An architecture to support design of context-aware mobile applications

Abstract

This thesis deals with the problem of interaction with context-aware mobile applications in digitally augmented physical spaces. The term "mobile application" is used as an umbrella term for any piece of software that can run on a mobile device in order to support a human task. “Context-aware” refers to the ability of such applications to use information about the environment or the user to adapt their behaviour accordingly. A "physical hyperlink" is a mechanism that associates a physical object or point in space with digital information/service(s). The term “digitally augmented physical space” refers here to a physical space where digital information relevant to points or artefacts can be accessed (e.g. by means of physical hyperlinks). In the last two decades mobile devices and applications have developed tremendously. With them, on one hand new ways appeared to support human tasks and on the other hand new research challenges emerged. A key factor is the continuous change of environment and context of use. This is very different to a classic desktop computer application, in which the external environment is hardly changing, as the user and the computer do not change location during interaction. In the world of mobile computing the environment and the context of use are changing, at a faster rate. One of the most widely spread mobile devices, the mobile phone, evolved into a powerful mobile computing device. These advanced devices are now ubiquitously spread and already billions of people carry and use them daily. New services and uses are emerging with every step of evolution of this technology. However these rapidly emerging and evolving technologies and services result in a generally heterogeneous environment that affects user experience. The advances in mobile technology permitted devices to be equipped with sensors and hardware that allow on one hand the acquisition of information from the environment and on the other hand interaction with objects like physical hyperlinks, that permit direct access to information related to physical artefacts. In the frame of this thesis a conceptual framework (MobiAct framework) and a service oriented architecture (MobiAct architecture) have been defined. The MobiAct framework deals with the interaction with context-aware mobile applications in a digitally augmented physical space. The MobiAct framework has as a goal to identify the main concepts that come into play while interacting with context-aware applications in digitally augmented physical spaces. MobiAct architecture is an innovative solution for delivering context-aware mobile services in digitally augmented physical spaces. The MobiAct architecture has MobiAct framework as the underlying base. The architecture aims at enabling a uniform and consistent user experience across spaces and contexts and at facilitating the design and development of context-aware mobile services by providing ready functionality for common tasks. Finally a set of software architectural patterns relevant to designing mobile context-aware applications have been identified. These patterns provide a set of building blocks to facilitate the design and development of similar systems. The road towards designing MobiAct conceptual architecture and framework for interacting with context-aware mobile applications included the development and evaluation of several prototypes mainly targeted at public and semi-public environments. These prototypes contributed in a great degree towards exploring and studying context-aware mobile applications and interaction with digitally augmented physical spaces using physical hyperlinks and subsequently defining the requirements for the architecture. To avoid binding the architecture to capabilities of a certain platform, the prototypes involved different devices and platforms. The prototypes and applications developed included educational games and a guide for a museum, an application to support users of a library and a shopping assistant aimed at a supermarket environment. The findings of these efforts contributed in the definition of the MobiAct architecture that has been evaluated through a software architecture analysis method based on scenarios and discussions involving representative stakeholders as well as an evaluation team

Αυτή η διατριβή πραγματεύεται το πρόβλημα της αλληλεπίδρασης μεταξύ χρηστών και εφαρμογών φορητών συσκευών με επίγνωση του πλαισίου, σε ψηφιακά επαυξημένους φυσικούς χώρους. Ο όρος "εφαρμογή φορητής συσκευής", ή “φορητή εφαρμογή”, χρησιμοποιείται ως όρος που περικλείει κάθε λογισμικό που μπορεί να εκτελεστεί σε μια φορητή συσκευή έτσι ώστε να υποστηρίξει μια ανθρώπινη εργασία (task). Ο όρος "πλαισιογνωστικός" αναφέρεται στη δυνατότητα τέτοιων εφαρμογών να χρησιμοποιήσουν πληροφορίες σχετικές με το άμεσο περιβάλλον ή με το χρήστη ώστε να προσαρμόσουν τη συμπεριφορά τους κατάλληλα. Ένας "φυσικός υπερσύνδεσμος" είναι ένας μηχανισμός που συσχετίζει ένα φυσικό αντικείμενο ή σημείο στο χώρο με ψηφιακή πληροφορία ή ψηφιακή υπηρεσία. Ο όρος "ψηφιακά επαυξημένος χώρος" αναφέρεται σε ένα φυσικό χώρο από όπου είναι προσβάσιμη ψηφιακή πληροφορία που σχετίζεται με σημεία ή αντικείμενα του χώρου (π.χ. μέσω φυσικών υπερσυνδέσμων). Τις τελευταίες δύο δεκαετίες οι φορητές συσκευές και εφαρμογές έχουν εξελιχθεί εντυπωσιακά. Μαζί τους εμφανίστηκαν νέοι τρόποι υποστήριξης ανθρώπινων εργασιών και παράλληλα παρουσιάστηκαν και νέα ερευνητικά προβλήματα. Ένας σημαντικός παράγοντας είναι η συνεχής αλλαγή του περιβάλλοντος στο οποίο γίνεται η χρήση και του πλαισίου επίγνωσης της χρήσης. Αυτό διαφέρει πολύ από τις κλασικές εφαρμογές υπολογιστών, όπου το εξωτερικό περιβάλλον αλλάζει ελάχιστα καθώς ο χρήστης και ο υπολογιστής δεν μεταβάλλουν τη θέση τους στη διάρκεια της αλληλεπίδρασης. Στον κόσμο των φορητών υπολογιστών το περιβάλλον και το πλαίσιο επίγνωσης αλλάζουν με γρηγορότερο ρυθμό. Μια από τις πιο ευρέως διαδεδομένες φορητές συσκευές, το κινητό τηλέφωνο, εξελίχθηκε σε μια ισχυρή φορητή υπολογιστική συσκευή. Αυτές οι εξελιγμένες συσκευές είναι σήμερα διάχυτες και δισεκατομμύρια ανθρώπων τις κουβαλούν και χρησιμοποιούν καθημερινά. Νέες υπηρεσίες και χρήσεις εμφανίζονται με κάθε βήμα εξέλιξης αυτής της τεχνολογίας. Ωστόσο αυτές οι ταχέως εμφανιζόμενες και εξελισσόμενες τεχνολογίες και υπηρεσίες καταλήγουν να δημιουργήσουν ένα γενικώς ετερογενές περιβάλλον, πράγμα το οποίο επηρεάζει την εμπειρία της χρήσης τους. Οι εξελίξεις στη φορητή τεχνολογία επέτρεψαν στις συσκευές αυτές να εξοπλισθούν με αισθητήρες και υλικό το οποίο επιτρέπει τη συλλογή πληροφοριών από το περιβάλλον και επίσης την αλληλεπίδραση με αντικείμενα όπως είναι οι φυσικοί υπερσύνδεσμοι, οι οποίοι επιτρέπουν την άμεση πρόσβαση σε πληροφορία που σχετίζεται με τα φυσικά αντικείμενα. Στο πλαίσιο αυτής της εργασίας ορίστηκε ένα εννοιολογικό πλαίσιο (πλαίσιο εργασίας MobiAct) και μια υπηρεσιοκεντρική αρχιτεκτονική (service oriented architecture) (αρχιτεκτονική MobiAct). Το πλαίσιο εργασίας MobiAct αφορά την αλληλεπίδραση με πλαισιογνωστικές φορητές εφαρμογές σε ψυφιακά επαυξημένους φυσικούς χώρους. Η αρχιτεκτονική MobiAct έχει ως στόχο τον εντοπισμό των βασικών σημείων της αλληλεπίδρασης με πλαισιογνωστικές εφαρμογές σε ψηφιακά επαυξημένους φυσικούς χώρους. Η αρχιτεκτονική MobiAct είναι μια πρωτοποριακή λύση για την παροχή πλαισιογνωστικών υπηρεσιών σε ψηφιακά επαυξημένους φυσικούς χώρους. Η βάση της αρχιτεκονικής MobiAct είναι το πλαίσιο εργασίας MobiAct. Η αρχιτεκτονική στοχεύει στην πραγμάτωση μιας ομοιόμορφης και συνεπούς εμπειρίας χρήστη διαμπάξ σε διάφορους φυσικούς χώρους και πλαίσια επίγνωσης και στη διευκόλυνση της ανάπτυξης πλαισιογνωστικών φορητών υπηρεσιών (μέσω της παροχής λειτουργικότητας για εργασίες που επαναλαμβάνονται συχνά). Τέλος έχει εντοπιστεί ένα σύνολο αρχιτεκτονικών προτύπων για το σχεδιασμό φορητών πλαισιογνωστικών εφαρμογών. Αυτά τα πρότυπα συγκροτούν μια ομάδα καλουπιών που διευκολύνουν το σχεδιασμό και την ανάπτυξη παρεμφερών συστημάτων. Η πορεία προς το σχεδιασμό του πλαισίου και της αρχιτεκτονικής MobiAct για την αλληλεπίδραση με φορητές πλαισιογνωστικές εφαρμογές συμπεριέλαβε το σχεδιασμό και την ανάπτυξη αρκετών πρωτοτύπων τα οποία στόχευαν κυρίως σε δημόσια ή ημι-δημόσια περιβάλλοντα. Αυτά τα πρωτότυπα συνέβαλαν σε μεγάλο βαθμό στην εξερεύνηση και στη μελέτη των πλαισιογνωστικών φορητών εφαρμογών και της αλληλεπίδρασης με ψηφιακά επαυξημένους φυσικούς χώρους μέσω φυσικών υπερσυνδέσμων και τελικά στον ορισμό των απαιτήσεων για την αρχιτεκτονική. Για την αποφυγή της υπερβολικής συσχέτισης της αρχιτεκτονικής με τις δυνατότητες μιας συγκεκριμένης πλατφόρμας, τα πρωτότυπα συμπεριέλαβαν διάφορες συσκευές και πλατφόρμες. Τα πρωτότυπα και οι εφαρμογές που αναπτύχθηκαν περιλαμβάνουν εκπαιδευτικές εφαρμογές και έναν πλοηγό για ένα μουσείο, μια εφαρμογή για την υποστήριξη των επισκεπτών μιας βιβλιοθήκης καθώς και έναν βοηθό αγορών σε περιβάλλον σούπερ μάρκετ. Τα ευρήματα αυτών των προσπαθειών συνέβαλλαν στον ορισμό της αρχιτεκτονικής MobiAct η οποία αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας μια μεθοδολογία ανάλυσης αρχιτεκτονικών λογισμικού που βασίζεται σε σενάρια και συζητήσεις με αντιπροσωπευτικούς συμμετόχους καθώς και με μια ομάδα αξιολόγησης.