Beágyazott és Ambiens Rendszerek

Átírás

1 Mobil Informatika Beágyazott és Ambiens Rendszerek Dr. Kutor László MoI 6/74/1

2 Beágyazott rendszerek meghatározásai Beágyazott rendszereknek nevezzük azokat a processzoralapú eszközöket, ill. az ezekből alkotott rendszereket, amelyek a befogadó fizikai / kémiai / biológiai környezetüket autonóm módon képesek érzékelők segítségével megfigyelni és beavatkozók segítségével befolyásolni. Olyan informatikai alkalmazások ezek, amelyek rendeltetésüknél fogva nagyfokú szolgáltatásbiztonsággal jellemezhetők. Egyéb meghatározások: An embedded system is a special-purpose computer-controlled electromechanical system in which is completely encapsulated by the device it controls. An embedded system has specific requirements and performs predefined tasks, unlike a general-purpose personal computer. Wikipedia Embedded systems are specialised computers used in larger systems or machines to control equipment such as automobiles, home appliances, communication, control and office machines. ARTEMIS Strategic Research Agenda MoI 6/74/2

3 Ambiens rendszerek értelmezése Ambiens rendszereknek nevezzük azokat a beágyazott rendszereket, amelyek az emberi (pl. otthoni vagy munkahelyi) környezet részévé válva elsősorban az életvitel és az életminőség szolgálatában állnak. Ennek megfelelően az ambiens rendszerek legfőbb tulajdonsága az emberközpontúság, mégpedig úgy, hogy a működésük a lehető legkevesebb terhet jelentse azoknak, akiknek az érdekében létrehozták őket. MoI 6/74/3

4 Beágyazott információs rendszerek: (Dr, Péceli Gábor előadása alapján) a befogadó fizikai/kémiai/biológiai környezetükkel intenzív, valós idejű információs kapcsolatban álló, autonóm működésű, szolgáltatásbiztos (dependable), láthatatlan számítógépes rendszerek, melyek lokálisan (általában) korlátozott, globálisan (általában) bőséges erőforrásokkal (idő, adat, tápellátás, memória,...) rendelkeznek. Megoszlás: 10% PC 90% beágyazott rendszer! MoI 6/74/4

5 A beágyazott rendszerek kiemelt feladatai a befogadó környezet identifikációja folyamatos adatgyűjtés, valós idejű modellépítés a befogadó környezet befolyásolása valós idejű kiértékelés, döntés, beavatkozás a beágyazott rendszer identifikációja folyamatos adatgyűjtés az erőforrásokról a beágyazott rendszer befolyásolása az erőforrások valós idejű értékelése, döntés, beavatkozás MoI 6/74/5

6 Beágyazott szoftver 1 : Univerzális rendszerintegrátor: a valós rendszerek alkotóelemei egyre inkább számítástechnikai kölcsönhatások révén működnek együtt. (Audi 8: ~2000 jel, ~60 elektronikus kontroller (ECU))... Software is Hard and Hardware is Soft... Következmények: 1. A szoftver egyre jobban az alkalmazási terület részévé válik. 2. A szoftvereknek a funkcionális követelmények mellett fizikai követelményeknek is eleget kell tenniük. Kérdés: Hogyan kell ilyen rendszereket tervezni? MoI 6/74/6

7 Főbb technológiai területek és kihívások A beágyazott rendszerek architektúrája: megfelelő keret ahhoz, hogy előzetesen igazoltan helyes működésű részegységekből működőképes rendszer jöjjön létre miközben a komponensek belsejét nem ismerjük... Plug-and-play, valós-idejű & szinkronizált működés, tápáram-felvétel minimalizálás Rendszer tervezés: (1) rendszer modellezés, (2) automatikus szintézis, (3) fejlesztő eszközök. 3. A fejlesztési eredmény helyességének igazolása: igazolás és bizonylatolás (validation and certification). 4. Szolgáltatásbiztonság: ~ autonóm működésű alrendszerek dinamikus újrakonfigurálása, biztonság, hibatűrés. MoI 6/74/7

8 Főbb technológiai területek és kihívások II. 5. Mindenütt jelenlevő, vezetéknélküli kommunikáció: korlátozott sávszélesség, tápáram-igény, protokollok, Szilicium-skálázás : bizonyítottan helyes működésű IP blokkok hatékony újrafelhasználásának módszerei, Érzékelők és beavatkozók: érzékelő hálózatok, (mikroelektro-mechanikai rendszerek ( MEMS -ek), hálózatban működő elektronikus porszemek ( Mote -ok), rádió frekvencia identifikáció (RFID), Ember-gép interfészek: a tudással kapcsolatos (kognitív) modelleket és a felhasználó viselkedését megragadó módszerek kutatása, Elosztott számítási platform: elosztott számítási eszközök, kooperativitás és adaptivitás az eszközök működésében, Önszervező, adaptív rendszerek: kooperativitás és adaptivitás a környezet megváltozásának hatására,... MoI 6/74/8

9 Rövid hatótávolságú rádiós kommunikációs technológiák (< 100 m) Olvasó/válaszadó Olvasó/válaszadó Bluetooth Célja a kábelek helyettesítésére vezetékes és vezeték nélküli készülékek között, (magas szintű biztonság!) Wi-Fi Vezeték nélküli helyi (LAN) hálózatok létrehozására Zegbee Önszerveződő ad-hoc digitális rádiós hálózatokhoz MIFARE és FeliCA Biztonságos érintkezés-nélküli (smart) kártya alkalmazásokhoz RFID Automatikus rádiófrekvenciás tárgy-azonosításhoz NFC Kis távolságú (<10cm) rádiófrekvenciás kommunikációra elektronikus készülékek-, elsősorban mobiltelefonok között MoI 6/74/9

10 Bluetooth (Ericsson,1994) Frekvencia tartomány: GHz Hatótávolság: Class 1: 100 méterig Class 2: 10 méterig Class 3: 1 méterig Adatátviteli sebesség: V 1.2 : 1 Mbps (2003) V 2.0 : 3 Mbps (2004) Kommunikáció: Kétirányú (Full duplex) MoI 6/74/10

11 Bluetooth Alapgondolata: munkaállomások egységes vezeték nélküli csatlakozásának megoldása Értelmezése: vezeték nélküli technológia,szabvány, specifikáció kisméretű-, olcsó-, kis hatósugarú rádiós összeköttetésre PC-k, mobiltelefonok és egyéb elektronikus eszközök között Névadója: Harald Blaatand ( ) viking király, Dánia és Norvégia egyesítője Kezdeményezője: ERICSSON 1994 SIG: (Special Interst Group) több mint 1000 tag Specifikáció: 1999, Alkalmazások: 2000 től MoI 6/74/11

12 A Bluetooth specifikáció Részei: 1. mag (core) a szabvány hardver és szoftver specifikációja 2. Lehetséges felhasználások A Bluetooth modul megvalósítása MoI 6/74/12

13 A Bluetooth modul részei Kapcsolat menedzser (Link manager) feladatai: más Bluetooth eszköz azonosítása (autentikáció) cím lekérdezése kapcsolat felépítése a Bluetooth modul állapotának irányítása Baseband processor és feladatai: hibajavítás adás/vétel időzítése (TDD) master/slave szinkronizáció eszköz állapotának/kapcsolatának kezelése paging MoI 6/74/13

14 Rádiós modul Jellemzői: Vivősáv: GHz (ISM Industrial Scientific Medicine) Csatorna távolság: 1 MHz (79 csatorna) Átvitel típusa: frekvencia ugrásos, szórt spektrumú (FHSS) Kétirányú kapcsolat: időosztásos duplex (TDD) Időrések nagysága: 625 s Frekvenciaugrás sebessége: 1600 ugrás/s Időrések sorszáma: 0-2 -ig 27 Minden csomag más időrésben továbbítódik MoI 6/74/14

15 Az időosztásos duplex eljárás (TDD) Adó (transmitter) kiegészítő elemei: referencia kvarckristály (13 MHz) teljesítmény szabályozó antenna teljesítmény osztályok: Osztályok Max. kimeneti Névleges Min. kimeneti teljesítmény 1. osztály 100 mw (20dBm) 2. osztály 2.5 mw (4dBm) kimeneti teljesítmény teljesítmény Teljesítmény szabályozás N/A 1 mw (0dBm) 4..20dBm 1 mw (0dBm) 0.25 mw (- 6dBm) (kötelező) dBm (opcionális) dBm (opcionális) 3. osztály 1 mw (0dBm) N/A N/A dBm (opcionális) MoI 6/74/15

16 Vevő (receiver) Érzékenysége: -70 db Bithiba arány 0.01% (Pbe>-20 db) Interferencia a vétel során: Interferencia típusa K ív á n t é r t é k C satornák közti interferencia 11 Szom szédos (1 M H z) interferencia 0 Szom szédos (2 M H z) interferencia -30 Szom szédos (>= 3 M H z) interferencia -40 Lehetséges felhasználások: fejhallgató 3-as funkciójú telefon automatikus szinkronizáció Vezeték nélküli munkaállomás MoI 6/74/16

17 Wi-Fi Wireless Fidelity NCR/NT&T 1991 Szabvány: IEEE x Frekvenciák: b/g 2.4 GHz től GHz.-ig Minden csatorna 22 MHz széles, Maximális csatornaszám a wi-fi-képes készülékek számára:: Európában: 13 - Észak Amerikában 11 Japánban a: 5 GHz Hatótávolság:<100m ( repeater nélkül) Adatátviteli sebesség: 1-11 Mbit/s Kommunikáció: Kétirányú (Full duplex) MoI 6/74/17

18 ZigBee WPAN wireless personal area network, 2004 Szabvány: IEEE Frekvenciák: industrial, scientific and medical (ISM) rádió sávok; 868 MHz Európában, 915 MHz az USA-ban és 2.4 GHz a legtöbb alkalmazásban. (16 csatorna, 5 MHz sávszélességgel Készülék típusok: ZigBee coordinator (ZC), ZigBee Router (ZR) ZigBee End Device (ZED) Hatótávolság:10 től 75 m Adatátviteli mód: CSMA/CA (carrier sense, multiple access/collision avoidance) sebesség: 250 kbit/s, 40 kbit/s és 20 kbit/s MoI 6/74/18

19 ZigBee hálózat példa MoI 6/74/19

20 MIFARE Frekvencia: MHz Philips Austria GmbH A legelterjedtebb vezeték nélküli smartkártya. Több mint 500 millió smart kártyát, és 5 millió olvasómodult adtak el. Hatótávolság: <10 cm Szabványok: MIFARE szabvány (Classic) kártya szabadalmaztatott magas szintű titkosító és hitelesítő protokollokat.. MIFARE Pro, ProX, és SmartMX: ISO 14443A&B (A MIFARE UltraLight kártyák nem használnak biztonsági elemeket.) Adatátviteli sebesség: 212 Kbit/s Communikáció: fél duplex Elfogadott és tesztelt például a VISA és a TNO kártyáknál MoI 6/74/20

21 KL1 MIFARE MIcron FARE mérföldkövek 1988 Micronnevű céget megvásárolta a Philips 1994 MIFARE szabványú 1k kontaktusmentes kártya bevezetése Első közlekedési alkalmazások Szöulban MIFARE PRO-ban a Tripla DES koprocesszor bevezetése 1999 MIFARE PROX-ban a PKI koprocesszor bevezetése MIFARE UltraLight bevezetése MIFARE DESFire bevezette a mikroprocesszor alapú termékeket Hitachi contactless telephone card bevezetése (gyártó: Motorola) MoI 6/74/21

22 21. dia KL1 Kutor László, 12/11/2006

23 FeliCa Felicity Card Sony Érintkezésmentes smart kártya rendszerek elektronikus pénz kártyákhoz Frekvencia:13,56 MHz Szuabvány: Manchester code Hatótávolság: <10 cm Adatátviteli sebesség: 212 Kbit/s Kommunikáció: fél duplex MoI 6/74/22

24 Ambient Assisted Living (AAL) Informatikával támogatott életvitel? Risto Karlsson Carolien Koning, Eeva Päivärinta, Niilo Saranummi, MoI 6/74/23

25 Miért szükséges a támogatás? 1. Demográfiai változások Európában a legmagasabb az időskorúak aránya Észak Amerika 11%, Ázsia 6%, Európa ~14% Európa vezet az öregedésben 2050-re a lakosság 28%- a lesz öregebb 65 évnél (80 millió ember, 60% nő) Népesség arányváltozása MoI 6/74/24

26 Az európai populáció jelenlegi megoszlása Ellátásra szorul egészszéges VDE/VDE AAL Ambient Assiste living MoI 6/74/25

27 Az európai populáció megoszlása 30 év múlva VDE/VDE AAL Ambient Assiste living MoI 6/74/26

28 2. Az idősödés természetes velejárói Forrás: : Prof Marianne Schroll, EUROFORUM az érzékszervek csökkenő működése, a szellemi képességek romlása (feledékenység), mozgáskorlátozottság megromlott egészség MoI 6/74/27

29 3. Emberi és gazdasági megfontolások Az életminőség megőrzése (javítása) Az önálló életvitel fenntartása A kommunikáció fenntartása Az emberi méltóság megőrzése Az intézményi gondozás lényegesen költségesebb az otthoni ápolásnál!!!!! MoI 6/74/28

30 Az időskori jó életminőség meghatározó tényezői A napi rutin saját megtervezése A ruházat saját kiválasztása Az étel saját kiválasztása A szociális környezet fenntartása A test és az emlékezet gyakorlása Kimozdulás naponta Az autonómia érzésének megtartása A test és a környezet tisztán tartása MoI 6/74/29

31 A jó életminőséget korlátozó tényezők (Mariko Fujiwara, 2010 Odense) Szociális izoláció Az egészségre vonatkozó információk rossz szervezése A rehabilitáció és továbbképzés akadályoztatása A saját napi rutin szabályozásának nehézségei Rossz étkezési szokások (Pl. a főzési gyakorlat hiányosságai) A kereskedelmi információk elérésének akadályoztatása A szórakozás és érdekes szellemi tevékenység hiánya Nagy gondozási szükséglet A tevékenység és humor hiánya MoI 6/74/30

32 A technológiai híd MoI 6/74/31

33 Az ápolás szintjei MoI 6/74/32

34 A Fogyatékkalélők Informtikai Támogatásnak tipikus területei (AAL országjelentések) Ausztria, Belgium, Finnország, Németország, Olaszország, Svájc Szenzor technológiák (érzékszervek támogatása) Tájékozódás segítő technikák ( GPS) Egészségi állapot monitorozó technikák Mozgás segítő technikák Speciális ember-gép interfészek Helyi információ szolgáltató technikák (RFID) Közlekedést segítő technikák Lakótér kezelését segítő technikák ( intelligens otthon ) Kommunikációs technológiák MoI 6/74/33

35 AAL-hez hasonló programok az USAban Independent Living, Rehabilitation Technology,Technology and Disability, Technology for Adaptive Aging, Assistive Technology Assistive Technology Act. (1998) ( ) The National Institute on Disability and Rehabilitation Research (NIDRR)(1989) National Istitute of Aging Technology and Aging: NIA Small Business Innovation Reseach Program Initiative (2004, öt éves program) U.S. Department of Helth and Human Services MoI 6/74/34

36 Támogató technikák Adaptív kapcsolók Kommunikációs berendezések Módosított számítógép kezelő eszközök (felületek) Beszélő technikák (hangos könyvek) Lakótér átalakító technikák Munkakörülmény javító technikák (székek, támaszok, ) Mozgást segítő technikák Közlekedést segítő technikák Protézisek (végtag, érzékszervi) Gyógyulás segítő technikák MoI 6/74/35

37 Egyszerű technológia Feltételei: Egyre nagyobb beépített tudás Kényelmi szolgáltatások Gondosan tervezett felhasználói felület MoI 6/74/36

38 Szükség vagy luxus? Infokommunikációs megoldások a fogyatékkal élők szolgálatában MoI 6/74/37

39 Helen Keller ( ) Ha a lehetőségek boldogság egy kapuja bezárul, akkor egy másik kapu kinyílik, de mi gyakran annyira el vagyunk foglalva a zárt kapuval, hogy nem vesszük észre a nyitottat. Az infokommunikációs eszközök egyre tágabb kaput nyitnak! MoI 6/74/38

40 Fogyatékkal élők hazai statisztikai adatai Hagyományos fogyatékossági kategóriák Mozgáskorlátozott: > Látásfogyatékkal élő > Hallásfogyatékkal élő > Értelmi fogyatékos > > Egyéb fogyatékossági kategóriák Alzheimer beteg > Autizmus beteg > Parkinson beteg > Sclerosis multiplexes > Cukorbeteg +vesebeg > > > 1,2 millió Családban több mint 3 millió!!! MoI 6/74/39

41 A képesség folytonos-, a fogyatékosság diszkrét változó Képesség 100% Pl. Látásfogyatékossági kategóriák Jogi vakság: A látási képesség 10 %, A látószög kisebb mint 20 fok 33% 10% Fogyatékosság Látási fogyatékosság MoI 6/74/40

42 MoI 6/74/41

43 A fogyatékosság szinonimái MoI 6/74/42

44 A fogyatékosság szinonimái Magyar szinonima kéziszótár 1996 elégtelen, kevés, hiányos, nyomorgó, szegény, vagyontalan, ágrólszakadt, tengődő, lézengő, sanyargó, nélkülöző, nyavalygó csúnya, csúf, rút, éktelen, dísztelen, ízléstelen, undok, visszatetsző, visszataszító, ocsmány, csonka, csorba erkölcstelen, romlott, feslett, vásott, léha, ledér, buja, bűnös, rossz, gonosz, tökéletlen, tévelygő, érdemtelen,. MoI 6/74/43

45 A fogyatékkal élők megszólításáról Kerülendő szavak rokkant, béna, fogyi világtalan, nemlátó, vaksi hülye, dedós, idióta süket, süketnéma Használandó szavak fogyatékkal élő ember fogyatékos személy mozgáskorlátozott ember vak-, gyengénlátó ember látáskorlátozott személy értelmi fogyatékos személy siket-, nagyothalló személy A fogyatékot nem főnévként, hanem jelzős szerkezetben kell használni! MoI 6/74/44

46 A fogyatékok pótlását segítő rendszerek Látási fogyatékok pótlása - Téri tájékozódást segítő eszközök - Tárgyak kezelését segítő eszközök - A számítógép kezelését-, az információs akadálymentesítést szolgáló és ellenőrző rendszerek - Gépi beszéddel kibővített mobiltelefonok Hallási fogyatékok pótlása - Hallásjavító készülékek (a legegyszerűbbtől a cochleáris implantátumokig) - Internetes jeltolmács rendszerek - Szöveg feliratozás (írótolmácsolás) MoI 6/74/45

47 A fogyatékok pótlását segítő rendszerek Mozgási fogyaték pótlása - Gépi intelligenciával kiegészített közlekedést segítő eszközök - Személyes igényekhez alkalmazkodó ember-gép felületek - Automatikus és táv-vezérelhető életvitelt segítő rendszerek - Végtagok pótlására szolgáló intelligens protézisek. Az információ feldolgozási fogyatékok pótlása (Alzheimer-, SM-, Autizmus betegek) - Kommunikációt segítő rendszerek - Aktivitást nyomon követő rendszerek - Téri tájékozódást segítő rendszerek - A gyógyszerszedést és ellenőrzését segít rendszerek MoI 6/74/46

48 Fontos, hogy a technológia egyszerű -en legyen kezelhető Feltételei: Nagy beépített tudás Kényelmi szolgáltatások Gondosan tervezett felhasználói felület MoI 6/74/47

49 Esztergálás vakon?! Lábkapcsolós beszélő tolómérővel MoI 6/74/48

50 Hallássérültek támogatása a vasúton MoI 6/74/49

51 MoI 6/74/50

52 Mobiltelefon siketeknek MoI 6/74/51

53 Hazai mobiltelefonos beszélő program Jellemzői Beszélő Telefon (BeszT) M.I.T. Systems Kft. BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar OE Neumann János Informatikai Kar Nokia 6600, 6680, és N70 telefonokhoz Symbian 8.x operációs rendszerre épül ProfiVox TTS (BME MIT) Megvalósított funkciók: 1. A telefon kezelésének támogatása 2. Telefonálás (hívás/fogadás) 3. SMS felolvasás 4. Szöveges állományok felolvasása 2012 ősz Óbudai OE-NIK, Egyetem evita Szakmai Fórum, MoI március 6/74/ Dr.Kutor NIK László Helyszín: Nemzeti Innovációs Hivatal, Budapest

54 A Beszélő Telefon kínálta lehetőségek MoI 6/74/53

55 Tipikus beszélő-telefonos alkalmazások Látás korlátozottaknak: a telefon kezelése Siketeknek és nagyothallóknak: a kommunikáció segítése 2012 ősz Óbudai OE-NIK, Egyetem evita Szakmai Fórum, MoI március 6/74/ Dr.Kutor NIK László Helyszín: Nemzeti Innovációs Hivatal, Budapest

56 Jegyvásárlás beszélő telefonnal MoI 6/74/55

57 Ügyintézés beszélő telefonnal MoI 6/74/56

58 Internetes jelnyelvi tolmácsolás MoI 6/74/57

59 Tipikus internetes jeltolmács alkalmazások A siketek információs akadálymentesítésének és integrációjának egyik legfontosabb eszköze lesz Közintézményekben Kórházakban Munkahelyen,.. és a mindennapokban 2012 ősz Óbudai OE-NIK, Egyetem evita Szakmai Fórum, MoI március 6/74/ Dr.Kutor NIK László Helyszín: Nemzeti Innovációs Hivatal, Budapest

60 Jeltolmácsolás vásárlásnál MoI 6/74/59

61 Automatikus tárgy-azonosításra épülő rendszerek Adatmátrix RFID/NFC evita Szakmai Fórum, MoI március 6/74/ Helyszín: Nemzeti Innovációs Hivatal, Budapest Óbudai Egyetem NIK

62 Tipikus automatikus tárgy-azonosításra épülő alkalmazások Látás korlátozottaknak: gyógyszer azonosító rendszer szín azonosító rendszer Különösen az allergiásoknak: összetevő kijelző rendszer 2012 ősz Óbudai OE-NIK, Egyetem evita Szakmai Fórum, MoI március 6/74/ Dr.Kutor NIK László Helyszín: Nemzeti Innovációs Hivatal, Budapest

63 Tájékozódás támogatása vezetősávval 2012 ősz Óbudai OE-NIK, Egyetem evita Szakmai Fórum, MoI március 6/74/ Dr.Kutor NIK László Helyszín: Nemzeti Innovációs Hivatal, Budapest

64 Vezetősáv a 3-as metró aluljárójában MoI 6/74/63

65 Tájékozódás nagy terekben MoI 6/74/64

66 Tájékozódás elektromos fehérbottal MoI 6/74/65

67 Közlekedési lámpa MoI 6/74/66

68 Önegyensúlyozó kerekesszék MoI 6/74/67

69 Az OE-NIK - NJSZT érzékszervi fogyatékkal élők felzárkóztató programja idén 10 éves ECDL vizsgát tettek Teljes ECDL Start legalább egy modul Vakok és gyengénlátók Siketek és nagyothallók Siket-vak 1 1 MoI 6/74/68

70 Beszélő számítógép használata az órán, a tanár Ecsedi Csaba MoI 6/74/69

71 Tanítás mondva és mutatva MoI 6/74/70

72 Önegyensúlyozó járművek Giroszkópos érzékelőkkel MoI 6/74/71

73 Beszéddel vezérelhető élettér MoI 6/74/72

74 Beszéddel vezérelhető élettér MoI 6/74/73

75 Beszéddel vezérelhető élettér MoI 6/74/74