基于Android平台的智慧校园系统的研究

张 烁，张 荣

（1.山西青年职业学院，山西 太原 030024 2.山西医科大学，山西 太原 030001）

1 引言

近些年来，随着移动互联网和智能移动终端的迅猛发展[1]，人们对计算方式发生了翻天覆地的变化。从原来的用户主动获取传统PC 机数据发展到用户迫切希望通过智能移动设备被动的获取自己想要的数据和服务。在这一系列的变化中，人们已经从个人计算时代[2]进入普适计算的时代[3]。普适计算机强调未来的计算应该面向更加智能的方向发展，使人们在使用计算设备时不需关心计算设备本身，而是像“空气”一样获得想要的数据和服务。

情景感知技术（Context-aware）源于普适计算研究[4]，它是通过计算机设备、移动计算设备、可穿戴设备等设备中的传感器获得当前环境中的数据，并通过智能移动设备对情景信息进行处理，为用户提供可靠、高效的自主服务[5]。智慧校园（Smart Campus）是以物联网为依托的智慧化校园，将教学、管理、科研、校园生活融为一体，利用情景感知技术为用户提供透明化的服务[6]。

目前，智慧校园的情景感知技术越来越受到人们的关注，但是对基于Android 平台的智慧校园系统的研究和实现很少。本文实现了基于Android 平台的智慧校园情景感知模型、情景推理技术、提供情景感知服务技术。

2 智慧校园情景感知系统体系结构

智慧校园情景感知系统服务框架主要包括信息采集层、情景推理层、服务选择层和服务推送层。情景感知服务体系结构如图1 所示。

图1 情景感知服务体系结构

信息采集层主要负责对用户在智慧校园环境中的原始信息采集工作。比如，时间信息、用户所在的地理位置信息、用户目前的活动状态等。通过智能移动设备中的传感器（如GPS、陀螺仪、加速感应器、距离感应器、气压计、光传感器等）采集用户环境信息，对环境信息数据进行加工，为情景推理层提供可识别数据。

情景推理层由情景信息预处理和情景感知推理两部分构成，是整个情景感知系统的核心。情景信息预处理主要负责将信息采集层的原始数据进行加工，将原始的数值信息变为情景信息（抽象信息），例如通过信息采集层所获得的当前时间信息为一个具体的数值，通过信息预处理层后变为“上午”、“中午”、“下午”等抽象信息，为情景感知推理提供数据支持。情景感知推理主要负责通过情景信息（抽象信息）进行推理工作，得到用户目前的活动状态。本部分主要由情景推理模块、用户信息模块、服务信息模块这三部分构成。其中情景推理模块主要负责对情景信息预处理提供的情景信息（抽象信息）进行推理，例如情景推理模块获得用户当前时间为“上午”，用户的当前位置为“教室”，此“教室”的教师电脑状态为“开”，可推断出此用户正在“上课”。用户信息模块主要存储用户的个性化信息。服务信息模块主要存储可提供服务的信息。本层所有的模块协同工作，最后将情景推理结果和服务信息提供给服务选择层，为服务选择层的功能实现提供依托。

服务选择层主要根据用户的情景推理结果与用户的个性化信息（用户的计划、日程等）相对比，如果不匹配则对用户进行提醒，如果匹配则将提供服务信息发送到服务推送层为用户提供服务做准备，例如，根据用户的情景信息推理出此用户正在“上课”，又根据用户的个性化信息得到此用户的确应该“上课”，此时，系统会为用户提供相应服务（如提供课程资料、课程教师信息等）。又如根据用户的情景信息推理出用户正在“睡觉”，但根据用户的个性化信息等到此用户应该在“上课”，此时系统会为用户发出“上课”提醒。

服务推送层主要是为用户提供合适的服务，为用户提供服务的方式主要有两种，分为主动查询和被动推送。主动查询是指用户可以主动地与系统进行交互，系统为用户提供所需服务；被动推送是指系统根据用户的情景推理结果，在用户不知情的情况下，根据系统判断自动的为用户提供实时服务。

3 智慧校园情景感知系统相关技术

3.1 信息捕获

在智慧校园情景中，主要通过智能移动设备中的传感器采集情景信息，如WIFI 模块可以提供网络支持和辅助采集用户室内位置信息、GPS 模块采集用户室外位置信息、加速感应器采集用户运动数据信息等。将采集的数据信息封装成情景推理层可识别的数据格式为情景信息预处理做准备。见表1为采集信息原始数据表。其中，ID 为当前用户ID、Time 为当前时间、Location 为位置信息、Gyroscope为采集到陀螺仪数据信息、Accelerometer 为采集到的加速感应器信息等。

表1 采集信息原始数据表

3.2 情景推理

情景推理是指通过移动智能设备中的传感器获取的用户信息推断出用户目前的活动状态。例如，一个用户在教室里，当前时间为上课时间，教室中的投影仪状态为开，那么可以推断出此用户的状态为学生正在上课（例1）。用 IF-THEN 理论将例 1信息可以归纳如下。

通过IF-THEN 理论，将情景感知推理相关理论改进如下。

定义1 在情景推理中，将抽象对象所在的情景定义为一个三元组:

CV=，其中，各元组的定义如下:

（1）Object 是指抽象对象，是对具体事物的抽象。

（2）Context 是指情景信息。一般来说，一个抽象对象可能包含多个情景信息。

情景信息集合为: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 使用定义1 表述如下:

Object=User

Context= {Classroom,Projector,Time}

Value= {mull,Open,Classtime}

其中，User表示用户；Classroom、Projector、Time分别表示教室、投影仪、时间；它们所对应的值mull,Open,Classtime分别表示空、开、上课时间。

定义2 在情景推理中，对象与对象之间的关系可表示为一个三元组:

CR=，其中，各元组的定义如下:

（1）Object 是指抽象对象，是对具体事物的抽象。

（2）Object′也是指抽象对象，它可以与抽象对象相同，也可以不同。

（3）Relation是指对象与对象之间的关系

对于本小节开头提供的例子，可以通过定义2描述用户和教室之间的关系和投影仪与教室之间的关系。描述如下:

CRUser=

这个三元组表示用户在宿舍里。

CRProjector=

这个三元组表述投影仪的位置在教室里。

定义3 情景感知规则推理可以表述为:

Condition→Conclusion

其中:

（1）→表示推出，Condition→Conclusion表示条件Condition集合推出结论集合Conclusion。

（2）Condition是指条件集合，Condition是由一个或多个原子事件en构成的，即

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

（3）Conclusion 是指结果集合，Conclusion有且仅有一个原子事件en构成的，即Conclusion (en)={en} (n≥1)，∀Condition，CR∈Conclusion

上述实例完整推理规则描述如下:

Condition= {,,,}

Conclusion=

由Condition→Conclusion，可以得知用户目前的状态在上课。

在智慧校园环境中，将情景感知推理算法总结如下:

3.3 服务调用

智能移动设备通过环境信息推理出用户目前的活动状态后，情景感知系统会将推理信息发送到服务选择层，系统会为用户选择最为合适的服务。服务的提供主要通过查询和被动推送方式完成的，主动查询是对被动推送的一种补充，系统可以在用户不知情的情况下为用户提供实时服务，用户也可以主动的与系统进行交互得到所需服务。

定义4 服务信息为标识情景感知服务信息，即SF＝＜ID，User，ST，ET，Location，Content＞，其中:

（1）ID 表示服务编号。

（2）User 表示用户信息。

（3）ST 表示服务开始时间。

（4）ET 表示服务结束时间。

（5）Location 表示服务位置信息，位置是一个抽象的地理位置。

（6）Content 表示服务内容，其中 Content＝｛s1，s2，…sn｝（n≥1），si表示服务内容。

在智慧校园环境下，服务提供算法如下:

算法通过情景推理结果提供服务算法

主要步骤:

4 智慧校园情景感知系统实现

本节通过情景感知推理、提供服务理论实现了基于Android 移动平台的智慧校园情景感知系统，此系统提供的服务有课堂课件推送服务、上课提醒服务、自习空教室查询服务、校园路线规划服务等。

4.1 系统开发环境和运行环境

基于Android 平台的智慧校园情景感知系统分为手机客户端和服务器端。本项目使用的开发环境和运行环境见表2:

表2 系统开发环境与运行环境

4.2 智慧校园情景感知系统框架

通过图2可以看出此系统的推理和提供服务的整个过程。本系统分为四个部分，首先用户通过智能移动设备采集周围环境信息，然后将原始数据信息封装成XML 文件通过无线网络发送到服务器，服务器将具体数据转化成抽象数据并进行规则推理，最后系统根据推理结果提供给用户可靠的服务。

图2 系统框架图

4.3 智慧校园情景感知系统实现

4.3.1 智慧校园情景模型

根据智慧校园情景感知系统的要求，描述了智慧校园抽象实体和具体实体的各个属性之间的关系，如3所示。

图3 智慧校园情景实体模型图

4.3.2 模块实现

（1）规则推理模块

规则推理模块是整合系统的核心部分。规则推理数据库由预处理数据库和规则库两部分构成。

预处理数据库将数据存放在服务器端的MySQL数据库中，主要作用是将具体的数据信息通过预处理数据库转化为抽象信息。图4是预处理数据库的基本表。如某用户所处的地理位置为5406 教室（经度为112.60081，纬度为37.697694），要将此具体数据通过预处理模块转化为抽象数据（Classroom）。

图4 预处理数据库的基本表

对于规则库，是将规则信息存储到服务器的XML文件中，这样可以保证数据传输的准确性和高效性。将规则存放到XML 中，易于规则的添加和修改，图5为一条推理规则。

图5 推理规则定义形式

规则中之间的为推理条件，之间的为推理结果。

（2）服务调用模块

服务调用模块主要功能为用户提供及时可靠的服务。每一个用户都有一个属于自己的服务数据库，服务数据库也是通过XML 文件实现的，每一条XML文件记录了在某个时间，在某个地方，用户应该做的事情或者为用户应该提供的某项服务。如在时间段为AM9：00-AM10：00，应该为用户提供在 5401 教室的上课提醒服务，该XML 文件见图6。

图6 一条服务的XML定义表

4.4 结果分析

通过使用本系统，可以满足学生在智慧校园中的生活、学习、工作需求，并能为学生提供及时高效的服务。图7为推理演示。

图7 系统推理演示

本系统规则库中建立了316 条规则和171 条服务，对该系统的推理的正确率和推理时间进行了验证。在验证推理正确性来说，分别建立了规则库为50，100，200，300 条规则的规则库，来计算推理的正确率，分别为98.1%，98.1%，97.5%，95.3%。通过推理正确率可以看出，随着规则库数目的增加，推理正确率在下降，用户主动查询方式可以弥补推理错误的问题，完全满足用户的需求。

5 结束语

智慧校园情景感知系统可以及时、准确的，通过个性化的方式改善校园用户的学习、工作、生活，将来势必成为人们在校园生活不可缺少的一部分。本文对基于Android 平台的智慧校园情景感知系统进行了研究，并通过实例验证了本系统可以很好地为用户提供及时可靠的服务。