Middleware support for context-awareness in distributed sensor-driven systems

Abstract

Context-awareness concerns the ability of computing devices to detect, interpret and respond to aspects of the user’s local environment. Sentient Computing is a sensor-driven programming paradigm which maintains an event-based, dynamic model of the environment which can be used by applications in order to drive changes in their behaviour, thus achieving context-awareness. However, primitive events, especially those arising from sensors, e.g., that a user is at position {x,y,z} are too low-level to be meaningful to applications. Existing models for creating higher-level, more meaningful events, from low-level events, are insufficient to capture the user’s intuition about abstract system state. Furthermore, there is a strong need for user-centred application development, without undue programming overhead. Applications need to be created dynamically and remain functional independently of the distributed nature and heterogeneity of sensor-driven systems, even while the user is mobile. Both issues combined necessitate an alternative model for developing applications in a real-time, distributed sensor-driven environment such as Sentient Computing. This dissertation describes the design and implementation of the SCAFOS framework. SCAFOS has two novel aspects. Firstly, it provides powerful tools for inferring abstract knowledge from low-level, concrete knowledge, verifying its correctness and estimating its likelihood. Such tools include Hidden Markov Models, a Bayesian Classifier, Temporal First-Order Logic, the theorem prover SPASS and the production system CLIPS. Secondly, SCAFOS provides support for simple application development through the XML-based SCALA language. By introducing the new concept of a generalised event, an abstract event, defined as a notification of changes in abstract system state, expressiveness compatible with human intuition is achieved when using SCALA. The applications that are created through SCALA are automatically integrated and operate seamlessly in the various heterogeneous components of the context-aware environment even while the user is mobile or when new entities or other applications are added or removed in SCAFOS.

Η επίγνωση του περιβάλλοντος αφορά την ικανότητα των υπολογιστικών συσκευών να ανιχνεύουν, να ερμηνεύουν και να ανταποκρίνονται στις πτυχές του τοπικού περιβάλλοντος του χρήστη. Το Sentient Computing είναι ένα παράδειγμα προγραμματισμού που βασίζεται σε αισθητήρες και διατηρεί ένα δυναμικό μοντέλο του περιβάλλοντος βασισμένο σε γεγονότα, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τις εφαρμογές για να καθοδηγήσει αλλαγές στη συμπεριφορά τους, επιτυγχάνοντας έτσι την επίγνωση του περιβάλλοντος. Ωστόσο, τα πρωτόγονα συμβάντα, ιδίως αυτά που προκύπτουν από αισθητήρες, π.χ. ότι ένας χρήστης βρίσκεται στη θέση {x,y,z}, είναι πολύ χαμηλού επιπέδου για να έχουν νόημα για τις εφαρμογές. Τα υπάρχοντα μοντέλα για τη δημιουργία γεγονότων υψηλότερου επιπέδου, με μεγαλύτερο νόημα, από γεγονότα χαμηλού επιπέδου, δεν επαρκούν για να συλλάβουν τη διαίσθηση του χρήστη σχετικά με την αφηρημένη κατάσταση του συστήματος. Επιπλέον, υπάρχει μεγάλη ανάγκη για ανάπτυξη εφαρμογών με επίκεντρο τον χρήστη, χωρίς αδικαιολόγητη επιβάρυνση προγραμματισμού. Οι εφαρµογές πρέπει να δηµιουργούνται δυναµικά και να παραµένουν λειτουργικές ανεξάρτητα από την κατανεµηµένη φύση και την ετερογένεια των συστηµάτων µε αισθητήρες, ακόµη και όταν ο χρήστης είναι κινητός. Και τα δύο ζητήματα σε συνδυασμό καθιστούν αναγκαία την ύπαρξη ενός εναλλακτικού μοντέλου για την ανάπτυξη εφαρμογών σε ένα κατανεμημένο περιβάλλον με αισθητήρες σε πραγματικό χρόνο, όπως το Sentient Computing. Η επίγνωση του περιβάλλοντος αναφέρεται στην ικανότητα των υπολογιστικών συσκευών να ανιχνεύουν, να ερμηνεύουν και να ανταποκρίνονται σε πτυχές του τοπικού περιβάλλοντος του χρήστη. Το Sentient Computing είναι ένα παράδειγμα προγραμματισμού βασισμένο σε αισθητήρες που διατηρεί ένα δυναμικό μοντέλο περιβάλλοντος βασισμένο σε γεγονότα, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τις εφαρμογές για να καθοδηγήσει τις αλλαγές στη συμπεριφορά τους, επιτυγχάνοντας έτσι την επίγνωση του περιβάλλοντος. Ωστόσο, τα πρωτόγονα συμβάντα, ειδικά αυτά που προκύπτουν από αισθητήρες, π.χ. ότι ένας χρήστης βρίσκεται στη θέση {x,y,z}, είναι πολύ χαμηλού επιπέδου για να έχουν νόημα για τις εφαρμογές. Τα υπάρχοντα μοντέλα για τη δημιουργία γεγονότων υψηλότερου επιπέδου, με μεγαλύτερο νόημα από γεγονότα χαμηλού επιπέδου δεν επαρκούν για να συλλάβουν τη διαίσθηση του χρήστη σχετικά με την αφηρημένη κατάσταση του συστήματος. Επιπλέον, υπάρχει μεγάλη ανάγκη για ανάπτυξη εφαρμογών με επίκεντρο τον χρήστη χωρίς υπερβολική επιβάρυνση προγραμματισμού. Οι εφαρμογές πρέπει να δημιουργούνται δυναμικά και να παραμένουν λειτουργικές ανεξάρτητα από την κατανεμημένη φύση και την ετερογένεια των συστημάτων αισθητήρων, ακόμη και όταν ο χρήστης είναι κινητός. Και τα δύο ζητήματα σε συνδυασμό καθιστούν αναγκαία την ύπαρξη ενός εναλλακτικού μοντέλου για την ανάπτυξη εφαρμογών σε ένα κατανεμημένο περιβάλλον με αισθητήρες πραγματικού χρόνου, όπως το Sentient Computing.