Semana da Informática da PUC Minas - SG

1. Computação Ubíqua
Prof. Waldir Ribeiro Pires Junior
Semana de Informática – PUC Minas SG
Belo Horizonte, MG
8 de Maio de 2009
1

2. Sumário
• Sobre o palestrante
Introdução
•
• Definição, objetivos e características
• Primeiros projetos
• Principais áreas de pesquisa
• Aplicações e cenários de uso
Desafios associados
•
• Conclusões
Referências
•
2

3. Sobre o Palestrante
• Bacharel em Ciência da Computação pela UFMG (2002)
• Pós-graduação em Sistemas Móveis e Convergentes em
Telefonia Celular pela UEA (2006)
– Padrões de projeto em JavaME, Componentização de SW para
dispositivos móveis
• Mestrando em Ciência da Computação pela UFMG (2008)
– Computação móvel e ubíqua, Computação ciente de contexto e
Sistemas distribuídos
– Engenharia de SW aplicada a aplicações móveis/ubíquas
• Engenheiro de SW no Núcleo de Engenharia de SW e
Sistemas Synergia (DCC-UFMG)
• Professor Assistente da PUC Minas SG
3

4. Introdução
• Qual é o futuro da computação?
?
4

5. Introdução
Opções
●
O agente inteligente
●
A televisão
●
Gráficos 3D, realidade virtual
●
Os computadores de “Jornada nas Estrelas”
●
A interface GUI refinada
●
Nenhuma das opções acima
●
5

6. Introdução
6

7. Introdução
Interface com o usuário – evolução
●
Válvulas a vácuo e interruptores
●
Cartões perfurados
●
Linha de comando e teclado
●
Interface gráfica de usuário
●
Mouse, joystick, pedais, capacetes
●
Comando de voz, personificação
●
Telas sensíveis ao toque, multitoque (entrada e saída)
●
Linguagem natural (perguntas e respostas)
●
Interfaces tangíveis (foco no toque, ambiente físico)
●
Vamos para a resposta!
●
7

8. Introdução
• A computação irá
Desaparecer!
–
– Ser descentralizada
– Focada no usuário e suas atividades
– Estará em todos os lugares e coisas!
?
8

9. Introdução: Evolução da Computação
9
Computers in the year 2004. Fortunatelly, they were wrong! 

10. Introdução: Evolução da Computação
Centralized Personal Portable Pervasive
Computing Computing Computing Computing
Internet
Hw/Sw
Growth!
Advancements!
User oriented User oriented
Machine oriented Task oriented
One computer One computer Many devices “Invisible” devices
10
Many people One person One person Many people

11. Introdução: Evolução da Computação
Man-Machine Interaction 11

12. Introdução: Evolução da Computação
Surface Technologies 12

13. Introdução: Evolução da Computação
Why use the keyboard?
Connect the devices to
The brain!
13

14. Composição de Sistemas de Computação
Comunicação remota Sistemas Computação Computação
Tolerancia a falhas Distribuídos Móvel Pervasiva/Ubiqua
Alta disponibilidade
Acesso a informações
remotas Ambientes
Segurança distribuída Inteligentes
Arquiteturas
Cliente/servidor
N-tier
Redes Móveis
Cluster
Acesso móvel a
P2P
Informações
Aplicações adaptativas
Grid
Redes de dados
Sistemas cientes de
Computação nas
sem fio
energia
nuvens
WLAN
Sensibilidade de
Virtualização de
GPRS/EDGE/HSDPA
localização
plataformas
Interação
Homem
Máquina
Espaços inteligentes
Invisibilidade
Redes de
Escalabilidade
sensores
Gestão de perfil e
sem fio
contexto
14

15. Padrões de Redes Sem Fio
15

16. Sumário
• Sobre o palestrante
• Introdução
• Definição, objetivos e características
Primeiros projetos
•
• Principais áreas de pesquisa
Aplicações e cenários de uso
•
• Desafios associados
Conclusões
•
• Referências
16

17. Definição
Dicionário Merrian-Webster
●
Ubiquitous: existing or being everywhere at the same time, constantly
●
encountered
Pervasive: to become diffused through every part of
●
Mark Weiser: pesquisador do PARC – XEROX, Centro de
●
Pesquisas da Xerox (PARC) em Palo Alto, EUA
Termo proposto no final da década de 90
●
Citações
●
A melhor ferramenta é aquela que é invisível para o usuário. Esta se mistura
–
com o ambiente diário do usuário a tal ponto de se tornar indistinguível do
mesmo
Termos similares
●
Everyware, Calm technology, Pervasive computing, Ambient technology,
●
dsappearing computing 17

18. Definição
Artigos publicados por Mark Weiser:
●
quot;The Computer for the 21st Century,quot; Scientific American, pp. 94-10,
●
September 1991
quot;Some Computer Science Problems in Ubiquitous Computing,quot;
●
Communications of the ACM, July 1993. (reprinted as quot;Ubiquitous
Computingquot;. Nikkei Electronics; December 6, 1993; pp. 137-143.)
Energia, conectividade sem fio e usabilidade, privacidade
–
quot;Hot Topics: Ubiquitous Computingquot; IEEE Computer, October 1993.
●
Desafios: agregação de elementos computacionais sem fio, mobilidade,
–
usabilidade
quot;The world is not a desktopquot;. Interactions; January 1994; pp. 7-8.
●
Falha básica: tornar o computador visível
–
18

19. Computação Ubíqua: Definição
• Codição onde o processamento das informações é integrado a
atividades e objetos do dia a dia do usuário
• Ativação pelo usuário de diversos dispositivos e sistemas
computacionais de forma simultânea, em alguns casos sem saber que
está fazendo isto.
• Evolução do paradigma “desktop”
• Rede composta de dispositivos pequenos, baratos e robustos
distribuídos ao longo da vida diária do usuário
• Dispositivos computacionais em vários lugares
• Nas pessoas (internamente??)
• Nos veículos, nos tecidos, nos móveis
• Nos produtos que consumimos
• Dentre outros
19

20. Computação Ubíqua: Objetivos
• Melhor interação das pessoas com dispositivos que têm
capacidade de processamento de informação
– Melhor = mais intuitivo, natural, transparente
– Forma mais natural e comum do que acontece atualmente
– Será que isso é bom? Será que vai melhorar a vida do usuário?
• Computação deve ser adaptada à localização ou contexto
onde as pessoas se encontram
• Ex: hora, localização geográfica, data, clima, humor, profissão, estados
físicos ou psicológicos, dentre outros
• Como colectar ou detectar mudanças de contexto do usuário?
• Onde estamos?
– Ainda longe de alcançar esse objetivo
20

21. Computação Ubíqua: Características
• Novo paradigma computacional que permite o acesso aos
recursos computacionais independente da localização
– “Anywhere”, “Everyware”
• Capacidade de acessar informações, aplicações e serviços a
qualquer lugar e a qualquer momento independente de
dispositivo
– Serviços ubíquos que acompanham o usuário
• As pessoas irão interagir com dispositivos com capacidade de
processamento de forma mais “natural”
– Interação homem-máquina centrada no usuário
• Usuário não precisa estar ciente da existência de uma infra-
estrutura computacional embutida no ambiente
21
– Transparência

22. Sumário
• Sobre o palestrante
• Introdução
• Definição, objetivos e características
• Primeiros projetos
• Principais áreas de pesquisa
Aplicações e cenários de uso
•
• Desafios associados
Conclusões
•
• Referências
22

23. Primeiros Projetos: Live Wire
Criado por Natalie
Jeremijenko no laboratório
da XEROX PARC
Cabo de plástico conectado a
um pequeno motor elétrico
no teto da sala controlado
por uma conexão de rede
LAN
Atividade na rede era visível
quando o cabo era girado
pelo motor
0.1 voltas por pacote de
tráfego
Exemplo de calm tecnology
23

24. Primeiros Projetos: Active Badge (1992)
Diversas salas do prédio
•
contendo sensores de captação
de sinais de rádio (IR)
Cartão que permitia a localização
•
dos usuários de uma empresa no
provimento de serviços
– Informações de localização
– Redirecionamento
de chamadas telefônicas
– Localização de empregados
O sistema permite a execução de
•
comandos:
24
http://portal.acm.org/citation.cfm?id=128759

25. Primeiros Projetos: MediaCup (1999)
Desenvolvida pela TECO, Alemanha
•
Possui sensores de temperatura e
•
movimento
Comunicação sem fio (IR)
•
– Entre copos, a máquina de café
– Outros dispositivos
Compartilhamento de
•
informações de contexto
do ambiente
Recursos
•
– Avisar sobre eventos (reuniões)
– Avisar que o café está quente demais
para beber
– Avisar que um novo café está disponível
na máquina
http://mediacup.teco.edu/
– Pode usá-la para beber café e chá
25

26. Primeiros Projetos: MediaCup (1999)
Objetivos
•
– Como adicionar elementos
computacionais em objetos do dia
a dia
– Aplicar restrições como bateria,
energia, conectividade sem fio
– Controle de estados de contexto
(bebendo, sobre a mesa, vazia,
etc.)
– Criação de uma rede de dados
sem fio de baixo custo
– Construção de redes ad-hoc em
ambientes contendo um conjunto
de dispositivos
– Tarefas colaborativas entre
dispositivos (máquina de café,
relógio, copo, portas, etc)
http://mediacup.teco.edu/
26

27. Outros Projetos
The Marble Answering Machine
27

28. Outros Projetos
Smart Object
WiFi
Weather forecasts
Stock market reports
News
Alarm clock
RSS feeds
Emails
API in Java or Perl
RFID reader
Violet's Nabaztag
28

29. Sumário
• Sobre o palestrante
Introdução
•
• Definição, objetivos e características
• Primeiros projetos
• Principais áreas de pesquisa
Aplicações e cenários de uso
•
• Desafios associados
Conclusões
•
• Referências
29

30. Principais Áreas de Pesquisa
30

31. Computação Móvel
Permite acesso a informações de qualquer lugar e
●
momento
Reflete uma sociedade “dependente de informações”
●
Apresenta uma nova “forma” de como utilizamos um
●
computador
Computador ou elemento computacional?
●
De cada 10 processadores produzidos no mundo, apenas
●
um tem como destino um computador
Mobilidade Comunicação Computação
Processamento
Sem Fio Pessoal
Portátil Em qualquer
Tipos variados lugar
+ + =
Conectado a Em qualquer lugar
Pode ser levado Portátil
uma rede de A qualquer momento
a qualquer lugar
dados e voz Poder trabalhar longe
Não depende de
que provê serviços do desktop em locais
energia da tomada
onde tarefas precisam
31
ser executadas

32. Computação Nômade
• Não possui residência fixa, mudando de local
permanentemente e não se fixa muito tempo em um único
local
• Colocar dados e software móveis da mesma maneira que os
usuários
– O acesso a estes dados é feita de forma transparente
– Requer uma reconfiguração de acesso a serviços e dados a cada
mudança -> adaptabilidade
• Três fases
– Descoberta de recursos
– Localização de serviços
– Capacidade disponíveis (poder computacional, armazenamento,
comunicação)
• Requer uma base de serviços e recursos altamente distribuída
32

33. Computação Autonômica – IBM (2001)
• Iniciativa de desenvolvimento de sistemas computacionais
capazes de se auto gerenciar
– Minimizar a complexidade crescente no gerenciamento de sistemas
computacionais
– Baseado no sistema autonômico mais famoso conhecido: o sistema
nervoso humano
• Controle de funções involuntárias do corpo: digestão, metabolismo,
respiração, batimento cardíaco, dentre outros.
• A proposta da IBM é fazer com que sistemas computacionais simulem o
sistema nervoso humano para aumentar sua capacidade de auto
gerenciamento
Self-optimization:
monitoramento e controle
de recursos automáticos Self-protection:
Self-healing:
Self-configuration: para garantir o identificação e
descoberta e
configuração funcionamento adequado proteção
correção
automática de de acordo com os proativa de
automática de
componentes 33
requisitos definidos ataques arbitrários
falhas

34. Ambientes Inteligentes
• Ambientes eletrônicos sensíveis e responsíveis a presença de
pessoas
• Dispositivos trabalham em conjunto para prover suporte a
pessoas na execução de atividades do dia a dia
• Tendência: os dispositivos se tornarem invisíveis diante de
nossa visão
• Conceitos:
Dispositivos embutidos no ambiente
–
Ciente de contexto
–
Personalização de atividades
–
Adaptabilidade de serviços e informações
–
Comportamento antecipatório
–
• Problemas
– Privacidade, impacto econômico, social, político e cultural
34

35. Exemplo de Cenário
Ellen retorna para a casa depois de um longo dia de trabalho. Na porta
de frente, ela é reconhecida por um sistema de vigilância inteligente, o
alarme é desativado e a porta é destravada e aberta automaticamente.
Quando ela entra pela sala, o mapa da casa indica que seu marido
Pedro está em uma feira de arte em Paris e que sua filha Carol está no
quarto brincando com uma tela de interação. O serviço de vigilância
infantil remoto recebe uma notificação de que Ellen está em casa e é
desativado. Ao entrar na cozinha, a tela do menu familiar é ativada
indicando que não há mensagens novas não lidas. A lista de compras
composta pela geladeira inteligente necessita da confirmação de Ellen
para ser enviada ao supermercado para entrega.
35

36. Computação Distribuída
Sistemas de hardware e software contendo mais de um único
●
elemento de processamento
Elementos fisicamente distantes
●
Execução simultânea e comunicação via rede
●
Arquiteturas de sistemas distribuídos
●
Cliente/servidor, N-tier, P2P
●
Acesso a dados e serviços remotos (RPC)
●
Algoritmos distribuídos
●
Confiança no envio de dados e alocação de recursos na rede
●
Consensus
●
Segurança
●
Confiabilidade, privacidade
●
36

37. Usabilidade – Interface Homem-Máquina
Estudo da interação entre usuários e computadores
●
Intercessão de várias ciências: computação, comportamental, desenho,
●
dentre outras
Tópicos de interesse
●
Computação centrada ao usuário
●
Realidade aumentada (augmented reality)
●
37

38. Computação Ciente de Contexto
Sistemas que possuem a percepção do ambiente
●
Inclui pessoas próximas, dispositivos, luminosidade, nível de ruído,
●
temperatura, conectividade de rede e condição social
Aspectos de contexto
●
Localização (onde), vizinhos (com quem) e recursos (com o quê)
●
Processamento ciente de contexto
●
Usa informações de contexto para seletivamente apresentar informação
●
e serviços
Automaticamente executar um serviço
●
Anexar informações de contexto para tratamento posterior
●
Desafios
●
Como detectar e reagir a mudanças de contexto?
●
38

39. Computação Ciente de Contexto
Como ligar uma luz?
Flip a switch Say “Turn on the lights”
● ●
Hardwired Speech
● ●
Clap hands Say “Turn on that light”
● ●
Sound Multimodal
● ●
Touch screen on wall computer “I want to read a book”
● ●
GUI dialog box It’s dark outside
●
Click on a GUI map that Infer action
● ●
represents the environment
Make a specific gesture
●
Use a PDA, cell phone, …
●
Vision
●
Walk into the room
●
Automatic
●
39

40. Redes de Sensores Sem-Fio
Define uma rede de dispositivos computacionais denominados
●
sensores que cooperam entre si com o objetivo de monitorar
condições físicas ou ambientais de um local ou região
Temperatura, som, vibração, pressão, movimento, luminosidade, dentre
●
outros
Especialização de redes ad hoc com características bem
●
específicas
Características
●
São geralmente usadas em ambientes inóspitos de difícil acesso
●
Grande quantidade de dispositivos executando uma única aplicação
●
Componentes compactos e autônomos
●
Coletam, processam e entregam dados coletados do ambiente a um
●
observador, comunicação sem fio em múltiplos saltos
40

41. Redes de Sensores Sem-Fio
Cenários de uso
●
Observação ambiental
●
Desastres naturais, fogo, enchentes,
–
monitoramento de espécies de animais
Aplicações militares
●
Detecção de transmissões
–
eletromagnéticas
Construção civil
●
Casas e edifícios inteligentes
–
Saúde
●
Sensores “in-body”
–
Redes veiculares
●
Manutenção, monitoramento,
–
comunicação, tráfego
41
Dentre outras.
●

42. Redes de Sensores Sem-Fio: Redes
Veiculares
PUMA: GM + Segway two seater
42

43. Redes de Sensores Sem-Fio: Redes
Veiculares
Busca por vagas no centro de uma cidade
43

44. Redes de Sensores Sem-Fio
Operações militares
44

45. Redes de Sensores Sem-Fio
Gestão de emergências
45

46. Redes de Sensores Sem-Fio
Gestão de desastres naturais
46

47. Redes de Sensores Sem-Fio
Tópicos de pesquisa
●
Melhores algoritmos, arquiteturas e sistemas
●
Extensão ou interligação de RSSF com outros tipos de nós
●
Killer applications, aplicabilidade das RSSFs no dia a dia
●
Melhoras no hardware e no software utilizado
●
Segurança
●
Autenticação, gerenciamento de chaves, proteção a ataques
–
Gestão de dados
●
Agregação e fusão de dados, compressão
–
Energia
●
Durabilidade, desempenho de baterias, uso de energias alternativas
–
Testes reais
●
Muitas simulações, poucos testes reais
– 47

48. Sumário
• Sobre o palestrante
Introdução
•
• Definição, objetivos e características
• Primeiros projetos
• Principais áreas de pesquisa
• Aplicações e cenários de uso
• Desafios associados
• Conclusões
• Referências
48

49. Aplicações e Cenários de Uso
Redes residenciais
•
Entretenimento e Jogos
•
Serviços de inteligência
•
Aprendizado ubíquo
•
Turismo e Transporte
•
Negócios e Shopping
•
Laboratórios de pesquisa
•
Monitoramento de saúde
•
Controle de ambientes
•
49

50. Aplicações e Cenários de Uso
50

51. Aplicações e Cenários de Uso
51

52. Computador Vestível (Wearable Computer)
52

53. Computador Vestível (Wearable Computer)
53

54. Telepresença
54

55. Sumário
• Sobre o palestrante
Introdução
•
• Definição, objetivos e características
• Primeiros projetos
• Principais áreas de pesquisa
• Aplicações e cenários de uso
• Desafios associados
• Conclusões
• Referências
55

56. Desafios Associados
• Complexidade • Interatividade com o usuário
• Várias decisões, vários • Interface humano computador
dispositivos, automação “natural”
• Energia • Qualidade de serviço
– Maior consumo: transmissão • Adaptabilidade,
disponibilidade, segurança,
• Processamento desempenho,
• Poder e custo no manutenibilidade,
processamento personalização
• Armazenamento • Temas éticos
• Coleta de dados – Privacidade, “intrusiveness”,
impacto social e cultural
• Transmissão de dados
– Taxa, conectividade
56

57. Desafios
Privacidade
• Quem deve ter acesso a suas informações de contexto?
• Como e onde esta informação está armazenada?
• É interessante compartilharmos estas informações?
• Como controlar quem acessa meus dados de contexto?
57

58. Desafios
Segurança
Como disponibilizar serviços
•
seguros?
Autenticidade: com quem eu
•
estou falando?
Como proteger estes dados?
•
Temas éticos e filosóficos
To ubiComp or not to ubiComp
●
Seres cibernéticos?
●
Tudo controlado por máquinas?
●
58

59. Desafios
Confiança
Confiabilidade nos elementos (serviço, dispositivo e usuário)
●
Energia
• Consumo diretamente proporcional à transmissão de dados
• Soluções de otimização de consumo de energia em
dispositivos embarcados
• Lixo tecnológico
– Baterias, placas de circuito, metais
59

60. Sumário
• Sobre o palestrante
Introdução
•
• Definição, objetivos e características
• Primeiros projetos
• Principais áreas de pesquisa
• Aplicações e cenários de uso
Desafios associados
•
• Conclusões
• Referências
60

61. Conclusões: Porque Computação
Ubíqua?
• Mudança de paradigma computacional
– O futuro é sem fio
• Alta demanda
– Profissionais qualificados (mercado e
academia)
– Novos produtos e serviços
– Trabalho de integração entre os mundos com
e sem fio
• Benefícios
– Atividades humanas podem se beneficiar
• Desafios
– Devem ser pesquisados e solucionados
61

62. Conclusões: Porque Computação
Ubíqua?
• Teoria e prática Computação de mesa
– Tecnologias interessantes e
impactantes precisam de
aplicações e serviços Computação móvel Ambiente inteligente
interessantes e práticos
• O paradigma traz novos
Computação desagregada
desafios Computação invisível
– Tecnológicos e éticos
Realidade aumentada
• Desafio para o sucesso
– O projeto de aplicações e
Computação móvel
serviços para as novas
infraestruturas de Ubicomp = +
comunicação sem fio
Ambiente inteligente
62

63. Conclusões: Pesquisa@UFMG.br
Computação móvel/ubíqua Engenharia de software para
● ●
aplicações móveis
Computação ciente de
●
contexto Cloud computing
●
Sistemas distribuídos
●
63

64. Conclusões: Pesquisa@UFMG.br
Frameworks Web para Sistemas baseados em
● ●
aplicações ubíquas eventos
Contexto coletivo
●
64

65. Conclusões
Fim!
●
Contato
●
wpjr2@yahoo.com
●
Perguntas?
●
65

66. Referências
• Computação Ubíqua
– Disciplina da Pós-graduação em Ciência da Computação, UFMG, 2008
– Prof. Antonio A. F. Loureiro
• Mark Weiser
– quot;The Computer for the 21st Century,quot; Scientific American, pp. 94-10,
September 1991
• http://www.ubiq.com/hypertext/weiser/SciAmDraft3.html
– quot;Some Computer Science Problems in Ubiquitous Computing,quot;
Communications of the ACM, July 1993.
– quot;Hot Topics: Ubiquitous Computingquot; IEEE Computer, October 1993.
– quot;The world is not a desktopquot;. Interactions; January 1994; pp. 7-8.
• Context Aware Computing Applications
– Bill N. Schilit, Norman Adams, and Roy Want
66