蔣達(dá)央　姚　琪　季　云

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院　江蘇常州　213164)

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基于智慧校園的情境感知數(shù)據(jù)采集的策略研究

蔣達(dá)央姚琪季云

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院江蘇常州213164)

隨著各類傳感器在智慧校園中的應(yīng)用，大量情境感知數(shù)據(jù)的采集成為校園智慧應(yīng)用研究和拓展的基礎(chǔ)。情境感知數(shù)據(jù)的采集在不同模型的框架下其思路和策略各有側(cè)重。利用基于校園師生活動(dòng)這一本體而設(shè)計(jì)的情境感知模型，充分闡述情境數(shù)據(jù)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。智慧校園中情境數(shù)據(jù)的來源和類別相對而言較為明確，根據(jù)情境數(shù)據(jù)的來源和類別，可采用增加傳感器、XSLT信息抓取和移動(dòng)終端遠(yuǎn)程獲取這三種數(shù)據(jù)采集策略來實(shí)現(xiàn)。

智慧校園； 情境感知； 數(shù)據(jù)采集； 感知數(shù)據(jù)

0　引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、可視化等信息技術(shù)應(yīng)用的深入，數(shù)字校園正逐步向智慧校園轉(zhuǎn)變。智慧校園建設(shè)以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，以云計(jì)算和大數(shù)據(jù)為核心，以可視化為展現(xiàn)形式，以資源整合、信息共享為主線，以服務(wù)師生工作學(xué)習(xí)生活為目標(biāo)，打造一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、高效、智能的全方位一體化管理服務(wù)信息平臺(tái)。

智慧校園信息平臺(tái)設(shè)計(jì)理念和特點(diǎn)迫使研究人員需要更多地關(guān)注用戶使用各系統(tǒng)的真實(shí)感受。系統(tǒng)在不同的環(huán)境下，智能地判斷用戶行為及目的，并主動(dòng)向用戶提供相關(guān)信息或服務(wù)，人性化地調(diào)整人與情境交互的方式和內(nèi)容。單純的實(shí)驗(yàn)室或辦公室開發(fā)產(chǎn)品的模式已無法實(shí)現(xiàn)，只有到用戶真實(shí)的環(huán)境中去感知、結(jié)合真實(shí)的用戶體驗(yàn)，才能設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的人機(jī)交互產(chǎn)品，才能適應(yīng)并滿足用戶和智慧校園的需求。目前對于情境感知數(shù)據(jù)的采集主要是基于人工方式。隨著信息通信技術(shù)的發(fā)展，利用技術(shù)，以最小的投入采集更多、更有效的樣本數(shù)據(jù)將是必然趨勢。

1　情境感知數(shù)據(jù)模型

智慧校園中有關(guān)智慧的感受體驗(yàn)，很大程度依賴物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，對于智慧校園下的情境感知數(shù)據(jù)采集策略，主要在于使計(jì)算機(jī)能夠?qū)崟r(shí)收集校園學(xué)習(xí)生活情境數(shù)據(jù)，并根據(jù)所搜集的信息數(shù)據(jù)做出自適應(yīng)行為。

目前，對于幾何、物理實(shí)體的情境感知數(shù)據(jù)都可以通過較為便捷的方式來獲取，但對于人類情緒、感受等無明顯特征的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，很難通過計(jì)算機(jī)來抓取和分析。因此，智慧校園下的情境感知數(shù)據(jù)采集離不開構(gòu)建一個(gè)情境感知模型，進(jìn)而來描述類似的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的復(fù)雜性。

由于情境信息本身具有多樣性，因而建模的方法有很多種。Strang和Linnhoff-Popien總結(jié)了相關(guān)的情境建模方法，包括：面向?qū)ο竽Ｐ?、本體模型、關(guān)鍵值模型、邏輯模型和模式標(biāo)記模型等。針對師生這一校園內(nèi)最為復(fù)雜的活動(dòng)個(gè)體，建立一個(gè)基于活動(dòng)的情境感知模型，將活動(dòng)、情境以及兩者之間的關(guān)系整合起來，從而可以清晰地描述對象在不同行為階段、不同場景下的反應(yīng)，如圖1所示。

圖1　基于活動(dòng)的情境感知模型

從模型圖可以看出，活動(dòng)是由對象引發(fā)具有一定目的性的動(dòng)機(jī)而產(chǎn)生，活動(dòng)由對象主體和動(dòng)機(jī)決定。活動(dòng)也可細(xì)分為若干個(gè)行為階段，在不同的行為階段，活動(dòng)主體的操作是有所差異的。當(dāng)在一定時(shí)機(jī)或條件下，行為、操作又相互影響、轉(zhuǎn)化和支撐。智慧校園在做頂層設(shè)計(jì)和框架搭建時(shí)，需要研究活動(dòng)主體以及主體在不同情境下可能產(chǎn)生的行為操作。

2　情境感知數(shù)據(jù)種類和來源

目前智慧校園下常見的情境感知數(shù)據(jù)主要有校園師生感知數(shù)據(jù)、師生與校園的交互數(shù)據(jù)、校園環(huán)境感知數(shù)據(jù)這三類。智慧感知的體現(xiàn)則主要集中在基于這三類情境數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘與分析，進(jìn)而形成不同種類的智慧應(yīng)用。所有的校園智能應(yīng)用請求在基于智慧校園數(shù)據(jù)庫上建立查詢，最終服務(wù)于不同校園人員。而智慧校園下的情境感知數(shù)據(jù)來源基于校園智能化應(yīng)用。

就常見的智慧校園結(jié)構(gòu)框架而言，可將情境感知分為感知內(nèi)容(前端設(shè)施)、感知空間(智能化控制系統(tǒng))、感知手段(數(shù)據(jù)采集設(shè)施和方式)、感知數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)抽樣分析)、感知應(yīng)用(智慧應(yīng)用)這五大部分。傳感器的分布依據(jù)智慧校園中信息的種類和數(shù)據(jù)采集密集度來進(jìn)行配置。對于師生活動(dòng)較為頻繁的教室、宿舍、實(shí)驗(yàn)室等場所，通常是傳感器分配比較高的區(qū)域。

對于智慧校園常用的感知內(nèi)容而言，主要包括燈、電、水、網(wǎng)絡(luò)、窗簾、綠化等各類設(shè)施。感知空間主要包括智能教室、智能會(huì)議室、智能宿舍區(qū)、智能公共場所和綠地等，即對感知內(nèi)容實(shí)時(shí)智能化控制與整合。感知空間與感知內(nèi)容為前端設(shè)施，在師生活動(dòng)過程中會(huì)形成大量情境感知數(shù)據(jù)。感知手段主要是指把前端設(shè)施在不同活動(dòng)情境中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)采集起來。這種采集技術(shù)主要依靠GPS、攝像頭、溫濕度傳感器、光傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)控制器、RFID、聲音傳感器等各類終端電子設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。感知數(shù)據(jù)主要是指對所有采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類抽樣，從具象數(shù)據(jù)形成抽象數(shù)據(jù)，以符合情境感知數(shù)據(jù)類型，并展開數(shù)據(jù)分析。感知應(yīng)用是指利用對數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，開展智慧應(yīng)用服務(wù)，以滿足校園主體的不同情境下的活動(dòng)需求。

3　感知數(shù)據(jù)采集方式

智慧校園作為一個(gè)普適的計(jì)算環(huán)境，在校園的不同活動(dòng)情境中，研究師生如何高效地獲取或自主發(fā)現(xiàn)合適、可用的服務(wù)是體現(xiàn)其“智慧”的關(guān)鍵。智慧校園的情境感知數(shù)據(jù)采集技術(shù)是基于大量復(fù)雜的無線傳感器協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)感知數(shù)據(jù)來源和智慧校園建設(shè)的實(shí)際情況分析，感知數(shù)據(jù)采集可采用以下三種方式。

1)采用擴(kuò)增傳感器密度的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集法。這種方式通過在某一單位節(jié)點(diǎn)中增加傳感設(shè)備的數(shù)量(即密度)，進(jìn)而來增強(qiáng)整個(gè)智慧校園傳感網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和感知信息的準(zhǔn)確性。這種增加節(jié)點(diǎn)的方式，對感知數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)來說最為簡單，其設(shè)計(jì)和思路也易于理解。但這種數(shù)據(jù)采集方式也極易造成信息冗余和網(wǎng)絡(luò)問題。在智慧校園中數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備大部分都依靠無線傳感器，而每個(gè)傳感設(shè)備受電池續(xù)航、網(wǎng)絡(luò)訪問以及中央處理能力等硬件限制。這就使得單個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)對監(jiān)測范圍的數(shù)據(jù)可靠性隨著傳感器使用時(shí)間的延長而快速降低，且可利用的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性也會(huì)隨之降低，更明顯的是會(huì)加重網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，造成網(wǎng)絡(luò)堵塞，進(jìn)而影響其他傳感器的工作。

2)采用XSLT技術(shù)的頁面信息采集法。此采集方法主要是基于智慧校園平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)來考慮的。由于智慧校園大平臺(tái)下具有很多基于HTML5技術(shù)開發(fā)的應(yīng)用服務(wù)(尤其是移動(dòng)終端應(yīng)用程序)，因而針對這些應(yīng)用程序的網(wǎng)站頁面信息的抽取也是一種可行的數(shù)據(jù)采集方式。HTML作為一種國際標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)頁解釋語言，其語義較易被抽取。XML作為一種HTML擴(kuò)展語言，更已成為一個(gè)通用的數(shù)據(jù)交換、存儲(chǔ)與操作的格式標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于XML格式和應(yīng)用，各種相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工具己經(jīng)被廣泛開發(fā)，用以操縱XML數(shù)據(jù)。但由于HTML并不完全符合XML語法，且存在大量的語法錯(cuò)誤，因此必須先將HTML文檔轉(zhuǎn)換成符合XML語法的HTML文檔。HTML可以看作是XML的一個(gè)子集，可以利用標(biāo)準(zhǔn)的XSLT技術(shù)對HTML文檔進(jìn)行抽取，并將結(jié)果表示為XML文檔。然后利用工具對XML文檔進(jìn)行規(guī)整，使其結(jié)果更加符合目標(biāo)設(shè)備所要求的XML數(shù)據(jù)文檔。Web頁面信息抽取過程如下：首先確定采樣頁面對象和信息抽取需求，然后從樣本文檔中找到用戶感興趣的區(qū)域，并在這個(gè)區(qū)域內(nèi)細(xì)粒度地查找到具體的要抽取的數(shù)據(jù)項(xiàng)的定位信息，然后對不同樣本頁面的定位信息進(jìn)行歸納重構(gòu)，得出該類頁面用戶感興趣數(shù)據(jù)項(xiàng)的定位信息，進(jìn)而構(gòu)造出以XSLT文檔表示的抽取規(guī)則，最終應(yīng)用該抽取規(guī)則進(jìn)行實(shí)際的信息抽取。

3)遠(yuǎn)程移動(dòng)數(shù)據(jù)采集法。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，以智能手機(jī)為代表的移動(dòng)應(yīng)用迅速普及，智慧校園的服務(wù)已無法脫離移動(dòng)應(yīng)用，APP、微信等移動(dòng)應(yīng)用已成為最大熱點(diǎn)。目前很多應(yīng)用軟件已經(jīng)具備了基本的數(shù)據(jù)采集功能，如將手機(jī)的地理位置、通話記錄、日志等情況采集并發(fā)送到服務(wù)器端。為使得數(shù)據(jù)采集更貼近用戶真實(shí)環(huán)境，也越來越多地基于智能手機(jī)來展開。常見的手機(jī)智能采集系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)信息以JSON(Java Script Object Notation)格式存儲(chǔ)并保存到本地或者通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。JSON是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，采用文本格式，易于人閱讀和編寫，同時(shí)也易于機(jī)器解析和生成，是理想的數(shù)據(jù)交換語言。常見的基于智能手機(jī)應(yīng)用的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集工具軟件有W3Touch。它通過記錄用戶在智能手機(jī)上產(chǎn)生的交互行為，來幫助研究人員完成在特定的應(yīng)用程序或操作界面上發(fā)現(xiàn)可能存在的用戶體驗(yàn)問題的研究。

當(dāng)然，部分情境信息是無法通過傳感器來直接獲取值，這就需要根據(jù)與其他情境數(shù)據(jù)信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行判定，應(yīng)用邏輯推理來得出情境數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)新的情境描述。

另外感知數(shù)據(jù)采集的安全機(jī)制需要與整個(gè)智慧校園的平安管理監(jiān)控體系對接，從網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流通和采集的安全，從大數(shù)據(jù)的應(yīng)用和保障上實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的完整性安全，從訪問機(jī)制和加密措施上保證數(shù)據(jù)分析結(jié)果的安全和私密性。

4　結(jié)束語

本文僅是從情境感知數(shù)據(jù)采集的來源和不同方法上做了些簡單的研究。雖然上述這些方法具備了一定的情境感知數(shù)據(jù)采集能力，能夠在一定程度上為用戶獲得智慧體感提供服務(wù)，但由于受限于目前情境感知理論模型的完善和無線傳感器的精度和穩(wěn)定性等因素，在情境數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)融合方面還存在很多的問題。今后要充分抓住智慧校園建設(shè)的契機(jī)，對情境感知數(shù)據(jù)采集與分析做出更深入和更貼合實(shí)際的研究，為師生提供智慧服務(wù)。

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Study on Strategies of Context Awareness Data Collection Based on Smart Campus

JIANG DayangYAO QiJI Yun

(Changzhou College of Information Technology, Changzhou 213164, China)

With the application of all kinds of sensors in the smart campus, the collection of a large number of context awareness data has become the basis for the research and development of intelligence applications on campus. The methods of the collection of context-awareness data, its ideas and strategies have focused on in different models of the framework. Based on the ontology of the campus activities that can fully explain the structure of the relationship between the awareness data, the context awareness model is used in this paper. The sources and categories of awareness data in the smart campus are relatively clear. According to the sources and categories of context data, these three kinds of data acquisition strategy could be achieved through the increase of sensors, XSLT information capture and mobile terminal remote information acquisition.Key words：smart campus; context awareness; data collection; awareness data

2016-05-16

2015年江蘇省高校哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)目(2015SJD538)

蔣達(dá)央(1978-)，男，工程師，碩士，主要研究方向：信息技術(shù)

TP 274.2

A

1672-2434(2016)04-0029-03