移動終端用戶界面框架的研究

王云澤，李一哲，郭 琳

（1.昆明理工大學(xué) 津橋?qū)W院計算機科學(xué)及電子信息工程系，云南 昆明650106；2.昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院，云南 昆明650093）

0 引 言

計算機發(fā)展初期，計算機主要用于科學(xué)計算，當(dāng)時用戶不關(guān)心界面方面的細(xì)節(jié)。隨著計算機的發(fā)展和普及，人們對人機交互的要求越來越高。當(dāng)前通用計算機的人機交互主要采用圖形用戶界面 （graphical user interface，GUI）。近年來，隨著移動通訊高速發(fā)展，移動終端設(shè)備的利益豐富，移動應(yīng)用軟件開發(fā)需求日益增長，用戶對界面的要求越來越高，更加凸顯圖形用戶界面在移動通訊終端中的重要地位。從用戶的觀點來看，圖形用戶界面是系統(tǒng)的一個重要的評價指標(biāo)，因為用戶通過圖形用戶界面與系統(tǒng)進(jìn)行交互。

移動終端設(shè)備與傳統(tǒng)臺式個人計算機存在較大差別，差別主要體現(xiàn)在人機交互以及設(shè)備處理能力等方面。移動終端雖然種類繁多，但從技術(shù)發(fā)展的角度講，由于移動終端的便攜性、位置的不固定性和計算能力的有限性等諸多因素的限制，因此對移動設(shè)備的用戶界面要求就表現(xiàn)在較快速的用戶界面響應(yīng)以及相對簡單的人機交互界面等。

鑒于移動設(shè)備通訊速度慢、通訊延遲情況明顯等特點，桌面界面技術(shù)對移動終端的不適用性以及現(xiàn)有的移動界面技術(shù)的局限性，本文提出了一種新的適用于移動終端的基于可擴展標(biāo)識語言的 （extensible markup language，XML）用戶界面應(yīng)用框架。

1 移動終端對用戶界面的要求

出于對移動終端系統(tǒng)中資源受限性的考慮，移動終端的GUI平臺有以下方面的要求［1］：

（1）可定制性：移動終端本身是一個嵌入式系統(tǒng)，根據(jù)目標(biāo)市場的定位不同，商業(yè)化的需求不同，就會有不同的設(shè)計方案。有的系統(tǒng)需要完備的GUI以及高質(zhì)量的圖形支持，有的系統(tǒng)只要求部分的圖形功能，因此，GUI必須具有模塊化的設(shè)計?？啥ㄖ剖菍χ悄芤苿咏K端系統(tǒng)GUI的基本要求。

（2）占用內(nèi)存?。阂苿咏K端系統(tǒng)不像一般桌面系統(tǒng)有很大的硬盤和內(nèi)存，一般只是小容量的內(nèi)存系統(tǒng)，這就要求移動式圖形用戶界面系統(tǒng)不能像桌面圖形用戶界面系統(tǒng)那樣占用龐大的內(nèi)存。

（3）提供簡單、方便的GUI用戶程序開發(fā)接口：這個要求和桌面GUI的要求相似，要提供完善的圖形接口進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)。

（4）快捷的界面與易操作性：受到成本、能耗以及移動性的限制，移動終端往往計算能力較差，存儲容量較??；顯示屏幕小，分辨率低；接口欠缺，無法連接豐富的外圍輸入輸出設(shè)備，因此移動終端界面應(yīng)具有可用性、靈活性、可靠性、快捷性和易操作性。

2 現(xiàn)有移動終端技術(shù)及其局限性

2.1 WAP技術(shù)

1997年6月，PHONE COM與Nokia，Ericsson.Motorola合作建立了 WAP （wireless application protocol，無線通訊協(xié)議）論壇，目的就是為在移動通信中使用Internet制定統(tǒng)一的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。WAP是在數(shù)字移動電話、因特網(wǎng)或其他個人數(shù)字助理機、計算機應(yīng)用之間進(jìn)行通訊的開放全球標(biāo)準(zhǔn)［2］。

WAP技術(shù)照搬了Internet上用瀏覽器瀏覽網(wǎng)頁的模式，使用的是瀏覽器－服務(wù)器 （browser－server，B／S）方式，WAP手機只能作為一個顯示終端，而不是一個計算終端，所有的計算發(fā)生在服務(wù)器端，計算結(jié)果要通過網(wǎng)絡(luò)傳送到手機端來顯示，因此這種模式只適用于移動設(shè)備與服務(wù)器間簡單交互，而對一些復(fù)雜的服務(wù)，則會出現(xiàn)響應(yīng)速度低、不能對網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源智能化利用等缺點［3］。這樣就加大了服務(wù)器的工作量，響應(yīng)速度和執(zhí)行效率較低。

2.2 J2ME技術(shù)

J2ME專門為那些使用有限的電源、有限的網(wǎng)絡(luò)連接以及有限圖形用戶界面能力的設(shè)備開發(fā)的，滿足了消費電子和嵌入式設(shè)備開發(fā)的需要［4］。

J2ME技術(shù)采用了客戶－服務(wù)器模式 （client－server，C／S）模式。雖然C／S模式可以克服一些B／S模式固有的缺點，但是對于界面應(yīng)用系統(tǒng)還不是很適用。J2ME技術(shù)中，客戶端用戶界面設(shè)計過程中，所有用戶界面都是在客戶端程序中事先設(shè)計好的，比如程序啟動后進(jìn)入界面A，在界面A進(jìn)行操作后，進(jìn)入下一界面B，用戶界面的內(nèi)容和界面之間的訪問順序是固定的。這不利于實現(xiàn)系統(tǒng)用戶界面的定制和功能定制。一旦客戶端程序編碼完成，而新的系統(tǒng)用戶希望實現(xiàn)不同的界面和功能時，就必須對原客戶端程序進(jìn)行重新設(shè)計。這樣增加了開發(fā)難度，并且可定制性較差。

3 SyncML技術(shù)與Sync4j

SyncML （synchronization markup language）是一種行業(yè)通用的移動數(shù)據(jù)同步協(xié)議。SyncML使得在不同的設(shè)備上 （掌上電腦、移動電話、自動計算機和桌面PC）同步網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)成為可能，用戶可以通過手持設(shè)備和移動電話閱讀電子郵件并可以對已讀的信息進(jìn)行更新、修改和維護(hù)［5］。

在SyncML協(xié)議的模型中，通常有兩種角色：客戶端和服務(wù)器。客戶端發(fā)送同步消息 （內(nèi)有同步命令，數(shù)據(jù)和源信息）給服務(wù)器，服務(wù)器響應(yīng)，同步處理后將改動返回給客戶端。

SyncML客戶端：含有客戶端代理，一般首先發(fā)送改動請求給服務(wù)器。同時必須能接受服務(wù)器端響應(yīng)。在有些情況下，例如其他的客戶端發(fā)起了同步后，此時服務(wù)器也會首先發(fā)起同步。

SyncML服務(wù)器：當(dāng)收到客戶端的同步請求后負(fù)責(zé)處理同步分析，內(nèi)有同步引擎，服務(wù)端代理。根據(jù)協(xié)議的實現(xiàn)要求，也能首先發(fā)起同步。

Sync4j是一個開放源代碼工程，它是使用Java語言建立的一個基于客戶端和服務(wù)器的SyncML協(xié)議的應(yīng)用框架。Sync4j是一個同步引擎，它包括一系列的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)操作的工具，隱藏了數(shù)據(jù)鑒定、安全認(rèn)證和設(shè)備配置等一些復(fù)雜的操作，使它可以更加便捷的交換數(shù)據(jù)。另外，它還可以在實體之間傳輸經(jīng)優(yōu)化的數(shù)據(jù)［6－7］。

Sync4j Java API J2ME有兩個主要的模塊組成：Data Synchronization（數(shù)據(jù)同步）和Device Management（設(shè)備管理）。它們的層次結(jié)構(gòu)如圖1所示，Device Management層 （設(shè)備管理）負(fù)責(zé)設(shè)備和應(yīng)用程序的配置和管理，Data Synchronization層 （數(shù)據(jù)同步）負(fù)責(zé)SyncML協(xié)議和數(shù)據(jù)同步過程。

圖1 Sync4j Java API體系結(jié)構(gòu)

Host Application可以通過兩個模塊訪問同步服務(wù)器［7］：當(dāng)同步執(zhí)行時可以通過Sync Manager訪問；當(dāng)讀取、操作和改寫配置信息時可以通過Device Manager訪問。Sync Source是Host Application中的一個模塊，它是一組被Sync Manager調(diào)用的用來與數(shù)據(jù)源結(jié)合的返回函數(shù)。

4 移動終端用戶界面應(yīng)用框架設(shè)計

鑒于上述移動終端對圖形用戶界面的總體要求以及現(xiàn)有移動終端界面技術(shù)的局限性，本文提出了一種新的基于XML的移動終端用戶界面應(yīng)用框架。該框架由服務(wù)器和移動終端兩部分構(gòu)成，如圖2所示。服務(wù)器端存儲了界面定義和數(shù)據(jù)定義的XML文檔、服務(wù)器端的應(yīng)用數(shù)據(jù)以及Sync4j的服務(wù)器端。移動終端存儲了移動應(yīng)用、從服務(wù)器端下載得到的界面定義和數(shù)據(jù)定義的XML文檔、移動終端的應(yīng)用數(shù)據(jù)和Sync4j客戶端。其中移動應(yīng)用包含4個功能：XML解析、界面繪制、數(shù)據(jù)綁定和界面動作定義。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

程序運行時，界面定義和數(shù)據(jù)定義的XML文檔由服務(wù)器下載到移動終端進(jìn)行存儲，下載完成之后斷開服務(wù)器與移動終端的網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)行移動終端的相關(guān)操作。在移動終端對界面定義XML文檔進(jìn)行解析操作。當(dāng)界面定義文檔解析完成之后進(jìn)行界面元素初始化，并將解析出的界面元素一一繪制到移動終端進(jìn)行顯示；同時還要將數(shù)據(jù)定義XML文檔進(jìn)行解析，根據(jù)該文檔結(jié)構(gòu)以及標(biāo)簽的屬性自動生成移動終端和服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)，并將解析出的標(biāo)簽屬性值分別根據(jù)移動終端和服務(wù)器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)添加到各自的數(shù)據(jù)庫中，這樣既完成了移動終端和服務(wù)器端的數(shù)據(jù)持久化存儲，又可以保證服務(wù)器和移動終端表結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)的一致性。

界面繪制時需要將數(shù)據(jù)從移動終端數(shù)據(jù)庫中讀取出來，與要繪制的界面元素進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)綁定，即將移動終端數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)值映射到界面定義的相應(yīng)界面組件中，從而使用戶與移動終端可以進(jìn)行各種交互操作。當(dāng)程序運行過程中用戶對界面數(shù)據(jù)進(jìn)行了修改或重新賦值后，則將這些修改后的數(shù)據(jù)重新寫回到移動終端的數(shù)據(jù)庫中。最后利用Sync4j同步引擎實現(xiàn)移動終端和服務(wù)器的數(shù)據(jù)同步。

5 移動終端數(shù)據(jù)持久化存儲

在移動設(shè)備中對數(shù)據(jù)持久化保存使用的是記錄管理系統(tǒng) （record management system，RMS），它可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、讀取、排序和查詢等操作［8］。

它是一種持久存儲機制，在手機中有一個用于存儲對象狀態(tài)的固定空間。RMS是一個文本格式的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，提供記錄存儲和記錄。記錄存儲是一個包含了記錄集的文件，等同于數(shù)據(jù)庫中的表，而記錄存儲中的每個條目稱為記錄，是一個字節(jié)數(shù)組［9］。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)定義XML文檔存儲在服務(wù)器端，當(dāng)程序運行時通過網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器端下載到移動終端進(jìn)行解析后，將解析的結(jié)果按照元素的層次結(jié)構(gòu)自動生成移動終端的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)并進(jìn)行移動終端數(shù)據(jù)的持久化存儲。

進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定操作時可以從記錄管理系統(tǒng)中讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，當(dāng)程序運行時對數(shù)據(jù)進(jìn)行了修改操作后還要將數(shù)據(jù)寫回到記錄管理系統(tǒng)中。由于移動終端數(shù)據(jù)的持久化存儲，無論網(wǎng)絡(luò)連接與否，都可以在移動終端對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的離線瀏覽及操作。

6 用戶界面動態(tài)繪制

移動終端用戶界面應(yīng)用框架實現(xiàn)了界面元素動態(tài)繪制以及用戶界面的定制。界面定義和數(shù)據(jù)定義的XML文檔設(shè)計完成之后存儲在服務(wù)器端。當(dāng)程序運行時通過網(wǎng)絡(luò)將界面定義和數(shù)據(jù)定義的XML文檔下載到移動終端進(jìn)行解析，界面XML的解析與界面元素的繪制同步進(jìn)行。在繪制界面的同時還需將界面元素與之相對應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綁定，這些數(shù)據(jù)從移動終端的記錄管理系統(tǒng)中讀取出并賦值給界面元素組件，然后一并呈現(xiàn)到移動設(shè)備進(jìn)行顯示。

6.1 界面定義的 XML描述［10－11］

6.2 數(shù)據(jù)定義的XML描述

Record標(biāo)簽中包含了多個屬性，其中id屬性表示記錄的序號，其余的如 “address”和 “quantity”屬性對應(yīng)記錄的字段名，而屬性值對應(yīng)字段值。

6.3 數(shù)據(jù)綁定的實現(xiàn)

在進(jìn)行界面XML文檔解析過程中，遇到界面元素的“value”屬性時將屬性值讀取出來，根據(jù)屬性值的結(jié)果定位到對應(yīng)的記錄和此記錄的相應(yīng)字段，從移動終端的數(shù)據(jù)庫中提取出對應(yīng)的字段值即可。例如，在界面中有如下定義：

＜TextField name＝"請輸入訂貨數(shù)量"value＝"［record1.quantity］"／＞

當(dāng)解析到TextField標(biāo)簽時，依次讀取其name屬性和value屬性，當(dāng)讀到value屬性時，讀取屬性值為［record1.quantity］，［］標(biāo)識其值為一個變量。首先讀出record1，這時根據(jù)數(shù)據(jù)定義中的每個 “Record”標(biāo)簽的“id”屬性找到對應(yīng)的記錄，例如record1→id＝1，定位到“id”屬性值為1的記錄，我們暫且稱第一條記錄；接著讀取出 ［］中的quantity，代表需要找到此記錄的 “quantity”屬性，這時定位到第一條記錄的 “quantity”屬性，然后從移動終端的數(shù)據(jù)庫中取出 “quantity”屬性的值為 “1230”，賦給TextField標(biāo)簽的value屬性，即value＝1230。其過程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)綁定

由于數(shù)據(jù)綁定對XML文檔細(xì)節(jié)進(jìn)行了抽象，因此可以減少內(nèi)存開銷。數(shù)據(jù)綁定方法不用遍歷XML文檔結(jié)構(gòu)以獲取數(shù)據(jù)，訪問程序內(nèi)的數(shù)據(jù)速度較快。一些特殊的數(shù)據(jù)輸入后可以被轉(zhuǎn)換成內(nèi)部表示而不用保留文本形式。從XML文檔解析到綁定不需要復(fù)雜的實現(xiàn)手法，但卻提供了更加簡單和靈活的解決方案。

7 依據(jù)數(shù)據(jù)定義自動生成表結(jié)構(gòu)

我們熟知的數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建方法均是由用戶事先根據(jù)自己的需求進(jìn)行數(shù)據(jù)庫表的結(jié)構(gòu)及內(nèi)容的定義，定義完成后將數(shù)據(jù)填寫到對應(yīng)的字段中即可。

本文提出了根據(jù)數(shù)據(jù)定義XML文檔自動生成移動終端和服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)。由于兩端表結(jié)構(gòu)都來源于數(shù)據(jù)定義，因此這兩端的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)可以自動的保持一致。此外，如果對數(shù)據(jù)定義的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容進(jìn)行了修改，移動終端和服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)及對應(yīng)數(shù)據(jù)同時進(jìn)行相應(yīng)的修改，從而能夠有效提高移動應(yīng)用的軟件開發(fā)效率與質(zhì)量［12－13］。

數(shù)據(jù)庫表的創(chuàng)建及其存儲結(jié)構(gòu)是根據(jù)數(shù)據(jù)定義XML文檔元素的層次結(jié)構(gòu)和解析內(nèi)容所確定的。如有以下的數(shù)據(jù)定義的描述：

在此XML文檔中Record標(biāo)簽的屬性映射為關(guān)系數(shù)據(jù)庫表的列，分別為id、address、company、contact、quantity和schedule，行則用于指示一條完整的數(shù)據(jù)記錄，即記錄的數(shù)目映射為關(guān)系數(shù)據(jù)庫表的行，假設(shè)有3條記錄，數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)如圖4所示。通過解析得到的各屬性值插入到圖4標(biāo)識的表對應(yīng)的字段中，既完成了自動創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)又對數(shù)據(jù)進(jìn)行了持久化存儲。數(shù)據(jù)庫表創(chuàng)建過程如圖5所示。

圖4 服務(wù)器端關(guān)系數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)

圖5 自動生成關(guān)系數(shù)據(jù)庫表的流程

8 移動終端和服務(wù)器數(shù)據(jù)同步

系統(tǒng)運行過程中對移動終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行了修改，需將修改后的數(shù)據(jù)存儲到移動終端數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)用戶發(fā)起同步請求后，就可以將移動終端修改的數(shù)據(jù)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步復(fù)制。反之亦然。

只有用戶要求同步時才將移動終端與服務(wù)器建立連接，而且必須等到同步完成后才能斷開連接。另外系統(tǒng)只是將移動終端數(shù)據(jù)庫中自從上次數(shù)據(jù)同步以后發(fā)生的更新操作復(fù)制到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，從而使得兩個數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)保持一致，即只對變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步操作。數(shù)據(jù)同步執(zhí)行時要做的主要工作［14］：

（1）同步初始化：同步引擎準(zhǔn)備開始一個新的同步會話，在同步開始前對移動終端和服務(wù)器進(jìn)行正確配置，使它們之間可以相互通信。服務(wù)器接收到移動終端的同步請求后，對這個請求進(jìn)行分析后返回移動終端一個或接受或拒絕的信息。

（2）客戶端修改檢測：在這里有兩種可能性：執(zhí)行快同步時，Sync Manager在已經(jīng)注冊的Sync Sources中只返回上次同步改變的記錄；而執(zhí)行慢同步時，Sync Manager要返回數(shù)據(jù)存儲中所有的記錄［15］。由于本系統(tǒng)只同步修改了的數(shù)據(jù)，因此執(zhí)行的是快同步操作。

（3）SyncML與服務(wù)器同步：在這個階段通過SyncML協(xié)議保證交換數(shù)據(jù)庫修改信息的正確執(zhí)行。

（4）服務(wù)器修改執(zhí)行：在這個階段服務(wù)器的修改信息必須應(yīng)用到移動終端數(shù)據(jù)存儲。

服務(wù)器和移動終端的數(shù)據(jù)同步過程如圖6所示。

9 實驗結(jié)果

9.1 界面動態(tài)繪制的運行結(jié)果

圖6 數(shù)據(jù)同步過程

選擇 “輸入數(shù)據(jù)”選項，進(jìn)入數(shù)據(jù)輸入界面，如圖7所示，公司名稱、公司地址和公司負(fù)責(zé)人等均采用了數(shù)值綁定技術(shù)，這些值均取自移動終端的記錄管理系統(tǒng)。

圖7 界面動態(tài)繪制

9.2 數(shù)據(jù)同步運行結(jié)果

用戶在訂單數(shù)量框中輸入數(shù)值之后，選擇 “保存數(shù)據(jù)”，這時數(shù)據(jù)在移動終端進(jìn)行持久化存儲；選擇菜單選項中的 “同步”，建立移動終端和服務(wù)器的連接，從而可以進(jìn)行數(shù)據(jù)同步操作。數(shù)據(jù)同步發(fā)起及同步結(jié)果如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)同步

10 結(jié)束語

本文構(gòu)建的移動終端用戶界面應(yīng)用框架能夠很好地適應(yīng)移動設(shè)備的特性。運行時界面的動態(tài)繪制滿足了用戶界面的靈活性與可定制性；由于使用了界面元素與相應(yīng)數(shù)據(jù)的綁定技術(shù)，因此不用遍歷XML文檔結(jié)構(gòu)以獲取數(shù)據(jù)，減少了內(nèi)存開銷，提高了執(zhí)行速度；移動終端數(shù)據(jù)持久化存儲可以在網(wǎng)絡(luò)斷開的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)的操作，不僅可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的離線瀏覽，而且減輕了服務(wù)器的工作量；移動終端和服務(wù)器數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)的自動生成，確保了兩端數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)的一致性，從而能夠有效提高移動應(yīng)用軟件開發(fā)效率與質(zhì)量；利用Sync4j同步引擎實現(xiàn)了移動終端和服務(wù)器的數(shù)據(jù)同步，并且只同步變化的數(shù)據(jù)，可以有效地節(jié)省資源、提高速度。

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