智能校园中基于位置的服务的系统与研究外文翻译资料

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智能校园中基于位置的服务的系统与研究

摘要 - 关于人们地理位置的知识可以用于推断他们的可能需求，并提供相关服务来满足这些需求。在服务需求识别和服务提供方面的这种有针对性的方法是基于位置的服务（LBS）在我们这个时代非常受欢迎的原因之一。在本文中，我们描述了一个框架，我们开发用于提供基于位置的服务，依靠通常在智能校园环境中可用的基础架构。我们的框架包括三个面向用户的组件：1）一个能源感知的Android应用程序，用于最终用户识别他们的位置并访问他们可用的服务; 2）网络应用程序，最终用户可以在校园内搜索可用的服务;和3）一个网络应用程序，供管理人员指定在校园和哪些领域可用的服务。这些应用程序中的每一个都与中间层的服务器进行通信。最后，一个PostgreSQL数据库构成框架的后端，其中提供了有关可用服务及其空间范围的信息。我们在本地化准确性方面评估我们的框架的性能，因为这是有效提供基于位置的服务的最关键的质量。

关键词 - 基于位置的服务，本地化，智能校园，能源消耗效率

1. 引言

我们最近见证了基于位置的服务（LBS）越来越受欢迎。这种现象背后的原因之一是LBS能够根据自己的位置来识别对服务的需求并提供所述服务。社交网络，针对性的广告，司机助理程序和增强现实游戏只是LAWS成功应用的少数例子。LBS的主要要求之一是本地化，在这种情况下，可以将其定义为在提供服务的区域中识别潜在服务消费者的能力。在智能家居和智能办公室等小型智能环境中，由于监控区域规模相对较小，因此建立精确的本地化基础设施的成本很低。运动传感器，RFID标签和RFID标签阅读器，Wi-Fi指纹识别和视频监控通常用于此目的。然而，对于大型环境而言,本地化基础架构的成本很高。例如,考虑视频监控系统，这些系统需要为每个要监视的新区域安装摄像机，以提供基于位置的服务。此外，从摄像机接收数据的应用服务器必须持续运行在计算上很昂贵 图像处理算法来识别被监控区域中的用户（以及潜在的活动）。随着摄像机数量的增加，所需的应用服务器和相关硬件的数量也会增加。智能手机代表了一种替代的低成本解决方案。为了本地化的目的，智能手机可以使用和组合来自各种来源的数据：GSM和GPS三角测量，Wi-Fi手指打印，陀螺仪，3D加速度计等。因此，它们可以用于室内和室外环境中的本地化。使用智能手机进行本地化的主要优点是不需要构建专用的本地化基础架构。

“智能校园”一词是指虚拟和物理世界互动的空间，以提高生活质量或提供更好的学习体验。这种系统的一个基本组件是连接虚拟和物理世界的连接器。执行此连接的一种可能方法是通过LBS。本文介绍了我们的框架的经验报告，旨在在智能校园环境中提供基于位置的服务。框架的高级架构如图1所示。

图1：LBS框架的高级代表

前端由三个单独的组件组成：1）用于本地化和服务交付的Android应用程序; 2）一个网络应用程序，允许用户执行在公开街道地图（OSM）上显示为Open Layers 3（OL3多边形的可用校内服务的查找。3）用于管理员通过在OSM上修改或绘制新的OL3多边形来维护服务和服务区域的Web应用程序。在后端，框架由每个前端应用程序的单独服务器和用于数据存储的PostgreSQL 数据库组成。

该框架支持三种类型的服务。（a）订阅服务：用户可以订阅/取消订阅并指定他们希望访问的服务。 b）通知服务：这些服务是提供给所有用户，以便他们可以了解当前位置的重要事件（即“由于维护而导致图书馆入口被锁定，请使用另一个入口”）（c）信息服务：用户可以查询他们当前的位置信息（即“您在Athabasca Hall前面”）。
为了从我们的框架中受益，用户必须在其智能手机上安装我们的Android应用程序。该应用程序作为后台服务运行，并在两种操作状态之间切换：被动和主动。在活动状态下，本地化服务每三秒更新一次用户的当前位置，并将其坐标发送到应用服务器。在被动状态下，当用户变为移动设备时，该服务仅在连接到校园无线网络时监听。这两个应用状态代表了最小化应用能耗的机制。这个机制的灵感来自于简单的直觉，默认情况下，应用程序应该在低能耗模式下提供低精度定位;在出现感兴趣的事件时，应用程序应该打开更多的能量要求较高的传感器，以提供更好的定位精度。理想情况下，GPS在主动运行状态下应处于OFF状态，ON状态为ON。不幸的是，出于安全考虑，在较新的Android操作系统版本中，已经不推荐以编程方式打开和关闭GPS的功能。因此，在被动状态下，节能是由于减少的网络通信。
框架提供的主要用例如下：当用户在校园内进入LBS提供的区域时，框架接收用户的坐标，验证用户是否被允许访问相关服务，如果是，则服务用户。本文第3节给出了框架的更详细的描述。

本文的其余部分安排如下。 第2节专门用于相关工作。 在第3节中，详细描述了框架的每个组件。 第4节描述了我们的实验评估，报告了我们的结果，并概述了一些

思路为未来方向改进目前的框架缺点。 第5节总结了这项工作。

二、文献评论

与基于智能手机的本地化相关的挑战对位置服务的服务质量（QoS）产生负面影响。 第一个挑战是在室内和室外环境中准确定位。目前，GPS的户外定位精度为3.5米[7]。 室内本地化不是很好，仍然是一个开放的问题。已经提出了一些研究方法来解决这个问题。例如，[6]作者提出了智能手机室内定位系统国国。该系统通过高频声波信号发送定位信标，对人类来说是无法理解的。国冠实现的定位精度为6至25厘米 该系统的缺点是需要安装专用锚网。

一些其他室内定位技术也显示了良好的效果。例如，在[8]中，通过将来自WLAN信号强度的数据与从陀螺仪和三轴加速度计收集的用户运动信息数据相结合，实现了精确定位。在[9]中，使用贝叶斯滤波器，通过融合来自智能手机运动传感器的数据和Wi-Fi指纹识别来获得准确的室内定位。在[10]中，通过对来自智能手机传感器，Wi-Fi信号强度和地标的融合数据应用卡尔曼滤波获得准确的定位。基于特定传感器模式识别地标。

另一个重要的问题是当用户从室内环境转移到户外环境时，本地化的准确性问题，反之亦然。与这个问题相关的一些技术难题在[1]中有所讨论，它们与当环境变化时，在一个环境中为本地化提供有用数据的传感器可能不是有用的事实有关。

在我们的框架中，我们使用由Google Inc.开发的Fused位置提供程序。该组件是我们的移动应用程序的一部分。为了确定智能手机的准确位置，融合位置提供商使用从GPS，Wi-Fi，GSM，3D加速度计，陀螺仪和其他智能手机传感器收集的聚合数据。为了获得最准确的数据，我们将提供商设置为在HIGH_ACCURACY模式下运行，该模式使用GPS作为用于本地化户外数据主要来源，Wi-Fi作为室内定位数据的主要来源。Google Inc.并没有透露有关Wi-Fi数据如何用于本地化的具体信息，也没有披露如何检测到环境之间的变化。我们决定在我们的应用程序中使用这个组件有几个原因。首先，它提供了两个关键功能：传感器融合用于本地化和室内 - 室外环境识别。从实用的角度来看，这个组件可以免费为Android开发人员提供，它被积极地维护并记录在案。此外，融合位置提供商受益Android应用程序开发人员的高度受欢迎程度，因此，还有许多在线资源，如论坛，博客和教程。

第二个挑战是最小化我们的移动应用的能源消耗，主要是由GPS引起的。 [2]中提出了一个有吸引力的解决方案。最初，本应用程序使用GSM三角测量来进行本地化; 当它检测到感兴趣的事件的发生时，它打开GPS以获得更准确的数据。以这种方式，当“无趣”发生时，应用节约能源。在我们的框架中，我们尝试了同样的方法。问题是应用程序以编程方式启动和停止GPS的能力代表了隐私的潜在线索，并且最新版本的Android操作系统已弃用此功能。

智能校园环境有几个例子[3] [4] [5]提供信息，帮助用户在智能校园地图上找到兴趣点。然而，这些例子中没有一个积极地为他们的乘客提供服务，因为他们进入特定服务的地理位置。

三、LBS框架

正如我们在简介中提到的，我们的框架旨在通过Android应用程序在智能校园环境中提供基于位置的服务。 在介绍部分末尾，我们高度描述了框架的核心架构和基本功能。 在本节中，我们将分别详细介绍每个组件的设计和功能。

A、PostgreSQL与PostGIS扩展

我们的框架使用的数据库引擎是PostgreSQL [15]。由于其受欢迎的扩展名为PostGIS [11]，它受到其他引擎的青睐。此扩展支持空间对象的规范，并能够对空间查询进行配置和高效的回答。

在我们的框架中，我们将服务区域定义为多边形; 每个多边形的顶点在球形墨卡托投影中表示为点坐标。 移动应用程序一旦安装在用户的智能手机上，就发送用户的坐标
到应用服务器。 当用户进入提供服务的区域时，应用服务器使用最近接收到的坐标查询数据库，并确定用户的当前位置是否匹配任何其合格的服务。

移动应用程序不断更新用户的位置到移动应用服务器。 当用户输入提供服务的区域时，应用服务器使用其坐标来查询数据库，以确定用户的当前位置是否与用户符合的任何服务匹配。

每个前端客户端与相应的中小企业服务器进行交互。前两个服务器是（a）最终用户的web应用服务器和（b）管理员的应用服务器。它们都运行在Apache Tomcat 7上，并提供JSP页面，并通过Java Bean与相应的客户端进行通信。

B.用户的Web应用程序

最终用户的Web应用程序如图2所示。这是一个可视化组件，用于显示提供服务的各种覆盖区域，以及有关这些服务的具体信息。 此信息在Open Street Map上呈现，为OL3形状。

图2：用户的Web应用程序的服务是查找

C.管理员的Web应用程序

要修改现有的服务并创建新的服务，我们的框架提供了管理员的Web应用程序，如图3所示。它作为JSP页面传递给管理员用户，通过Java Bean与相应的服务进行通信。 这定义了从（到）客户端浏览器的数据如何加载到（从）数据库的机制。

图3：管理员的Web应用程序修改存在的LBS的区域并添加新的。 此示例显示如何绘制多边形以匹配校园中的建筑物

D.移动应用服务器

安装在用户智能手机上的Android应用程序通过安全套接字与移动应用服务器通信，依靠嵌入在移动应用中的自签名证书。服务器处理四种类型的传入消息。

（1）初始化消息：当客户端连接到服务器时，它会发送包含其用户ID的初始化消息。服务器使用此ID查询数据库以获取客户端合格的服务列表。该列表由用户订阅的服务和校园当前活动的通知服务的列表组成。通知服务提供给所有用户，因为它们包含有关校园活动的重要信息。此列表的目的是创建一个缓存状态机制，旨在使查询更细粒度并减少对数据库的负载。此外，该列表被称为缓存服务的列表。当向客户端提供服务时，它将从缓存的服务列表中删除，以防止用户被服务两次。有时，客户端应用程序会遇到与服务器相关的中断。这将触发移动应用程序重新连接到服务器并重新发送初始化消息。因此，服务器将恢复缓存服务的原始列表。为了防止这种情况，服务器会跟踪从客户端收到任何类型的最后一个消息的时间：如果在重新连接之前超过一个小时，则重新构建缓存服务的列表，否则缓存服务的列表将保留与断开之前相同。

（2）电流坐标消息：这些消息包含客户端当前位置的坐标。 如果Android应用程序处于活动状态，则每3秒钟会收到这些消息; 如果应用程序处于被动状态，则不会有这样的消息。 服务器采用这些坐标并查询数据库，以查看客户端的当前位置是否位于任何缓存的服务区域内。

（3）查询位置消息：我们的框架提供的功能之一是查询当前位置的信息。 为此，用户必须在Android应用程序中按“查询当前位置”按钮（图4a）。 当服务器接收到该消息时，它会在数据库中查询用户区域内的信息服务。

（4）订阅/取消订阅消息：此消息包含服务名称和客户端订阅或取消订阅的决定。 当服务器接收到这种类型的消息时，它将执行其指示的操作。

移动应用服务器只能使用一种类型的消息进行响应，其中包含要在通知中显示的文本。 当客户端从服务器收到响应时，它会将通知推送到智能手机显示屏（图4 b）。

E.移动应用

为了利用我们的框架，用户必须在智能手机上安装我们的Android移动应用程序。 本小节重点介绍了应用程序的两个关键方面：我们框架的服务质量（QoS）取决于能源消耗的准确定位和最小化。

如前所述，准确的本地化对我们的框架至关重要，比最小化应用程序的能耗更重要。 这就是为什么我们使用FusedLocationProviderApi [12]的位置提供者的原因。 有关其优点的详细信息，请参见本文第二部分。

图4：a）显示应用程序的主屏幕。 当AP更改时，显示底部的消息，并指示客户端是否连接到属于或不大学的AP。 B）收到通知的示例

我们框架的QoS的第二个关键方面是能效。 如果应用程序耗尽智能手机的电池，用户将不愿意使用它。为了最大限度地减少我们应用的能耗，我们设计了两个操作状态：被动和主动。 这个想法是保持低能量消耗传感器始终处于活动状态（被动状态），并且在出现感兴趣的事件时，打开高能消耗传感器（活动状态）以收集更准确的数据。在这种情况下，感兴趣的传感器是GPS，由于其高能量消耗。不幸的是，新版本的Android操作系统，不允许应用程序开发人员以编程方式打开和关闭该传感器，所以为了我们的目的，它必须始终处于开启状态。 在被动状态下，只有由于定位功能不被确定才能够节省能量。

在图5中，向被动状态的转换被标记为“暂停”，转换到活动状态被标记为“恢复”。默认情

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