《可穿戴計(jì)算：基于人體傳感器網(wǎng)絡(luò)的可穿戴系統(tǒng)建模與實(shí)現(xiàn)》 —2.2　開(kāi)發(fā)BSN應(yīng)用

2.2　開(kāi)發(fā)BSN應(yīng)用

盡管BSN領(lǐng)域已有十多年的研究歷史，但編程的復(fù)雜性仍然在阻礙這類(lèi)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中得到更廣泛的傳播。

若要在基于BSN的系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)軟件，需要開(kāi)發(fā)人員面對(duì)許多不同方面的編程問(wèn)題，從有效管理傳感器平臺(tái)的非常有限的硬件資源（功耗、存儲(chǔ)容量和計(jì)算能力），到將全球分布式的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)應(yīng)用行為轉(zhuǎn)換為一組每節(jié)點(diǎn)的功能和交互通例。如果沒(méi)有靈活的開(kāi)發(fā)支持工具，那么在處理平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序諸級(jí)別的實(shí)現(xiàn)和調(diào)試步驟時(shí)，很可能會(huì)導(dǎo)致在客戶(hù)端應(yīng)用程序準(zhǔn)備好部署之前，出現(xiàn)耗時(shí)且容易出錯(cuò)的煩瑣任務(wù)。

遺憾的是，尚未有一種標(biāo)準(zhǔn)和通用的方法，能夠有效降低管理傳感器平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的例行工作的復(fù)雜性，從而達(dá)到用戶(hù)對(duì)應(yīng)用的高級(jí)需求。而且，由于提供給用戶(hù)的功能和服務(wù)越來(lái)越高級(jí)，致使應(yīng)用程序的復(fù)雜性不斷增加，而將不同傳感器架構(gòu)與其他類(lèi)型的設(shè)備集成的需求又導(dǎo)致進(jìn)一步的挑戰(zhàn)，即在更加不同類(lèi)型和普遍的環(huán)境中平臺(tái)缺乏互通性。

今天，典型的單用戶(hù)BSN系統(tǒng)需要與其他計(jì)算范式和基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行集成，才能建立更加智能和以人為中心的環(huán)境，并支持更為復(fù)雜的服務(wù)來(lái)改善人類(lèi)福祉，對(duì)此，本書(shū)的部分章節(jié)將進(jìn)行更深入的討論。為適應(yīng)這些新場(chǎng)景，需要開(kāi)發(fā)增強(qiáng)型BSN，而這就需要采用新穎的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，這些方法基于高級(jí)別和更標(biāo)準(zhǔn)化的抽象，例如，面向智能體的BSN（見(jiàn)第6章）、多BSN協(xié)作系統(tǒng)（第7章）、BSN與建筑傳感器網(wǎng)絡(luò)的集成（第8章）以及支持云的可穿戴系統(tǒng)（第9章）。

截至今天，可以采用以下幾種開(kāi)發(fā)方法來(lái)構(gòu)建BSN應(yīng)用程序［1］：特定于應(yīng)用程序和平臺(tái)的編程、自動(dòng)代碼生成以及基于中間件的編程。

2.2.1　特定于應(yīng)用和平臺(tái)的編程

特定于應(yīng)用和平臺(tái)的編程是指開(kāi)發(fā)針對(duì)特定目的而定制的應(yīng)用程序。因?yàn)樗鼈兪菍?zhuān)門(mén)用來(lái)滿(mǎn)足特定需求，并完成明確定義的任務(wù)的，所以能夠?yàn)樵诓渴鸷髮?shí)現(xiàn)高性能而對(duì)它們進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言（比如C），并利用平臺(tái)專(zhuān)用的應(yīng)用程序編程接口（API），開(kāi)發(fā)人員在特定操作系統(tǒng)或軟件棧上實(shí)現(xiàn)他們的應(yīng)用程序。通過(guò)這種方式，由于與嵌入式操作系統(tǒng)和硬件控制組件的直接交互，最終結(jié)果是一個(gè)由與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議事務(wù)以及其他服務(wù)緊密耦合的應(yīng)用邏輯所組成的單獨(dú)的軟件程序。這樣的設(shè)計(jì)策略雖然可以在功耗和計(jì)算性能方面產(chǎn)生高度優(yōu)化的代碼，但應(yīng)用程序與底層支持軟件之間的強(qiáng)耦合成為一個(gè)主要問(wèn)題。這導(dǎo)致了專(zhuān)門(mén)用于完成固定任務(wù)的整段代碼片段，并且通常只針對(duì)單個(gè)傳感器平臺(tái)，從而導(dǎo)致基礎(chǔ)架構(gòu)死板且很難重復(fù)使用，沒(méi)有能被不同應(yīng)用程序共享的便于重用的軟件組件。雖然這種方法可能仍然是一種開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單應(yīng)用程序的可行解決方案，但如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)耐ㄓ瞄_(kāi)發(fā)工具，很難實(shí)現(xiàn)當(dāng)今的復(fù)雜系統(tǒng)。實(shí)際上，當(dāng)前可用的平臺(tái)API更傾向于把許多較為底層的相關(guān)方面留給開(kāi)發(fā)人員，這些相關(guān)方面涉及硬件控制（例如訪問(wèn)板載傳感器驅(qū)動(dòng)程序）、事件處理，以及為有效使用稀缺節(jié)點(diǎn)資源而進(jìn)行的節(jié)點(diǎn)內(nèi)任務(wù)調(diào)度和代碼優(yōu)化。而且，某些操作系統(tǒng)原始狀態(tài)下未將常見(jiàn)的BSN功能（即傳感器配置和采樣、多節(jié)點(diǎn)通信模式或分布式數(shù)據(jù)處理）作為現(xiàn)成、可定制的軟件組件提供給開(kāi)發(fā)者。結(jié)果，對(duì)全局應(yīng)用邏輯的編碼變成單個(gè)節(jié)點(diǎn)的行為，這意味著需要應(yīng)付各種煩瑣的任務(wù)，比如節(jié)點(diǎn)間的進(jìn)程同步和數(shù)據(jù)完整性，以及為了交換和解析消息而與支持節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行明確的接口處理。因此，BSN開(kāi)發(fā)人員不得不花費(fèi)大部分開(kāi)發(fā)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)獨(dú)特例程，以處理各種底層細(xì)節(jié)，而不是專(zhuān)注于應(yīng)用程序核心邏輯。由于實(shí)現(xiàn)過(guò)程受到特定傳感器節(jié)點(diǎn)架構(gòu)以及一組特定的傳感器驅(qū)動(dòng)程序的約束，因此，造成在需要使用不同平臺(tái)的情況下，最終的代碼不能重復(fù)使用，或不容易修改。

關(guān)于在傳感器平臺(tái)的操作系統(tǒng)上直接開(kāi)發(fā)特定平臺(tái)應(yīng)用程序的困難和限制已經(jīng)在參考文獻(xiàn)［2］中做了調(diào)查。該文獻(xiàn)特別關(guān)注了TinyOS［3］、MANTIS［4］和Ember ZigBee棧［5］。

關(guān)于BSN的早期工作主要集中在小型而簡(jiǎn)單的應(yīng)用上，不存在相關(guān)的開(kāi)發(fā)問(wèn)題。但是，正如已經(jīng)討論過(guò)的那樣，隨著應(yīng)用程序復(fù)雜性的逐漸增加，缺乏適當(dāng)?shù)母呒?jí)編程工具成為一個(gè)嚴(yán)重的限制因素。尤其是近期有很多應(yīng)用領(lǐng)域需要多個(gè)互連的基于互聯(lián)網(wǎng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)需要更復(fù)雜的多平臺(tái)應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)所聲稱(chēng)的物聯(lián)網(wǎng)范式（IoT）［6］。在不久的將來(lái)，更廣泛、更強(qiáng)大的編程接口對(duì)于更好地支持無(wú)處不在的計(jì)算系統(tǒng)至關(guān)重要?；谶@些考慮，人們對(duì)于能簡(jiǎn)化BSN應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的軟件工具非常感興趣。

硬件開(kāi)發(fā) 網(wǎng)絡(luò)

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