Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Создание программного обеспечения для нательных компьютерных сетей и носимых систем. Учебное пособие.pdf
ЧАСТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
Медицинский университет «РЕАВИЗ»
А.Л. Золкин
СОЗДАНИЕ
ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ДЛЯ НАТЕЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ
И НОСИМЫХ СИСТЕМ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Самара
2024
УДК 004:519.72
ББК 16, 32.811.4
З 79
Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент кафедры
прикладной информатики, начальник управления по обеспечению
цифровой трансформации ФГАОУ ВО «Самарский государственный
экономический университет»
Д.Н. Франтасов;
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры информационных систем
и технологий, заместитель заведующего Научно-Исследовательской
Лаборатории Искусственного Интеллекта (НИЛ ИИ)
ФГБОУ ВО «Поволжский государственный
университет телекоммуникаций и информатики»
О.И. Захарова
Золкин, Александр Леонидович.
З 79 Создание программного обеспечения для нательных компьютерных
сетей и носимых систем: учебное пособие / А.Л. Золкин. – Самара: Медицинский университет «Реавиз», 2024. – 142 с. ; ил.
ISBN 978-5-907359-21-5
В учебном пособии изложены ключевые знания о технологиях, не-
обходимых для разработки программного обеспечения, адаптированного
к мобильным и носимым нательным устройствам. Внимание уделено
основным принципам проектирования и оптимизации подобных приложений, предоставляя студентам и разработчикам необходимые инструменты для успешной работы в сфере разработки для носимой техники.
Учебное пособие соответствует программе курса «Информатика.
Искусственный интеллект» по специальности 33.05.01 Фармация, профиль «Фармация», и курса «Основы алгоритмизации, мировые информационные ресурсы и медико-биологическая статистика» по специальности 31.05.01 Лечебное дело.
УДК 004:519.72
ББК 16, 32.811.4
ISBN 978-5-907359-21-5 © Медицинский университет Реавиз, 2024
© Золкин А.Л., 2024
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5
ГЛАВА 1. ОБЗОР РАЗВИТИЯ НОСИМЫХ СИСТЕМ И ИХ РОЛЬ
В СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ ..................................................................... 8
1.1. Значение программного обеспечения
в нательных компьютерных сетях ......................................................................... 8
1.2. Исторический обзор развития носимых систем ......................................... 12
1.3. Современные тенденции в области носимых устройств. Роль
носимых систем в цифровой трансформации .................................................... 15
ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗРАБОТКИ ........................... 18
2.1. Выбор технологического стека для носимых систем ................................. 18
2.2. Архитектурные решения при разработке программного обеспечения .... 20
2.3. Управление энергопотреблением и оптимизация
производительности .............................................................................................. 26
2.4. Работа с датчиками и взаимодействие с окружающей средой .................. 34
2.5. Интеграция с облачными сервисами в носимых приложениях ................ 34
2.6. Аспекты безопасности в технологическом контексте ................................ 44
ГЛАВА 3. ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ДЛЯ НОСИМЫХ
УСТРОЙСТВ ............................................................................................................. 52
3.1. Языки программирования и их роль в разработке
для носимых систем .............................................................................................. 52
3.2. Принципы объектно-ориентированного программирования
в контексте носимых технологий ........................................................................ 57
3.3. Обзор паттернов проектирования для эффективной разработки
приложений ............................................................................................................ 68
3.4. Многозадачность и управление потоками в носимых приложениях ....... 71
3.5. Оптимизация алгоритмов под ограниченные ресурсы носимых
устройств ................................................................................................................ 79
3.6. Работа с сенсорами и вводом данных в носимых приложениях ............... 81
3.7. Адаптация пользовательского интерфейса к маленьким экранам
и управлению сенсорами ...................................................................................... 85
3
ГЛАВА 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОГО
ИНТЕРФЕЙСА .......................................................................................................... 90
4.1. Особенности дизайна интерфейса для различных типов носимых
устройств (часы, очки, фитнес-трекеры) ............................................................ 90
4.2. Адаптация пользовательского опыта
к ограниченным размерам экрана ........................................................................ 96
4.3. Взаимодействие с пользователем через жесты
и голосовые команды ............................................................................................ 97
4.4. Работа с уведомлениями и многозадачность
в носимых приложениях ..................................................................................... 105
4.5. Применение принципов доступности в дизайне интерфейса .................. 109
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА КЛИЕНТ-СЕРВИСНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ
НАТЕЛЬНОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ СЕТИ (НА ПРИМЕРЕ watchOS) ............... 117
5.1. Определение требований к клиент-сервисной архитектуре .................... 117
5.1.1. Идентификация ключевых потребностей пользователей ................. 117
5.2. Проектирование пользовательского опыта ............................................... 117
5.3. Работа с данными и обеспечение их конфиденциальности ..................... 120
5.4. Разработка клиентских приложений .......................................................... 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 126
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .................................................................... 127
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Листинг типового клиент-серверного приложения
для нательной системы на Watch OS ..................................................................... 134
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Листинг типового клиент-серверного приложения
для нательной системы на Wear OS ...................................................................... 137
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Листинг организационной структуры типового
json-сообщения биометрической системы идентификации
нательной системы .................................................................................................. 140
4
ВВЕДЕНИЕ
Современные технологические тенденции наращивают потребность в ин-
тегрированных и эффективных решениях для носимых устройств и нательных
компьютерных сетей. Учебное пособие «Создание программного обеспечения
для нательных компьютерных сетей и носимых систем» представляет собой
ключевой ресурс, предназначенный для погружения в сферу разработки и оптимизации программного обеспечения, ориентированного на мобильные и носимые технологии.
Данное учебное пособие не только предоставляет обширный обзор эволюции носимых технологий и их воздействия на современное общество, но и
глубоко рассматривает технические аспекты разработки, включая выбор технологического стека, архитектурные решения, управление энергопотреблением и
безопасность.
Обучающиеся получат не только теоретические основы программирования для носимых устройств, но и ценные практические советы по проектированию пользовательского интерфейса, а также разработке клиент-сервисной организации нательной компьютерной сети. Посредством ясных объяснений, иллюстрированных практическими примерами и заданиями, пособие направлено
на формирование навыков, необходимых для успешной реализации и поддержки программного обеспечения в сфере носимых технологий.
«Создание программного обеспечения для нательных компьютерных сетей и носимых систем» представляет собой неотъемлемый ресурс для обучающихся, разработчиков и всех, кто стремится овладеть современными методиками и инструментами в области программирования для носимых устройств.
Проблематика данного учебного пособия центрирована вокруг необходимости эффективного освоения навыков разработки программного обеспечения
для нательных компьютерных сетей и носимых систем.
С учетом быстрого развития этой сферы технологий, разработчики и обучающиеся сталкиваются с вызовами, связанными с выбором оптимальных технологических решений, адаптацией к ограниченным ресурсам и созданием
удобных пользовательских интерфейсов.
Данная проблема связана с тем, что быстрое развитие нательных компьютерных сетей и носимых технологий создает значительные вызовы для разработчиков, обучающихся и профессионалов в области информационных технологий. Необходимость адаптации программного обеспечения к ограниченным
ресурсам, эффективное управление энергопотреблением, а также разработка
удобных и интуитивно понятных пользовательских интерфейсов представляют
собой сложные задачи.
5
На социально-педагогическом уровне актуальным становится вопрос о
доступности качественного образования в области носимых технологий. Разработчики и обучающиеся могут сталкиваться с ограниченным доступом к образовательным ресурсам, необходимым для эффективного освоения современных
методов программирования и проектирования для носимых устройств.
На научно-теоретическом уровне существует проблема между динамикой
развития носимых технологий и существующими теоретическими основами.
Стремительное развитие индустрии порождает необходимость в постоянном
обновлении научных концепций и теоретических подходов. Противоречие
между современностью технологий и устареванием научных моделей требует
постоянного исследования и актуализации теоретического базиса в области
разработки программного обеспечения для носимых систем.
Одной из основных технологий, используемых в разработке программного обеспечения для нательных компьютерных сетей и носимых систем, является технология «Интернет вещей» (IoT). Эта инновационная концепция предполагает взаимосвязь между физическими устройствами, оборудованными датчиками и программным обеспечением, с целью сбора, анализа и обмена данными.
Технология IoT обеспечивает средства для интеграции носимых
устройств в обширные сети, что позволяет им взаимодействовать с другими
устройствами и системами. Это включает в себя сбор данных о здоровье, физической активности, геолокации и других параметрах, а также предоставляет
возможности для удаленного управления и мониторинга.Применение технологии IoT в разработке подобных программных продуктов открывает перспективы для создания интеллектуальных и удобных в использовании носимых
устройств, что в свою очередь способствует более эффективному взаимодействию человека с технологическим окружением.
Целью данного учебного пособия является предоставление обучающимся, разработчикам и всем заинтересованным лицам систематизированного и
всестороннего подхода к созданию программного обеспечения для нательных
компьютерных сетей и носимых систем. Пособие нацелено на усвоение основных аспектов технологий, языков программирования и принципов разработки,
специфичных для носимых устройств.
Основное внимание уделяется не только теоретическим аспектам, но и
практическим навыкам, необходимым для эффективной разработки приложений,
оптимизированных под ограниченные ресурсы носимых устройств. Пособие также охватывает вопросы проектирования удобных пользовательских интерфейсов,
учитывая особенности взаимодействия с различными типами носимых устройств.
Кроме того, пособие стремится предоставить обучающимся понимание
клиент-сервисной организации, включая архитектурные аспекты и взаимодей-
6
ствие между носимыми устройствами и облачными сервисами. Научнотеоретический уровень материала направлен на решение проблем, возникающих из-за динамичного развития носимых технологий, с целью обеспечения
читателей актуальной и полезной информацией в этой области.
В данном учебном пособии поставлены следующие задачи:
– исследование технологических аспектов создания программного обеспечения для нательных компьютерных сетей и носимых систем;
– анализ исторического развития носимых технологий с акцентом на их
влияние на программную индустрию;
– выбор оптимального технологического стека для разработки приложений, ориентированных на носимые устройства;
– разработка эффективных архитектурных решений при создании программного обеспечения для нательных компьютерных сетей;
– управление энергопотреблением и оптимизация производительности
приложений для носимых систем;
– исследование взаимодействия с окружающей средой через работу с датчиками в носимых устройствах;
– интеграция программного обеспечения с облачными сервисами в контексте нательных компьютерных сетей;
– обеспечение аспектов безопасности в технологическом контексте разработки для носимых систем;
– тестирование и отладка программного обеспечения, адаптированного к
носимым технологиям;
– разработка пользовательского интерфейса с учетом особенностей взаимодействия с маленькими экранами и ограниченными интерфейсами носимых
устройств;
– создание практических примеров приложений для носимых систем;
– анализ и оптимизация кода на практике с учетом специфики носимых
технологий;
– изучение тенденций развития носимых технологий и их воздействия на
программное обеспечение;
– рассмотрение инноваций в области носимых устройств и их влияния на
будущее разработки программного обеспечения;
– подведение итогов и выделение перспектив использования нательных
компьютерных сетей в современных технологиях.
7
ГЛАВА 1. ОБЗОР РАЗВИТИЯ НОСИМЫХ СИСТЕМ И ИХ РОЛЬ
В СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
1.1. Значение программного обеспечения
в нательных компьютерных сетях
Носимые системы представляют собой важный сегмент современных
технологий, прочно влияющий на нашу повседневную жизнь. Они охватывают
разнообразные устройства, начиная от умных часов и фитнес-трекеров до
AR-очков и медицинских девайсов. В данной главе проводится детальный обзор этапов развития носимых систем, подчеркивая их эволюцию от простых
устройств до интеллектуальных компаньонов [4].
Программное обеспечение играет ключевую роль в функциональности
носимых систем, определяя их возможности и эффективность:
– анализируется значимость программного обеспечения в контексте
нательных компьютерных сетей, включая его влияние на производительность,
взаимодействие с окружающей средой, и обеспечение безопасности пользователей;
– рассматриваются основные технологические аспекты, которые разработчики должны учитывать при создании программного обеспечения для носимых систем.
В частности, речь идет о выборе технологического стека, архитектурных
решениях, управлении энергопотреблением и интеграции с облачными сервисами. Эти вопросы рассматриваются с учетом специфики носимых технологий
и их взаимодействия с пользователем [11].
Процесс развития носимых систем тесно связан с постоянным усовершенствованием программных решений. От простых задач мониторинга активности и здоровья до более сложных сценариев, таких как взаимодействие с
окружающей средой и обработка данных от датчиков, программное обеспечение становится ключевым элементом, формирующим пользовательский опыт.
В нательных компьютерных сетях, где устройства взаимодействуют в мобильном режиме и оперируют в различных средах, программное обеспечение
приобретает особое значение. Оно становится ключевым элементом, обеспечивающим гибкость, мобильность и безопасность сетевых операций [12].
Операционные системы, спроектированные для нательных сетей, предоставляют средства управления ресурсами и поддержки сетевых протоколов в
условиях переменной доступности к сети. Это важно для обеспечения беспере-
8
бойной работы устройств в различных сценариях, например, при переходе
между беспроводными точками доступа или в отсутствии постоянного соединения.
Сетевое программное обеспечение в нательных сетях играет ключевую
роль в обеспечении мобильной связности и эффективной маршрутизации данных. Такие сетевые решения должны быть способными адаптироваться к изменяющимся условиям, оптимизировать передачу данных и обеспечивать безопасность в условиях открытых и ненадежных сред.
Прикладное программное обеспечение в таких сетях поддерживает мобильные приложения и сервисы, обеспечивая пользовательский опыт в различных местах и условиях. Это включает в себя приложения для коммуникации,
работы с данными и использования ресурсов сети.
Безопасность в нательных сетях становится еще более критической, и
программное обеспечение для обеспечения защиты от угроз и управления безопасностью становится неотъемлемой частью инфраструктуры. Это включает в
себя механизмы шифрования, средства аутентификации и средства мониторинга безопасности.
Таким образом, в нательных компьютерных сетях программное обеспечение играет решающую роль, обеспечивая адаптивность, мобильность и безопасность, что является ключевым для эффективного функционирования в
условиях переменных сетевых сценариев.
Важным аспектом обзора является также рассмотрение роли программного обеспечения в создании клиент-сервисной организации нательных компьютерных сетей [17].
Это включает в себя аспекты взаимодействия между носимыми устройствами и облачными сервисами, что открывает новые горизонты для функциональности и совместимости систем.
В контексте нательных компьютерных сетей (или мобильных сетей) программное обеспечение имеет целый ряд особенностей, учитывающих мобильность устройств и изменчивость условий сетевого взаимодействия [1].
Программное обеспечение в нательных сетях включает механизмы
управления мобильностью, обеспечивая эффективное переключение устройств
между различными точками доступа или сетевыми средами. Эти механизмы
включают протоколы регистрации и решения проблем рукавичек (handoff),
обеспечивая бесперебойную передачу данных при изменении условий подключения.
9
Рис. 1.1. Пример проекта нательной микропроцессорной системы
В нательных сетях используются специальные протоколы передачи данных, адаптированные под ограниченную пропускную способность и ненадежность беспроводных каналов. Программное обеспечение включает в себя оптимизированные версии протоколов TCP/IP, способные работать в условиях переменного качества сигнала, обеспечивая стабильную передачу данных.
Безопасность в нательных сетях требует специальных мер, учитывая открытость сред и повышенный риск атак. Программное обеспечение включает
средства шифрования данных, механизмы аутентификации устройств и пользователей, а также инструменты мониторинга безопасности для обнаружения и
предотвращения потенциальных угроз. В условиях нательных сетей важна оптимизация использования ресурсов, таких как энергия и пропускная способность. Программное обеспечение включает механизмы для эффективного
управления энергопотреблением устройств и оптимизации передачи данных с
целью минимизации нагрузки на сеть.
Программное обеспечение в нательных сетях может включать сервисы
геопозиционирования, что особенно важно для приложений, зависящих от местоположения.
Например, изображенный на рисунке 1.2 сервис геолокации IndoorAtlas
предлагает магазинам создать карту своей поверхности, чтобы покупатели могли найти то, что ищут.
10