照，并用抽象格结构建模整个普适计算环境的变化过程，通过谓词检测来确定普适计算环境是否满足应用程序提出的特性，从而实现对异步普适计算环境的感知。由于普适计算环境的异步性，传感器设备收集到的局部环境信息是异步的，这些局部环境信息可以组成不同的全局快照，全局快照和它们之间的时序关系形成全局快照格，全面描述了异步普适计算环境的变化过程。

Description

一种基于抽象格结构的异步普适计算环境感知方法

技术领域

本发明属于计算机应用领域，针对异步普适计算环境，利用持续感知异步普适计算环境所得到的全局快照格，实现异步普适计算环境感知。

背景技术

普适计算的一个目标就是使计算融入到普适计算环境中去，使人们的生活更轻松。上下文感知计算是为了这个目标而提出来的。上下文就是对环境特性的抽象，上下文感知也就是对环境的感知。上下文感知计算通过对周围环境的感知，当环境发生变化，能够自适应的改变应用的行为，适应新的环境，从而减少人的参与。

异步普适计算环境感知计算的模型分三层结构，底层传感器设备和环境信息处理基站用来采集环境信息；中间是中间件层，对原始的环境信息进行处理，屏蔽底层的异步性，输出处理后的结果供应用程序使用；上层是应用程序，根据用户需求，完成相应的改变。中间件层收到的环境信息来自环境的不同区域，不同设备间的工作频率不一致等使得整个普适计算环境是异步的。在没有全局时钟和共享内存的情况下，中间件处理进程无法准确确定收到的不同区域环境信息实际发生的先后顺序。中间件处理进程无法还原环境信息的真实发生顺序，只能借助逻辑时钟得到环境信息可能的发生顺序。如何全面的刻画异步普适计算环境的所有可能变化的情况，从而准确的感知异步普适计算环境的变化，是普适计算的一个关键问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种基于全局快照格的异步普适计算环境感知方法，该方法利用全局快照格建模异步普适计算环境的变化过程，将具有高度不确定性的异步普适计算环境的变化过程用抽象格结构进行清晰描述，利用抽象格结构具备的一些特性，实现异步普适计算环境的感知。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于抽象格结构的异步普适计算环境感知方法，包括环境感知系统，该系统由用来采集环境信息的传感器和环境信息处理基站组成，该方法包括如下步骤：

1) 在异步普适计算环境中，环境信息处理基站收集传感器采集到的环境信息，封装成局部状态，并发送给中间件处理进程；

2) 中间件处理进程将收集到的局部状态组合成全局状态，又称全局快照，所有这种可能的全局状态构成一个快照集合；

3) 中间件处理进程将持续感知异步普适计算环境所得到的快照集合按照他们之间的时序关系，建模成全局快照格；

4) 中间件处理进程通过遍历全局快照格，检测应用程序提出的谓词是否成立，进而感知异步普适计算环境的变化，并通知应用程序自适应的调整自身的行为。

感知系统整体结构如图1所示。

上述步骤1) 的具体过程为：

11) 大量传感器分布在环境的各个位置采集环境信息。

12) 每个环境信息处理基站管理若干个传感器，收集一个局部小区域内传感器采集到的所有环境信息。

13) 环境信息处理基站之间由无线网络连接，通过相互发送特定类型消息建立时间先后关系，用时钟向量表示。

每个环境信息处理基站维护一个时钟向量：

当环境信息处理基站检测到环境信息满足某特性时，就以时钟向量为消息内容向其它基站发送消息，并将自己的时钟向量值加1；

当环境信息处理基站收到别的基站的消息时，就将自己的时钟向量和收到的始终向量取最大后作为自己的时钟向量值；

当环境信息处理进程检测到环境信息不再满足某特性时，仅将自己的时钟向量加1。

环境信息处理基站间消息发送建立时间先后关系如图2所示。

14) 环境信息处理基站对收集到的环境信息加工，并附上时钟向量，构成局部状态。

15) 环境信息处理基站将局部状态发送给中间件处理进程。

上述步骤2) 的具体过程为：

21) 中间件处理进程为每个环境信息处理基站维护一个队列，每次收到环境信息处理基站发来的局部状态，就存入相应的队列。

22) 中间件处理进程检测每个队列头部的局部状态，比较它们的时钟向量，若他们的时钟向量没有大小关系，那么它们是并发的，则可以组成一个全局状态，又称全局快照。

23) 中间件处理进程按从队列头到队列尾的顺序，从每个队列中各取一个局部状态，组合成其它的全局快照，所有组合得到的全局快照构成一个快照集合。

上述步骤3) 的具体过程为：

31) 中间件处理进程计算全局快照集合中全局快照间的时序关系，这个时序关系实际上是一种偏序关系，偏序关系计算方法如下：

假设有n个信息处理基站，有两个全局快照S₁、S₂，S₁={a₁,a₂,…,a_n}, S₂={b₁,b₂,…,b_n},其中，a_i,b_i是第i个信息处理基站的局部状态。

如果，a_i是b_i的前一个局部状态；则全局快照S₁在S₂之前，记作S₁<S₂。

如果S₁<S₂ ，S₂<S₃ ；则S₁<S₃。

32) 全局快照集合在全局快照间的时序关系下是一种偏序集，该集合具有抽象格结构，称之为全局快照格。

上述步骤4) 的具体过程为：

41) 中间件处理进程从应用程序得到对于异步普适计算环境特性感兴趣的谓词。

42) 中间件处理进程遍历全局快照格中的每一个全局快照，看谓词在全局快照上是否成立，并将检测结果返回给应用进程。

本发明利用全局快照格来建模整个异步普适计算环境的所有可能的状态以及状态转化情况，全局快照格中的每个元素对应于环境的一个全局快照，全局快照间的时间先后关系是全局快照集合上的一种偏序关系。全局快照集合在该偏序关系下具有抽象的格结构。用全局快照格来刻画整个异步普适计算环境的状态及其变化，使得应用可以有效地应对异步普适计算环境中固有的不确定性，进而可以更全面、更准确地感知普适计算环境。

附图说明

图1 异步普适计算环境感知框架图，

图2 环境信息处理基站的消息发送和时钟向量图，

图3 描述异步普适计算环境变化的全局快照格（三维），

图4 描述环境特性的谓词规约描述DTD。

具体实施方式

本发明为实现异步普适计算环境的感知提供了一种基于抽象结构的方法，整个感知系统分三个层次，如图1中所示。整个系统的工作流程如下：

1) 应用程序首先根据应用的需求，提出环境特性谓词，并将谓词传送给中间件处理进程。

2) 中间件处理进程分析谓词的结构，确定所涉及的环境区域，并启动所在区域的环境信息处理进程。

3) 各个环境区域的环境信息处理进程收集区域内的传感器采集到的环境信息，把环境信息封装好后，返回给中间件处理进程。

4) 中间件处理进程利用各个区域的局部状态信息，组合成全局快照，并用全局快照格建模快照和快照间的时序关系。然后通过对全局快照格的遍历，检测谓词是否成立，并将结果返回给应用程序。

5) 应用程序根据中间件处理进程的结果，做出相应的反应。

下面我们以下通过一个具体的实例来对本发明的技术方案进行详细的说明。我们用一个智能办公室的场景，室内的空调可以通过感知室内环境信息自动控制空调的打开和关闭。当人在办公室内且室内温度高于30℃时，打开空调。

1) 硬件环境：

在办公室内安装有温度传感器和RFID读写器，他们分别位于办公室的不同区域，且由于它们的工作频率不一致，因此属于不同的环境信息处理基站。温度传感器定时测量室内的温度。人的身上带有RFID标签，当人在房间的时候，RFID读写器可以读到人的位置信息。由于人的活动相对频繁，而温度的变化较为平稳，故RFID读写器工作的频率比温度传感器的要高。

办公室内有一台服务器，中间件处理进程和应用程序均运行在服务器上。环境信息处理基站和服务器通过无线通信。

2) 系统运行过程：

a) 应用程序首先根据应用场景建立谓词。根据图4给出的规约描述，针对这个场景可以建立如下谓词：(人在办公室内) ∧(室温高于30℃)。

b) 中间件处理进程对谓词进行分析，启动分别管理温度传感器和RFID读写器的环境信息处理基站，定时采集环境信息。可以设定管理温度传感器的基站每10分钟处理一次温度值T，管理RFID读写器的基站每5分钟处理一次人是否在房间的数据R，人在房间里则R值为true，否则为false。

c) 环境信息处理基站通过相互发消息维护一个时钟向量。消息机制如下：当管理温度传感器的基站检测到T>30℃，则向管理RFID读写器的基站以自己的时钟向量为内容的消息，并将自己的时钟向量值加1。当温度传感器的基站检测到T值由大于30℃变成小于30℃，仅将自己的时钟向量值加1。管理RFID读写器的基站发消息机制相同。当基站收到消息时，将自己的时钟向量和收到的时钟向量取最大值作为自己新的时钟向量。环境信息处理基站将收集到的环境信息带有的时钟向量封装成局部状态，发送给中间件处理进程。

d) 中间件处理进程为每个环境信息处理基站维护一个队列，每收到局部状态就存入相应的队列。然后每个队列按从队列头到队列尾的顺序抽出一个局部状态进行组合，如果局部状态的时钟向量两两不存在大小关系，则构成一个全局快照。通过这种方法找到所有的全局快照。中间件处理进程将所有的全局快照按它们间的时序关系组成一个全局快照格。

e) 中间件处理进程遍历格结构，在每个全局快照检测应用程序提出谓词是否成立，当检测到成立的时候，通知应用程序。

f) 应用程序收到中间件处理进程的通知时，执行打开空调的相应操作。

Claims

1.一种基于抽象格结构的异步普适计算环境感知方法，包括环境感知系统，该系统由用来采集环境信息的传感器和环境信息处理基站组成，其特征在于该方法包括如下步骤：

1）在异步普适计算环境中，环境信息处理基站收集传感器采集到的环境信息，封装成局部状态，并发送给中间件处理进程，其具体过程为：

大量传感器分布在环境的各个位置采集环境信息；

每个环境信息处理基站管理若干个传感器，收集一个局部小区域内传感器采集到的所有环境信息；

环境信息处理基站之间由无线网络连接，通过相互发送特定类型消息建立时间先后关系，用时钟向量表示；

环境信息处理基站对收集到的环境信息加工，并附上时钟向量，构成局部状态；

环境信息处理基站将局部状态发送给中间件处理进程；

2）中间件处理进程将收集到的局部状态组合成全局状态，又称全局快照，所有这种可能的全局状态构成一个全局快照集合，其具体过程为：

中间件处理进程为每个环境信息处理基站维护一个队列，每次收到环境信息处理基站发来的局部状态，就存入相应的队列；

中间件处理进程检测每个队列头部的局部状态，比较它们的时钟向量，若他们的时钟向量没有大小关系，那么它们是并发的，则可以组成一个全局状态，又称全局快照；

中间件处理进程按从队列头到队列尾的顺序，从每个队列中各取一个局部状态，组合成其它的全局快照，所有组合得到的全局快照构成一个快照集合；

3）中间件处理进程将持续感知异步普适计算环境所得到的全局快照集合按照它们之间的时序关系，建模成全局快照格，其具体过程为：

中间件处理进程计算全局快照集合中全局快照间的时序关系，这个时序关系实际上是一种偏序关系，偏序关系计算方法如下：

假设有n个信息处理基站，有两个全局快照S₁、S₂，S₁={a₁,a₂,…,a_n}, S₂={b₁,b₂,…,b_n},其中，a_i,b_i是第i个信息处理基站的局部状态；

如果，a_i是b_i的前一个局部状态；则全局快照S₁在S₂之前，记作S₁<S₂；

如果S₁<S₂ ，S₂<S₃ ；则S₁<S₃；

全局快照集合在全局快照间的时序关系下是一种偏序集，该集合具有抽象的格结构，称之为全局快照格；

4）中间件处理进程通过遍历全局快照格，检测应用程序提出的谓词是否成立，进而感知异步普适计算环境的变化，并通知应用程序自适应的调整自身的行为，其具体过程为：

中间件处理进程从应用程序得到对于异步普适计算环境特性感兴趣的谓词；

中间件处理进程遍历全局快照格中的每一个全局快照，看谓词在全局快照上是否成立，并将检测结果返回给应用进程。