英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
基于android室内/室外环境定位的节能方法
摘要
如今，得益于用户的地理位置的公开，移动应用得到了广泛使用。位置信息的流行用法包括在社交媒体网站上分享所处位置、驾驶员辅助和导航系统以及查询附近的感兴趣的地方等。然而,普通用户可能没有意识到使用位置服务的高能源成本(即GPS)，也可能不能做出聪明的决定。例如：关于何时启用或禁用位置服务。因此，一种能够帮助用户做出这些决定的设计，可以极大地改善智能手机的电池寿命损耗。在本文中,我们提供了一个减少能源消耗的分析定位方法，在现代Android智能手机中添加一个室内定位机制,可以根据用户是否触发从而检测到用户处于室内或室外。基于我们对手机电池的能量分析以及实现我们提出的系统,我们进行了实验。实验结果表明，电池寿命与使用时间有紧密联系。室内定位方法判断的室内或室外环境可以提高智能手机的电池续航能力以及定位精度。
关键词 环境感知，能源效率，物联网，移动计算机处理技术，操作系统，传感器及应用程序
I. 简介
在当今社会上，基于定位的应用程序在现代智能手机上得到了广泛的应用。甚至可以说,许多人已经对这种类型的应用程序产生了依赖。位置信息被用于社交媒体网站上的地理标签，提供当地天气和新闻，帮助用户导航到想要的位置，并提供附近餐馆和商店的信息。然而，用户往往需要在这些基于定位的应用程序的便利性和功能，以及智能手机的电池寿命这两者中平衡。
现代智能手机主要提供两种方式用以确定用户的位置:全球定位系统(GPS)和基于网络的方法,如wifi和蜂窝无线通讯。两者之间的权衡归根结底在于精确度和能量。需要有精密的位置信息的应用程序选择使用更为耗电的GPS；当应用程序不需要太精密的位置信息时，可能使用基于网络的方法,虽然这是不准确的,但这种方法更为节省能源。用户可以在Android手机上决定位置服务的开或闭,也可以选择性地启用或禁用前面提到的两种方法来调整手机的准确性以及能源权衡。然而，在大多数情况下，由于健忘，一般用户不会太注意这些选项，也不知道这些选项是可用的，或者说是对能源成本缺乏了解，导致对这些选项的忽略。
另一方面，基于位置追踪的应用程序的开发人员可以根据程序的需求或其他因素选择使用GPS或基于网络的方法，从而减少能源消耗。然而，开发人员不能总是预测何时在方法之间动态切换。例如,基于网络的方法所返回的位置信息不够准确，不能保证某些应用程序(如导航应用程序)的功能实现，在这种情况下,全球定位系统(GPS)总是会被调用，无论是在什么环境或背景。因此，在GPS不可用或不准确的情况下，这会导致能源浪费，例如室内环境或“城市峡谷”。
同时，考虑到用户的行为将影响所有已安装的定位程序，而开发人员只能在应用程序的基础上设计算法。因此，一种基于使用环境不同而影响所有已安装的应用程序的定位机制将会节省大量的能源。
我们提出了一个关于现代智能手机的两种定位方法的猜想,添加一个室内定位方法以及检测室内或室外环境的能力，这种做法可以提高电池寿命,提高定位精度。为了测试这一点，我们在Android操作系统的位置服务框架中实现了一个室内/室外检测服务和一个简单的室内定位方法。在我们的设计中，我们实现了一个室内/室外探测系统（该系统是另一个作者以前设计的），并实现了无线网络的RSS，作为室内定位方法的原型。实际上，任何这样的室内定位方法都可以用来判断用户的位置，而未来的研究方向可以专注与这方面，从而进一步提高定位精度。
我们的贡献如下。
- 提出关于Android现有的定位方法(基于GPS和网络)的能耗分析以及给出我们的解决方案。
- 在Android操作系统中完善以前的室内/室外定位服务，以此作为一个完整的服务系统。
- 在操作系统中创建一个新的定位服务程序，在这个操作系统中，可以实现一个室内定位方法，以快速、高效的方式判断用户的位置。
- 修改FusedLocationProvider API，以此动态切换GPS和室内定位方法，判断的依据为用户所处位置为室内或室外。
这篇论文的结构如下。第二部分回顾了相关的环境传感、节能定位传感、室内定位以及Android操作系统的修改。第三节分析Android的定位服务框架的背景信息。第四部分提出了我们对Android现有定位方法的能耗分析，以及我们提出的新的解决方案。第五节讨论我们对操作系统的修改。第六节介绍了我们的实验结果。第七章讨论了未来的研究方向。最后，第八章给出了结论。
II.相关技术
我们的解决方案包括四个主要方向:1)环境背景;2)节能定位传感;3)室内定位;4)Android操作系统的修改。在智能手机上有各种各样的应用可以判断用户的活动或所处环境的信息，例如使用环境信息作为能效机制的触发器。提高智能手机的能效永远都是研究的重要方向。此外，定位服务的高昂能源成本使得节能改进成为一个吸人眼球的研究领域。移动设备的研究可以在应用程序级别上进行，比如创建节能的应用程序或原型，或者直接实现Android操作系统和较低的级别，比如Linux内核。Android是一个基于linux的操作系统，用于智能手机和平板电脑。Android系统包括一个触屏用户界面和其他功能，可以让手机被称为智能手机。这是一个支持各种应用程序的平台，应用程序可以通过Android商店提供。这个平台允许终端用户开发自己的应用，用户可以在Android框架上安装和使用自己开发或下载的各种应用。
安装在智能手机上的硬件(软件)传感器不断增加，这些传感器为智能手机感知外部环境提供了巨大的潜力。在我们的解决方案中,我们采用Zhou等人提出的室内/室外检测服务[1]。在他们的设计中,室内/室外环境分为“室内”,“半室外”和“室外”,综合RSS信号、光、磁强计、加速度计、接近传感器等因素得出判断结果。第三部分提供了关于该方案的更多细节。他们还提供了一个案例研究，在该案例中使用了他们的探测系统作为调用GPS的标准。本文通过结合室内定位法，分析了其潜在的节能潜力。我们的实验解决方案扩展了这个想法，将他们的服务应用于操作系统本身，并将室内或室外的状态作为室内定位的开关。
其他关于外部环境感知的工作包括了检测用户活动和/或周围环境。使用智能手机的传感器来推断用户的行走方向，在这方面已经有许多成熟的案例，大多数案例中使用了加速计或相关的惯性运动传感器。最近的一个案例是罗伊[2]提出的。除了简单地解释加速行走,罗伊[2]还考虑在步行身体其他部位的运动状态,如手臂摇摆和反弹。Nath[3]提出了ACE,一个旨在推断出用户的活动和他们的环境的中间设备。ACE旨在检测大幅度的用户活动，包括慢跑、驾驶或工作。另一个例子是由You[4]提出的CarSafe系统。CarSafe利用智能手机的前置摄像头和后置摄像头来监视用户和道路状况，以检测不安全驾驶行为。最后,Bisio[5]利用智能手机的环境传感和活动监视功能提出一个远程监测系统。
节能位置传感是一个流行的智能手机研究领域。Zhang [6]SensTrack提出SensTrack系统,当用户需要定位服务时，该系统可以使用智能手机的传感器来确定用户位置(例如,当用户更改行动方向)。如果遇到GPS信号不可用，但手机与无线网络连接时，他们的系统也会动态切换到基于网络的定位方式。Kjaelig;rgaard[7]提出了他们的EnTracked系统,该系统也同样根据用户的运动状态来优化全球定位系统(GPS)的调用。最后一个例子由Zhuang[8]提出,使用各种不同的技术来减少GPS的使用。这些技术包括灵活切换GPS与基于网络的定位方法,将定位请求与时间捆绑,考虑到手机运动的状态(例如,移动或不动)。
由于移动设备和基于位置的应用的广泛应用，室内定位正在成为研究的首要重点。室内定位研究通常侧重于使用无线技术或计算机视觉和图像处理技术来推断用户的位置。事实上,一些公司已经开始使室内定位商业化，例如IndoorAtlas[9]，该产品能通过磁场传感器建立一栋建筑的指纹数据库。Chintalapudi[12]讨论了类似的方法,该方法专注于分析wifi RSS信号的结果和GPS的位置信息，然后服务器收集这些数据用以对用户进行定位。然而，指纹识别技术也存在一些潜在的问题。Li[13]讨论了位置隐私问题与wi-fi指纹分析的联系并提出了指纹识别定位的隐私保护方案。指纹识别的另一个问题是,它通常需要一个离线“测量”的阶段。因此，不需要指纹或必要的额外设备的室内定位也是将来的一个研究领域。Kumar [14]提出Ubicarse系统,该系统旨在让移动设备作为大型室内天线阵列来定位自己，他们还实现了计算机视觉技术来对日常事物进行地理标记。
Android操作系统是开源的，可以自由修改，这使得研究人员可以直接将他们的设计应用到操作系统中。这使得智能手机在安全、性能、隐私以及能源效率等领域的研究都有了突破。前面提到的Zhuang[8]的方案就是修改Android的框架来实现节能定位传感。Enck[15]提出TaintDroid,一个由Android操作系统改造的系统,实时保护用户的私人信息，防止第三方应用程序侵犯用户的隐私。最后,Yan[16]提出了一种方案，大规模修改Android操作系统使得应用程序可以实时处理用户请求。
我们的解决方案侧重于对Android操作系统的修改，它使用室内和室外环境作为节能室内定位方法的开关。
III. 背景介绍
在阐述我们对Android的定位方法和我们的实验方案的分析之前，我们首先描述了Android操作系统中未被修改的定位服务框架。然后,我们还讨论了用于我们的解决方案中的室内/室外检测系统，并给出了选择该检测系统的理由。
- 安卓定位服务框架
通常Android应用程序开发人员可以从操作系统通过指定一个定位服务提供者(通常是GPS或网络提供者)以及提供时间和距离的要求请求位置信息。例如,“我想从GPS接收位置信息,至少间隔5秒,如果我的距离变化量大于50米。
除了明确指定一个位置服务提供者以外,开发人员还可以使用最近的FusedLocationProvider API（提供部分Google Play服务）,这是一个私人用户访问Google-specific服务的API(谷歌地图,驾驶,电子支付等)。Google Play服务安装在大多数Android设备上，现在还包括了基于网络的定位服务提供商，因为网络提供商通过向谷歌服务器的网络请求来确定用户的位置。
FusedLocationProvder API的工作方式如下:不是明确地指定位置服务提供者、而是应用程序简单地提供其环境信息,FusedLocationProvider根据电力需求,自动选择最合适的位置信息提供者并返回位置信息。使用这个API有助于简化开发人员的开发过程，并提高定位精度和能源消耗。
B.室内/室外环境检测服务
我们的解决方案的设计，包括室内/室外检测服务的实现，将[1]作为一个真正的提供系统服务的Android操作系统。由于种种原因，我们选择了他们的系统。尽管在室内导航领域进行了大量的研究，但大多数人认为，当用户开始导航时，他们就处于室内环境中。他们对于室内和室外环境的动态检测，并没有太多的研究，尤其在智能手机领域的研究。在这种情况下，对于室内和室外环境的动态检测就显得尤为重要。此外,[1]的开发者认为他们的系统应该是一个“通用服务”,暗示这是应该移植到其他应用(如操作系统服务)。最后，他们的系统原型是为Android设备开发的，并利用了大多数Android手机上常见的传感器。因此，在我们的认知中，它是我们解决方案设计中最好的候选系统。
简而言之,他们的系统使用以下五个硬件组件来确定一个智能手机的三种可能的状态:1)室内;2)半户外;或3)户外。
1）计步传感器触发室内/室外检测。
2）无线信号接收器，随着时间的推移，记录附近的信号基站的RSS信号变化。
3）光传感器测量环境亮度;检测不同时段的光信号。
4）磁力计测量磁场变化。
5）距离传感器-用于检测手机是否在口袋里;验证光传感器读数。
根据用户的移动状态,将收集到的数据(以及当前状态)整合分析，更新所处位置。他们的原型系统是作为一个Android应用程序开发的，但是他们的算法的特性使得它可以作为一个真正的系统服务来实现，而不会影响到检测的准确性。
IV. 分析
在本节中,我们深入研究每一种Android的定位方法和室内/室外检测服务。
接下来，我们将分析每种定位方法和室内/室外检测服务，以确定每个硬件组件的使用频率，以便计算电池寿命在每个组件工作下的寿命。为了确定每个测试的硬件使用情况,我们结合了分析操作系统的开放源代码和监控Android的工作电池报告服务(使用dumpsys命令)这两者。电池服务的返回信息包括wifi扫描持续多久,是否打开或关闭GPS/传感器。在已有系统NetworkLocationProvider的情况下,我们更多地着重于于监控电池的服务,同时我们也对网络上以前的源代码进行了分析，因为其功能可能并没有显著改变。
为了评估一个室内定位方法所损耗的电池寿命,我们想到收集wifi RSS信号，每5 s收集一次RSS信号(即12次/分钟)。对于定位程序，我们分析它们的硬件使用情况(如导航程序)。在我们监视电池寿命的过程中,我们发现网络提供商在默认情况下,设置无线扫
全文共5711字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[143006]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
