基于Android平臺(tái)的智慧校園系統(tǒng)的研究

張 爍，張 榮

（1.山西青年職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030024 2.山西醫(yī)科大學(xué)，山西 太原 030001）

1 引言

近些年來，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和智能移動(dòng)終端的迅猛發(fā)展[1]，人們對(duì)計(jì)算方式發(fā)生了翻天覆地的變化。從原來的用戶主動(dòng)獲取傳統(tǒng)PC 機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)展到用戶迫切希望通過智能移動(dòng)設(shè)備被動(dòng)的獲取自己想要的數(shù)據(jù)和服務(wù)。在這一系列的變化中，人們已經(jīng)從個(gè)人計(jì)算時(shí)代[2]進(jìn)入普適計(jì)算的時(shí)代[3]。普適計(jì)算機(jī)強(qiáng)調(diào)未來的計(jì)算應(yīng)該面向更加智能的方向發(fā)展，使人們在使用計(jì)算設(shè)備時(shí)不需關(guān)心計(jì)算設(shè)備本身，而是像“空氣”一樣獲得想要的數(shù)據(jù)和服務(wù)。

情景感知技術(shù)（Context-aware）源于普適計(jì)算研究[4]，它是通過計(jì)算機(jī)設(shè)備、移動(dòng)計(jì)算設(shè)備、可穿戴設(shè)備等設(shè)備中的傳感器獲得當(dāng)前環(huán)境中的數(shù)據(jù)，并通過智能移動(dòng)設(shè)備對(duì)情景信息進(jìn)行處理，為用戶提供可靠、高效的自主服務(wù)[5]。智慧校園（Smart Campus）是以物聯(lián)網(wǎng)為依托的智慧化校園，將教學(xué)、管理、科研、校園生活融為一體，利用情景感知技術(shù)為用戶提供透明化的服務(wù)[6]。

目前，智慧校園的情景感知技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注，但是對(duì)基于Android 平臺(tái)的智慧校園系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)很少。本文實(shí)現(xiàn)了基于Android 平臺(tái)的智慧校園情景感知模型、情景推理技術(shù)、提供情景感知服務(wù)技術(shù)。

2 智慧校園情景感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

智慧校園情景感知系統(tǒng)服務(wù)框架主要包括信息采集層、情景推理層、服務(wù)選擇層和服務(wù)推送層。情景感知服務(wù)體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 情景感知服務(wù)體系結(jié)構(gòu)

信息采集層主要負(fù)責(zé)對(duì)用戶在智慧校園環(huán)境中的原始信息采集工作。比如，時(shí)間信息、用戶所在的地理位置信息、用戶目前的活動(dòng)狀態(tài)等。通過智能移動(dòng)設(shè)備中的傳感器（如GPS、陀螺儀、加速感應(yīng)器、距離感應(yīng)器、氣壓計(jì)、光傳感器等）采集用戶環(huán)境信息，對(duì)環(huán)境信息數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，為情景推理層提供可識(shí)別數(shù)據(jù)。

情景推理層由情景信息預(yù)處理和情景感知推理兩部分構(gòu)成，是整個(gè)情景感知系統(tǒng)的核心。情景信息預(yù)處理主要負(fù)責(zé)將信息采集層的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，將原始的數(shù)值信息變?yōu)榍榫靶畔ⅲǔ橄笮畔ⅲ?，例如通過信息采集層所獲得的當(dāng)前時(shí)間信息為一個(gè)具體的數(shù)值，通過信息預(yù)處理層后變?yōu)椤吧衔纭薄ⅰ爸形纭?、“下午”等抽象信息，為情景感知推理提供?shù)據(jù)支持。情景感知推理主要負(fù)責(zé)通過情景信息（抽象信息）進(jìn)行推理工作，得到用戶目前的活動(dòng)狀態(tài)。本部分主要由情景推理模塊、用戶信息模塊、服務(wù)信息模塊這三部分構(gòu)成。其中情景推理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)情景信息預(yù)處理提供的情景信息（抽象信息）進(jìn)行推理，例如情景推理模塊獲得用戶當(dāng)前時(shí)間為“上午”，用戶的當(dāng)前位置為“教室”，此“教室”的教師電腦狀態(tài)為“開”，可推斷出此用戶正在“上課”。用戶信息模塊主要存儲(chǔ)用戶的個(gè)性化信息。服務(wù)信息模塊主要存儲(chǔ)可提供服務(wù)的信息。本層所有的模塊協(xié)同工作，最后將情景推理結(jié)果和服務(wù)信息提供給服務(wù)選擇層，為服務(wù)選擇層的功能實(shí)現(xiàn)提供依托。

服務(wù)選擇層主要根據(jù)用戶的情景推理結(jié)果與用戶的個(gè)性化信息（用戶的計(jì)劃、日程等）相對(duì)比，如果不匹配則對(duì)用戶進(jìn)行提醒，如果匹配則將提供服務(wù)信息發(fā)送到服務(wù)推送層為用戶提供服務(wù)做準(zhǔn)備，例如，根據(jù)用戶的情景信息推理出此用戶正在“上課”，又根據(jù)用戶的個(gè)性化信息得到此用戶的確應(yīng)該“上課”，此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)為用戶提供相應(yīng)服務(wù)（如提供課程資料、課程教師信息等）。又如根據(jù)用戶的情景信息推理出用戶正在“睡覺”，但根據(jù)用戶的個(gè)性化信息等到此用戶應(yīng)該在“上課”，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)為用戶發(fā)出“上課”提醒。

服務(wù)推送層主要是為用戶提供合適的服務(wù)，為用戶提供服務(wù)的方式主要有兩種，分為主動(dòng)查詢和被動(dòng)推送。主動(dòng)查詢是指用戶可以主動(dòng)地與系統(tǒng)進(jìn)行交互，系統(tǒng)為用戶提供所需服務(wù)；被動(dòng)推送是指系統(tǒng)根據(jù)用戶的情景推理結(jié)果，在用戶不知情的情況下，根據(jù)系統(tǒng)判斷自動(dòng)的為用戶提供實(shí)時(shí)服務(wù)。

3 智慧校園情景感知系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

3.1 信息捕獲

在智慧校園情景中，主要通過智能移動(dòng)設(shè)備中的傳感器采集情景信息，如WIFI 模塊可以提供網(wǎng)絡(luò)支持和輔助采集用戶室內(nèi)位置信息、GPS 模塊采集用戶室外位置信息、加速感應(yīng)器采集用戶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)信息等。將采集的數(shù)據(jù)信息封裝成情景推理層可識(shí)別的數(shù)據(jù)格式為情景信息預(yù)處理做準(zhǔn)備。見表1為采集信息原始數(shù)據(jù)表。其中，ID 為當(dāng)前用戶ID、Time 為當(dāng)前時(shí)間、Location 為位置信息、Gyroscope為采集到陀螺儀數(shù)據(jù)信息、Accelerometer 為采集到的加速感應(yīng)器信息等。

表1 采集信息原始數(shù)據(jù)表

3.2 情景推理

情景推理是指通過移動(dòng)智能設(shè)備中的傳感器獲取的用戶信息推斷出用戶目前的活動(dòng)狀態(tài)。例如，一個(gè)用戶在教室里，當(dāng)前時(shí)間為上課時(shí)間，教室中的投影儀狀態(tài)為開，那么可以推斷出此用戶的狀態(tài)為學(xué)生正在上課（例1）。用 IF-THEN 理論將例 1信息可以歸納如下。

通過IF-THEN 理論，將情景感知推理相關(guān)理論改進(jìn)如下。

定義1 在情景推理中，將抽象對(duì)象所在的情景定義為一個(gè)三元組:

CV=，其中，各元組的定義如下:

（1）Object 是指抽象對(duì)象，是對(duì)具體事物的抽象。

（2）Context 是指情景信息。一般來說，一個(gè)抽象對(duì)象可能包含多個(gè)情景信息。

情景信息集合為:C ontext= {cxt1,cxt2,……,cxtn}，其中 n≥1。

（3）Value是指情景信息值的集合。其中Value= {v1,v2,……,vn}，其中 n≥1。

例1 使用定義1 表述如下:

Object=User

Context= {Classroom,Projector,Time}

Value= {mull,Open,Classtime}

其中，User表示用戶；Classroom、Projector、Time分別表示教室、投影儀、時(shí)間；它們所對(duì)應(yīng)的值mull,Open,Classtime分別表示空、開、上課時(shí)間。

定義2 在情景推理中，對(duì)象與對(duì)象之間的關(guān)系可表示為一個(gè)三元組:

CR=，其中，各元組的定義如下:

（1）Object 是指抽象對(duì)象，是對(duì)具體事物的抽象。

（2）Object′也是指抽象對(duì)象，它可以與抽象對(duì)象相同，也可以不同。

（3）Relation是指對(duì)象與對(duì)象之間的關(guān)系

對(duì)于本小節(jié)開頭提供的例子，可以通過定義2描述用戶和教室之間的關(guān)系和投影儀與教室之間的關(guān)系。描述如下:

CRUser=

這個(gè)三元組表示用戶在宿舍里。

CRProjector=

這個(gè)三元組表述投影儀的位置在教室里。

定義3 情景感知規(guī)則推理可以表述為:

Condition→Conclusion

其中:

（1）→表示推出，Condition→Conclusion表示條件Condition集合推出結(jié)論集合Conclusion。

（2）Condition是指條件集合，Condition是由一個(gè)或多個(gè)原子事件en構(gòu)成的，即

Condition(en)= {e1∩e2^∩…en}（n≥1），?Condition，?CR∈Condition

（3）Conclusion 是指結(jié)果集合，Conclusion有且僅有一個(gè)原子事件en構(gòu)成的，即Conclusion (en)={en} (n≥1)，?Condition，CR∈Conclusion

上述實(shí)例完整推理規(guī)則描述如下:

Condition= {,,,}

Conclusion=

由Condition→Conclusion，可以得知用戶目前的狀態(tài)在上課。

在智慧校園環(huán)境中，將情景感知推理算法總結(jié)如下:

3.3 服務(wù)調(diào)用

智能移動(dòng)設(shè)備通過環(huán)境信息推理出用戶目前的活動(dòng)狀態(tài)后，情景感知系統(tǒng)會(huì)將推理信息發(fā)送到服務(wù)選擇層，系統(tǒng)會(huì)為用戶選擇最為合適的服務(wù)。服務(wù)的提供主要通過查詢和被動(dòng)推送方式完成的，主動(dòng)查詢是對(duì)被動(dòng)推送的一種補(bǔ)充，系統(tǒng)可以在用戶不知情的情況下為用戶提供實(shí)時(shí)服務(wù)，用戶也可以主動(dòng)的與系統(tǒng)進(jìn)行交互得到所需服務(wù)。

定義4 服務(wù)信息為標(biāo)識(shí)情景感知服務(wù)信息，即SF＝＜ID，User，ST，ET，Location，Content＞，其中:

（1）ID 表示服務(wù)編號(hào)。

（2）User 表示用戶信息。

（3）ST 表示服務(wù)開始時(shí)間。

（4）ET 表示服務(wù)結(jié)束時(shí)間。

（5）Location 表示服務(wù)位置信息，位置是一個(gè)抽象的地理位置。

（6）Content 表示服務(wù)內(nèi)容，其中 Content＝｛s1，s2，…sn｝（n≥1），si表示服務(wù)內(nèi)容。

在智慧校園環(huán)境下，服務(wù)提供算法如下:

算法通過情景推理結(jié)果提供服務(wù)算法

主要步驟:

4 智慧校園情景感知系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本節(jié)通過情景感知推理、提供服務(wù)理論實(shí)現(xiàn)了基于Android 移動(dòng)平臺(tái)的智慧校園情景感知系統(tǒng)，此系統(tǒng)提供的服務(wù)有課堂課件推送服務(wù)、上課提醒服務(wù)、自習(xí)空教室查詢服務(wù)、校園路線規(guī)劃服務(wù)等。

4.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境

基于Android 平臺(tái)的智慧校園情景感知系統(tǒng)分為手機(jī)客戶端和服務(wù)器端。本項(xiàng)目使用的開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境見表2:

表2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境

4.2 智慧校園情景感知系統(tǒng)框架

通過圖2可以看出此系統(tǒng)的推理和提供服務(wù)的整個(gè)過程。本系統(tǒng)分為四個(gè)部分，首先用戶通過智能移動(dòng)設(shè)備采集周圍環(huán)境信息，然后將原始數(shù)據(jù)信息封裝成XML 文件通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器將具體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成抽象數(shù)據(jù)并進(jìn)行規(guī)則推理，最后系統(tǒng)根據(jù)推理結(jié)果提供給用戶可靠的服務(wù)。

圖2 系統(tǒng)框架圖

4.3 智慧校園情景感知系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.3.1 智慧校園情景模型

根據(jù)智慧校園情景感知系統(tǒng)的要求，描述了智慧校園抽象實(shí)體和具體實(shí)體的各個(gè)屬性之間的關(guān)系，如3所示。

圖3 智慧校園情景實(shí)體模型圖

4.3.2 模塊實(shí)現(xiàn)

（1）規(guī)則推理模塊

規(guī)則推理模塊是整合系統(tǒng)的核心部分。規(guī)則推理數(shù)據(jù)庫由預(yù)處理數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫兩部分構(gòu)成。

預(yù)處理數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)存放在服務(wù)器端的MySQL數(shù)據(jù)庫中，主要作用是將具體的數(shù)據(jù)信息通過預(yù)處理數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)化為抽象信息。圖4是預(yù)處理數(shù)據(jù)庫的基本表。如某用戶所處的地理位置為5406 教室（經(jīng)度為112.60081，緯度為37.697694），要將此具體數(shù)據(jù)通過預(yù)處理模塊轉(zhuǎn)化為抽象數(shù)據(jù)（Classroom）。

圖4 預(yù)處理數(shù)據(jù)庫的基本表

對(duì)于規(guī)則庫，是將規(guī)則信息存儲(chǔ)到服務(wù)器的XML文件中，這樣可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和高效性。將規(guī)則存放到XML 中，易于規(guī)則的添加和修改，圖5為一條推理規(guī)則。

圖5 推理規(guī)則定義形式

規(guī)則中之間的為推理?xiàng)l件，之間的為推理結(jié)果。

（2）服務(wù)調(diào)用模塊

服務(wù)調(diào)用模塊主要功能為用戶提供及時(shí)可靠的服務(wù)。每一個(gè)用戶都有一個(gè)屬于自己的服務(wù)數(shù)據(jù)庫，服務(wù)數(shù)據(jù)庫也是通過XML 文件實(shí)現(xiàn)的，每一條XML文件記錄了在某個(gè)時(shí)間，在某個(gè)地方，用戶應(yīng)該做的事情或者為用戶應(yīng)該提供的某項(xiàng)服務(wù)。如在時(shí)間段為AM9：00-AM10：00，應(yīng)該為用戶提供在 5401 教室的上課提醒服務(wù)，該XML 文件見圖6。

圖6 一條服務(wù)的XML定義表

4.4 結(jié)果分析

通過使用本系統(tǒng)，可以滿足學(xué)生在智慧校園中的生活、學(xué)習(xí)、工作需求，并能為學(xué)生提供及時(shí)高效的服務(wù)。圖7為推理演示。

圖7 系統(tǒng)推理演示

本系統(tǒng)規(guī)則庫中建立了316 條規(guī)則和171 條服務(wù)，對(duì)該系統(tǒng)的推理的正確率和推理時(shí)間進(jìn)行了驗(yàn)證。在驗(yàn)證推理正確性來說，分別建立了規(guī)則庫為50，100，200，300 條規(guī)則的規(guī)則庫，來計(jì)算推理的正確率，分別為98.1%，98.1%，97.5%，95.3%。通過推理正確率可以看出，隨著規(guī)則庫數(shù)目的增加，推理正確率在下降，用戶主動(dòng)查詢方式可以彌補(bǔ)推理錯(cuò)誤的問題，完全滿足用戶的需求。

5 結(jié)束語

智慧校園情景感知系統(tǒng)可以及時(shí)、準(zhǔn)確的，通過個(gè)性化的方式改善校園用戶的學(xué)習(xí)、工作、生活，將來勢必成為人們在校園生活不可缺少的一部分。本文對(duì)基于Android 平臺(tái)的智慧校園情景感知系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并通過實(shí)例驗(yàn)證了本系統(tǒng)可以很好地為用戶提供及時(shí)可靠的服務(wù)。