實作可設定式之行動感測平台 - 政大學術集成

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(1)國立政治大學資訊科學系 Department of Computer Science National Chengchi University 碩士論文 Master’s Thesis. 立. 政治大. ‧ 國. 學 ‧. 實作可設定式之行動感測平台. n. al. er. io. sit. y. Nat. Design and Implementation of a Configurable Service Platform for Mobile Sensing. Ch. engchi. i n U. v. 研究生：黃建烽指導教授：陳. 恭. 中華民國一百零二年七月 July 2013.

(2) 實作可設定式之行動感測平台. Design and Implementation of a Configurable Service Platform for Mobile Sensing 研究生：黃建烽. Student：Chien-Feng Huang. 指導教授：陳恭. Advisor：Kung Chen. 國立政治大學資訊科學系碩士論文. 學 ‧. ‧ 國. 立. 政治大. sit. y. Nat. n. er. io. A Thesis submitteda to Department of Computer v Science i l C n National University U h eChengchi ngchi in partial fulfillment of the Requirements for the degree of Master in Computer Science . 中華民國一百零二年七月 July 2013 .

(3) July 20. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. ii . i n U. v.

(4) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v.

(5) 實作可設定式之行動感測平台. 摘要. 長久以來，學者專家為進行各種與人們行為有關的實驗，使用了多種方法進行數據的收集，卻存在著一些缺點或是成本過高，不易大規模推行。近. 政治大. 年來，隨著行動科技的高速發展，智慧型手機已經相當普及。由於智慧型. 立. 手機內建眾多的感測器(Sensors)及裝置(Devices)，透過撰寫及執行特定的. ‧ 國. 學. 手機應用程式（APP），即可蒐集手機所偵測到的使用者行為相關之資訊，. ‧. 並加以分析處理。行動感測(Mobile Sensing)遂成為新型態的數據收集方式。. y. Nat. er. io. sit. 但是，僅就特定之感測實驗所需數據項目，開發數據蒐集的行動應用程式，. n. 亦或是不管實驗需求，讓程式蒐集全部項目的感測數據，都不是理想的作 a v. i l C n hengchi U 法：不是欠缺彈性考量就是未能考慮手機使用者的隱私關切。. 本研究實作一個通用於所有行動作業系統上之可設定式之行動感測服務平台，它可以協助研究者根據其需求自行設定感測實驗項目及其條件規範。之後，透過建立於伺服器端與客戶端之間特定的資料交換機制，進行實驗的發布及兩端的互動溝通。整體運作過程中，客戶端的參與者只需簡易地安裝一套行動應用程式，便能夠輕鬆參與進行各種感測實驗、貢獻實驗數據。最後，我們模擬幾項實驗，用以驗證平台之實際運作效能。 i .

(6) 關鍵字：智慧型手機、行動感測、隱私. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. ii . i n U. v.

(7) Design and Implementation of a Configurable Service Platform for Mobile Sensing. Abstract. Experimental data obtained in scientific research is extremely important. For a long time, people use a variety of methods for data collection, but most of them. 政治大. are either restricted or expensive. In recent years, with the rapid development. 立. of mobile technology, smart phones are becoming very popular. With many. ‧ 國. 學. built-in sensors and devices, smart phones can be used as a new tool of data collection, hence the emergence of mobile sensing. By installing a mobile. ‧. application (APP) on a user’s smart phone, researchers can collect those. y. Nat. sit. required sensor data from the user and analyze it for their study.. a. er. io. This research presents a configurable service platform for mobile sensing. n. i v researchers and privacy which aims to reconcilel the flexibility neededn by. Ch. i U. e particular, n g c h our platform allows researchers to concerns of smart phone users. In. use our GUI tool to easily set up an experiment by composing an experiment configuration file (ECF) which specifies the sensor types to collect and the filtering rules for data selection. Users of smart phones can join any experiments by installing a single piece of logger APP developed according to our ECF specification. Besides, users will be fully informed of the data to collect before agreeing to participate a specific experiment. In such a manner, we achieve a proper balance between flexibility and privacy. Finally, we conducted several experiments to validate the feasibility of our service iii .

(8) platform with users of Android smart phones.. Keyword: Mobile sensing, smart phones, privacy . 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. iv . i n U. v.

(9) 致謝. 論文終於完成了，總算放下心中的一顆大石頭。回首兩年來的研究生涯，獲益良多，非三言兩語所能完整形容。此時此刻，心中充滿了無比的喜悅、感動與感激。首先，要誠摯的感謝我的指導教授陳恭老師。從題目的選定開始，老師便給我許多建議。而在進行研究的過程中，老師更是不厭其煩的給予指導，讓我得到不同的思考方. 政治大. 向。謝謝老師悉心的教導，讓我得以順利的完成本篇論文。. 立. ‧ 國. 學. 感謝口試委員陳百齡教授、鄭宇君教授及廖峻鋒教授在口試期間的細心的審閱，三位老師對於論文的架構與內容，惠賜了許多寶貴意見，讓我受益匪淺，也使本篇論文更. ‧. 臻完善。. y. Nat. io. sit. 感謝我的工作上的老長官秋鳳姐，謝謝秋鳳姐的長久以來的鼓勵及提攜，讓我得以. n. al. er. 兼顧學業與工作。也謝謝我的所有同事們，感恩他們在這些日子以來，在工作上的分擔與諒解，讓我能夠沒有後顧之憂的完成學業。. Ch. engchi. i n U. v. 最後，將此論文獻給我最親愛的家人，感謝雙親、兄姊們，我的太太敏梅及兩個可愛的女兒，感謝你(妳)們的支持，給了我一個永遠的避風港，也讓我更有勇氣面對更多的挑戰。謹以此篇論文表達內心最誠摯的感激。. 黃建烽謹識於國立政治大學資訊科學系中華民國一百零二年七月. v .

(10) 目錄第一章序論 .............................................................................................................................. 1 1.1 研究背景 ..................................................................................................................... 1 1.1.1 眾多的行動感測項目 ...................................................................................... 2 1.1.2 高普及率 .......................................................................................................... 3 1.2 研究動機 ..................................................................................................................... 4 1.3 問題描述 ..................................................................................................................... 6 1.4 研究目標 ..................................................................................................................... 7 1.4.1 伺服器端 .......................................................................................................... 7 1.4.2 客戶端 .............................................................................................................. 8 1.4.3 兩端之介接 ...................................................................................................... 9 1.5 論文結構 ..................................................................................................................... 9 第二章文獻探討 .................................................................................................................... 11 2.1 行動感測類型 ........................................................................................................... 11 2.1.1 參與感測(Participatory Sensing) ................................................................... 11 2.1.2 機會感測(Opportunistic Sensing) .................................................................. 12 2.2 實驗可設定化 ........................................................................................................... 12 2.2.1 片面式行動感測 ............................................................................................ 12 2.2.2 全面式行動感測 ............................................................................................ 14 2.3 實驗發布策略 ........................................................................................................... 16 2.3.1 推式法(push-based approach) ........................................................................ 16 2.3.2 拉式法(pull-based approach) ......................................................................... 17 2.4 上傳 ........................................................................................................................... 18 2.4.1 上傳規格 ........................................................................................................ 19 2.4.2 上傳時機 ........................................................................................................ 20 第三章系統架構與實作 ........................................................................................................ 21 3.1 項目屬性代碼表 ....................................................................................................... 21 3.2 實驗設定檔(ECF) ..................................................................................................... 23 3.2.1 ECF:DSL 推導 ................................................................................................ 24 . 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 3.2.2 感測實驗定義 GUI ........................................................................................ 27 3.2.3 ECF 之發布 ..................................................................................................... 28 3.3 實驗記錄檔(ELF) ..................................................................................................... 30 3.4 使用 MQ 調節上傳 ................................................................................................... 31 3.4.1 資料儲存原則 ................................................................................................ 33 vi .

(11) 3.5 相關元件 ................................................................................................................... 34 3.6 系統架構 ................................................................................................................... 34 第四章實驗與評估 ................................................................................................................ 36 4.1 行動軌跡 ................................................................................................................... 36 4.1.1 實驗定義 ........................................................................................................ 36 4.1.2 實驗進行 ........................................................................................................ 38 4.1.3 實驗結果 ........................................................................................................ 38 4.2 WIFI 訊號強度分析................................................................................................... 39 4.2.1 實驗定義 ........................................................................................................ 39 4.2.2 實驗進行 ........................................................................................................ 42 4.2.3 實驗結果 ........................................................................................................ 43 4.3 GSM 訊號強度分析 .................................................................................................. 44 4.3.1 實驗定義 ........................................................................................................ 44 4.3.2 實驗進行 ........................................................................................................ 46 4.3.3 實驗結果 ........................................................................................................ 46 4.4 電話撥打記錄分析 ................................................................................................... 47 4.4.1 實驗定義 ........................................................................................................ 47 4.4.2 實驗進行 ........................................................................................................ 49 4.4.3 實驗結果 ........................................................................................................ 49 第五章結論與未來發展 ........................................................................................................ 52 5.1 結論 ........................................................................................................................... 52 5.2 未來發展 ................................................................................................................... 52 參考文獻 .................................................................................................................................. 54 . 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. vii . i n U. v.

(12) 圖目錄. 1：行動感測基本流程 ........................................................................................ 5 2：CLAP 系統實驗建立及發布簡圖 ................................................................. 8 3：系統實驗數據上傳示意圖 ............................................................................ 9 4：片面式行動感測運作示意圖 ...................................................................... 13 5：全面式行動感測運作示意圖 ...................................................................... 14 6：PRISM 架構圖 ............................................................................................ 17 7：推式法與拉式法之示意圖 .......................................................................... 18 8：ECF:DSL 感測項目、頻率、過濾條件與上傳時機等定義 ..................... 25 9：感測定義轉換為 ECF:DSL 內容 ................................................................ 26 10：定義感測項目、頻率與過濾條件之 GUI ................................................ 27 11：ECF Script 編輯區塊 ................................................................................. 28 12：感測驗之發布流程 .................................................................................... 29 13：ECF 之內容範例 ........................................................................................ 30 14：ELF 之內容範例 ........................................................................................ 30 15：伺服器因客戶端上傳 ELF 而負荷過重 ................................................... 31 16：使用 MQ 調節 ELF 上傳........................................................................... 32 17：DAO 示意圖 .............................................................................................. 33 18：系統架構圖 ................................................................................................ 35 19：行動軌跡實驗新增畫面 ............................................................................ 37 20：行動軌跡實驗之感測項目 ........................................................................ 37 21：行動軌跡實驗之結果 ................................................................................ 39 22：WIFI 訊號強度分析實驗之感測項目 ...................................................... 40 23：WIFI 訊號強度分析實驗進行之範圍 ...................................................... 41 24：WIFI 訊號強度分析實驗之過濾條件 ...................................................... 41 25：WIFI 訊號強度分析實驗之結果 .............................................................. 43 26：GSM 訊號強度分析實驗之感測項目 ...................................................... 44 27：GSM 訊號強度分析實驗之過濾條件 ...................................................... 45 28：GSM 訊號強度分析實驗之結果 .............................................................. 46 29：電話撥打記錄分析實驗之感測項目 ........................................................ 48 30：電話撥打記錄分析實驗之過濾條件 ........................................................ 48 . 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. al. er. io. sit. y. Nat. 圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖. Ch. engchi. viii . i n U. v.

(13) 表目錄. 1：傳統常見之數據收集方式 ............................................................................ 1 2：智慧型手機上的感測項目 ............................................................................ 2 3：2013 年全球第一季智慧型手機銷售量統計表 ........................................... 4 4：AntDroid: WiFi 網路感測範例 .................................................................... 15 5：MobileSens 的上傳 JSON 範例 .................................................................. 19 6：行動感測項目類別、項目及屬性表 .......................................................... 22 7：ECF:DSL 依目標問題簡單分析 ................................................................. 25 8：ECF:DSL 主要關鍵字對照表 ..................................................................... 26 9：系統使用元件 .............................................................................................. 34 10：行動軌跡實驗之 DSL................................................................................ 38 11：WIFI 訊號強度分析實驗之 DSL .............................................................. 42 12：WIFI 訊號強度分析實驗之區分 .............................................................. 42 13：WIFI 訊號強度分析實驗之 DSL .............................................................. 45 14：GSM 訊號強度分析實驗之區分 .............................................................. 45 15：電話撥打記錄分析實驗之 DSL................................................................ 48 16：電話撥打記錄分析實驗之撥出電話統計 ................................................ 49 17：電話撥打記錄分析實驗之接收電話統計 ................................................ 50 18：電話撥打記錄分析實驗之接收電話統計 ................................................ 50 . 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. al. er. io. sit. y. Nat. 表表表表表表表表表表表表表表表表表表. Ch. engchi. ix . i n U. v.

(14) 第一章序論 1.1 研究背景. 治政實驗數據的取得在科學研究中為重要之環節，藉由數據的收集及分析結果，研究者得以大立驗證他們所提出的理論是否正確。長久以來，人們在傳統上使用了多種方法以進行數據 ‧ 國. 學. 的收集，但這些方法也存在著許多的缺點，特別是當所要調查之事項與人類行為習習相. ‧. 關時，更顯得困難重重、滯礙難行。表 1 列舉了傳統常見之數據收集方式及其缺點。. sit. n. al. er. io. 調查法. y. Nat 分類. 表 1：傳統常見之數據收集方式常見方式. iv. 缺點. n U 拒訪問題 engchi 問卷調查參與者觀感落差大. Ch.    . 人員訪談電話訪談. 定點裝設測量儀器觀察法. 數據精確度差訪查員素質、訓練.  設備購置成本  重覆使用性低  測量儀器成本  人員訓練及派遣成本. 專業人員測量. 經由問卷訪談所取得之資料，往往會受到受訪者的拒訪或主觀價值認定差異，或是訪查員缺乏經驗，或其素質能力不足，導致實驗數據缺乏質與量。而於特定地點裝設測 1 .

(15) 量設施，或由專業人員測量等方式，雖可能較為準確，但是若欲產出一定水準之數據成果，在測量儀器購置及人員訓練成本方面，可能所費不貲。近年來，隨著行動科技的高速發展，行動裝置的普及率急速上升，行動感測(Mobile Sensing)成為一種新型態的數據收集方式。行動感測是一種利用行動裝置(Mobile Device) 內建的感測器(Sensors)及裝置(Devices)等，將裝置所處位置的環境資訊，或者是將持有者的操作行為，透過特定的處理過程而記錄下來的一種感測模式。它具備兩項主要優勢，分別確保了數據收集的質與量。. 政治大. 學. 列舉項目. ‧. 加速度感應器(Accelerometer) 重力感應器(Gravity) 陀螺儀感應器(Gyroscope) 光度感應器(Light) 線性加速度感應器(Linear Accelerometer) 磁性感應器(Magnetic Field) 放置方向感應器(Orientation) 壓力感應器(Pressure) 距離感應器(Proximity) 旋轉向量感應器(Rotation Vector) 溫度感應器(Temperature) … 等等. io. sit. y. Nat. al. n. 感測器(Sensors). er. 類別. ‧ 國. 立表 2：智慧型手機上的感測項目. Ch. engchi. i n U. v. 裝置(Devices). GPS、WIFI、藍芽、電子羅盤、CPU 使用率、記憶體使用量 … 等等. 行為資訊(Behavior). 電話撥打資訊、簡訊資訊、網頁瀏覽資訊 … 等等. 1.1.1 眾多的行動感測項目隨著科技的進步，現今的行動裝置上，不僅僅只是提供計算或是通信功能，另外還裝載 2 .

(16) 了許多用途廣泛的感測器，表 2 以智慧型手機(Smartphone)為例，列舉部份可用於行動感測之項目。行動裝置具備種類眾多感測項目的優點，除了可用於取代傳統用於單一或少數測量用途之電子儀器之外，還可以透過複合性的搭配運用，相互結合，共同協助實驗的進行，提供了數據收集項目的多樣化，也保障了一定的數據品質水準。. 1.1.2 高普及率. 政治大. 根據知名的國際研究暨顧問機構 Garner 於 2013 年 5 月所公佈之統計報告[1]，如表 3 所. 立. 示，智慧型手機於 2013 年第一季的銷售量已達 2 億 1,000 萬支，相較於 2012 年第一季. ‧ 國. 學. 成長約 42.9%。另外，根據資策會產業情報研究所(Market Intelligence & Consulting Institute, MIC)，於 2013 年 5 月研討會上所公佈之研究報告[2]，顯示國人使用行動裝置. ‧. 的成長快速，智慧型手機的使用率從 2011 年的 38.3%增加至現今的 73.6%，平板電腦的. Nat. sit. y. 使用率也從 5.7%升至 29.5%。因此，可知行動裝置的具備高持有率，並持續成長之中。. er. io. 智慧型手機已儼然成為人們生活的核心。. al. n. v i n Ch 高普及率所象徵的意義重大，在適當的運用之下，具備下列之優點： engchi U 1. 可以無形融入生活當中，增加了實驗的樣本數。在適當的運用之下，從母體中取得的數據樣本，因為不會侷限於少數特定來源，對於實驗的進行將更為客觀及公平，也能夠具備更高的代表性。 2. 可以真實反應情況，立即測得當下的數據，提升數據準確度及參考價值。 3. 研究者不必花費成本購買大量的特定裝置，可以直接以智慧型手機等行動裝置來取代。 4. 可透過設置行動應用程式(Mobile Application，簡稱 APP)，處理數據收集之事宜，可大量降低成本於訓練或派遣人員。 3 .

(17) 由於上述之種種優勢，行動感測已成為近年來備受囑目之研究及開發方向。. 表 3：2013 年全球第一季智慧型手機銷售量統計表 2013 年 Q1 2013 年 Q1 銷售量市占率(%). 作業系統. 2012 年 Q1 銷售量. 2012 年 Q2 市占率(%). Android. 156,186.0. 74.4. 83,684.4. 56.9. iOS. 38,331.8. 18.2. 33,120.5. 22.5. Research in Motion. 6,218.6. 3.0. 9,939.3. 6.8. Microsoft. 5,989.2. 2,722.5. 1.9. 3,843.7. 2.6. 立. Bada. 政治2.9 大 1,370.8 0.7 0.6. 12,466.9. 其他. 學. 8.5. 600.3. 0.3. 1,242.9. 0.8. 總計. 210,046.1. 100.0. 147,020.2. ‧ 國. 1,349.4. ‧. Symbian. y. Nat. n. er. io. sit. *資料來源: Garner (2013 年 5 月). al. 1.2 研究動機. 100.0. Ch. engchi. i n U. v. 一般而言，行動感測有一個最主要的條件限制，即是必須安裝特定的 APP 進行處理。在此 APP 必須明確定義數據收集項目、處理原則及實作程式邏輯，其內容包含： 1. 感測項目：所要擷取的感測器或裝置之資訊，如：WIFI 強度、經緯度。 2. 感測條件：執行感測的條件及限制，如：指定手機型號、指定區域內。 3. 後續處理：收集到數據之後，所要進行的處理。例如：上傳或進行分析。圖 1 為一個行動感測基本的處理流程。. 4 .

(18) 立. 政治大. 圖 1：行動感測基本流程. ‧ 國. 學. 然而，現今市面上目前可見之行動感測應用程式，因需求及目的有所不同，主要都. ‧. 為單一特定用途而規劃及設計。例如：Cheng-Yu Lin 等人所提出的 TPE-CMS [3]，其研. sit. y. Nat. 究是利用行動感測相關技術，收集地理資訊系統(GPS)及三軸加速度器(Accelerometer). io. er. 之數據，並搭配台北市政府資料開放平台[4]的公車動態資訊，針對台北市公車的搭乘舒適度進行全面性調查。而 Vpon[5]則是透過收集電信與 Wifi 基地台等資訊，發表了有關. al. n. v i n Ch 台灣行動市場的數據報告[6]，報告中分別針對行動裝置用戶，日常及特殊節日(如元旦 engchi U. 跨年、春節過年、WBC 世棒賽、反核大遊行)之使用行為進行分析，包含了電話撥打行為、APP 的使用行為等等。. 上述兩例，不論在感測項目、過濾條件、感測頻率，或是在後續處理上，都明顯有所差異，因此，兩者的行動應用程式，甚至於整個分析架構與模組都必須特別製作，之間並無法相互交換或重複使用。另外，對於參與者而言，也因必須配合安裝多套應用程式，帶來許多不便。針對上述問題，許多研究文獻都曾提出各種全面行動感測的方案，意即，在實際處 5 .

(19) 理上，僅需透過同一套應用程式，一次性針對所有行動裝置的資訊進行感測。然而，此種做法缺乏對於實驗定義的彈性化，也造成無關的數據一併被進行感測收集。還將導致系統整體處理運作資源的虛耗，例如：手機的電力耗損問題。除此之外，還有隱私安全上的疑慮，被收集的感測數據中可能包含了許多參與者不想被收集，或是研究者也不願去碰觸的敏感數據，都可能造成個人隱私安全上的危害。因此，本研究認為，必須有一個機制能夠將所有的感測項目做全面性的整合，並且提供一個可設定式平台，給予一定之彈性，一方面協助研究者能夠依據自己的需求條件. 政治大. 來客製化實驗，另一方面，也讓行動裝置用戶能夠更容易，且更願意的參與實驗。. 立. 基於以上之動機說明，我們將問題從三個方面歸納如下：. ‧. ‧ 國. 學. 1.3 問題描述. sit. y. Nat. 1. 專案開發者的角度：必須滿足具備彈性、重用性，並適用於各種行動作業系統. n. al. er. io. 等條件，減少專業開發者不斷開發特定程式所耗費的時間與心力。. i n U. v. 2. 研究者的角度：必須提供一個環境，協助研究者可以很方便的，自行建立及描. Ch. engchi. 述所想要進行的實驗內容，並且能順利的收集實驗數據。 3. 參與者的角度：必須能吸引參與者的加入，此部份必須從多層面進行考量，例如：簡化參與的複雜度、有效率的減少行動裝置不必要的電力耗損與資源浪費，以及避免造成參與者有個人隱私上的疑慮等。因此，在實作上，勢必不能再採用以往之方式，將所有之程式運作邏輯全然固定寫入行動應用程式之中。在新的做法上，必須要能將這些規則定義加以萃取出來，取代成為研究者可隨需求自行彈性調配之設定文件。另一方面，在考量研究者可能沒有任何程式設計的知識背景情況下，此份文件要能易於產生及修改。在實驗的進行上，此份文件也必須能夠透過簡單方便之機制，進行公佈及更新。相同的，經由受測行動裝置所收集 6 .

(20) 而來之資料，也要有適當之機制自動判斷上傳或處理，參與者可以不必花費任何心力介入這些運作過程。而在應用程式的設計上，任何感測實驗的進行都必須事先徵得參與者之同意，以避免穩私權受到侵犯，在運作上，也應盡量減少不必要的耗電。最後，在整個過程中，還要保留系統架構的擴充性，以因應大量數據帶來的影響。. 1.4 研究目標本研究主要目標有：. 1.. 學. ‧ 國. 2.. 治政建立行動感測項目的分類及整合。大立提供可設定式之圖形化操作介面，協助研究者進行實驗定義。. 3. 建立通用之彈性機制，促使各行動作業系統應用程式能與本平台順利介接。. ‧. 4. 客戶端解析實驗設定檔、執行實驗任務，及隱私權與電耗之妥善管控。 5. 確保系統具備易擴充之彈性。. sit. y. Nat. n. al. i n U. 及客戶端兩個主要部份，及兩端之介接運作機制。. 1.4.1 伺服器端. Ch. engchi. er. io. 基於以上目標，本研究實作一套可設定式之行動感測服務平台，系統分為伺服器端. v. 伺服器端以 Web 應用程式(Web Application)形式建立，研究者可以透過實驗設定網站，以圖形使用者介面(GUI)之方式，根據實驗的需求來進行定義。此定義最終將自動產生實驗設定檔(Experiment Configuration File，簡稱 ECF)。其內容包含： 1. 感測內容 2. 感測頻率 3. 過濾條件 4. 上傳時機 7 .

(21) 5. 適用手機型號、作業系統版本。接著透過兩端介接之機制，將 ECF 散播至客戶端。. 1.4.2 客戶端客戶端以各行動裝置平台之 APP 形式建立，處理內容包含上述 ECF 之解析與執行，將所收集之感測數據包裝為實驗數據檔(Experiment Log File，簡稱 ELF)，並加以加密及上傳。另外，也考量到隱私權及電耗上的因應及管控等等。. 政治大本研究在設計上通用於所有行動作業系統平台，客戶端只需符合介接之規格進行製立. ‧ 國. 學. 作，即可順利達成與伺服器端共同之運作。目前於客戶端，我們選擇採用安卓 (Android[22][23])作業系統為實作對象，此部份由王俊翔同學負責建置，詳如王同學所. ‧. 提出的「安卓智慧型手機上可設定式之行為感測記錄器(A Configurable Activity Logger. sit. y. Nat. for Android Smartphones)」之論文。而整個共同實作之專案的命名上，我們統稱為. io. n. al. er. CLAP(Configurable Logger for Android Platform)。. Ch. engchi. i n U. v. 圖 2：CLAP 系統實驗建立及發布簡圖 8 .

(22) 1.4.3 兩端之介接伺服器端與主要透過 Web Service 方式進行資料交換。當研究者至實驗設定網站上進行設定而產生 ECF 之後，便可將之散布至客戶端。如圖 2 所示。另一方面，當客戶端啟動感測且收集資料後，會依據 ECF 檔所定義之上傳時機，處理數據的上傳。上傳資料時，客戶端的 APP 會先依原始記錄產生實驗記錄文件 (Experiment Log File，簡稱 ELF)，並予以加密，之後同樣透過 Web Service，將數據遞. 政治大. 送至伺服器端，再由伺服器端負責接收之模組，進行後續之處理。如圖 3 所示。. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 3：系統實驗數據上傳示意圖. 1.5 論文結構本論文主要分為五個章節，第一章為序論，主要在於介紹整個研究的源起與概略性解說，包括研究背景、研究動機、問題描述、研究目標及各章節之概述。第二章為文獻探討， 9 .

(23) 將針對本研究相關之理論、技術與研究，做出探討。第三章為系統架構，將介紹本系統組成元件、系統運作流程、實驗設定檔之設計，及系統模組功能性的描述。第四章為實驗與評估，透過進行模擬實驗之進行，驗證系統運作之效能。最後，我們在第五章提出結論及未來發展。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 10 . i n U. v.

(24) 第二章文獻探討本研究主要針對行動感測的可設定式進行實作，故先從行動感測知識背景進行了解，並. 政治大. 針對各研究之實作方法進行比較，包括：行動感測類型、實驗設定策略、實驗發布策略. 立. 等。. ‧ 國. 學. 2.1 行動感測類型. ‧. 行動感測相關研究發展至今，許多學者提出不同之架構，其中，以參與感測(Participatory. y. Nat. er. io. sit. Sensing)和機會感測(Opportunistic Sensing)最具有代表性。以下分別介紹。. 2.1.1 參與感測(Participatory Sensing). n. al. Ch. engchi. i n U. v. 參與感測最早是由 J. A. Burke 等人[12]所提出，其運作可以分為三層： 1. 感測層：包括參與者與設備，負責任務的進行與數據的收集。 2. 傳輸層：介於感測層及處理層之間，負責將要進行之任務資訊發佈至感測層，而將感測而得來之數據，上傳至處理層。 3. 處理層：負責處理數據，進行整理、分析，以產出重要之資訊。顧名思義，參與感測最重要之要素在於人們的參與，透過人們的加入協助判斷及收集數據，才能得以擴大其感測分析之範圍，獲得涵蓋面廣，甚至巨量之數據。相對的，它的缺點也在於過度依賴人們，易造成參與者的負擔，必須適當的吸引群眾的興趣，或 11 .

(25) 是給予利益，才能擴大其參與範圍。. 2.1.2 機會感測(Opportunistic Sensing) 機會感測是另一種方式。與參與感測的差別，在於機會感測強調的不是人們的介入，而且系統的組職運作。換言之，機會感測可以動態的利用行動裝置提供的資源，當設備滿足一定條件時，就會進行數據的收集、傳輸及處理。這樣的好處是，參與者不需為了配合提供數據的收集，而改變自己的日常行為模式，但是相對的，由於機會感測不需要人. 政治大. 們過多的介入與操作，較容易造成隱私權和能源效率問題的爭議。. 立. 本研究於建構上希望吸取參與感測與機會感測兩者之優點，以互補其之間的不足；. ‧ 國. 學. 以參與感測的觀點來檢視，讓研究者可以自行決定實驗的內容，另外也使參與者可以決定是否參與實驗及參與實驗的項目。從機會感測的觀點來檢視，我們讓參與者在進行實. ‧. 驗時，不必花費心思去過多介入，讓 APP 負責實驗的進行及資料的收集，自動上傳數. Nat. sit. n. al. er. io. 2.2 實驗可設定化. y. 據。此外，兼顧確保隱私權及節能問題之因應，改善機會感測之缺點。. Ch. engchi. i n U. v. 本研究希望以可設定之方式，取代傳統固定的程式邏輯，因此在平台之建立上，不能夠僅侷限於特定的感測項目，而是必須盡可能的包含全部項目，針對每一種類都必須具備相對應的感測任務執行方式，提供隨需求而定的選擇彈性。現行實作或研究中，行動感測依據其可設定程式及採用策略，大致可分類為片面式行動感測，及全面式行動感測兩類。. 2.2.1 片面式行動感測片面式行動感測是指針對特定項目，進行單一目的之數據收集及處理之感測。例如，P.-M. Chen 等人[10]及 H.Y. Wu 等人[11]所提出之研究，針對 Android 智慧型手機參與者，調 12 .

(26) 查人們在使用 APP 上的行為，該研究之實作進行了幾項特定的項目之感測，包括：收集 GPS 以得知使用 APP 時的地點，及收集 APP 執行時所透露的資訊。其用意是收集參與者在何時、何地，開啟了何種 APP 等資訊。數據收集之後，透過分析使用者經驗，藉以提供強化與提昇智慧型手機服務的參考。由於該研究的將處理邏輯固定寫入 APP，所以其功能特定。此研究與序論章節中所舉之例子：Cheng-Yu Lin 等人所提出的 TPE-CMS [3]，及 Vpon[5]之方式，都無法提供研究人員進行感測實驗項目內容的抽換，或是自由搭配選擇，亦即無可設定性。因此，我們可定義此類的行動感測為片面式行動感測。. 立. 政治大. 在圖 4 中，我們採用不同顏色，代表各種不同功能的片面式行動感測 APP。從中可. 學. ‧ 國. 看出，每當為了收集不同目的之感測數據，因為感測實驗項目與判斷邏輯有所不同，無法重新利用，所以必須專案重製專業開發人員必須不斷的發展出不同的 APP 程式以因. ‧. 應需求。而客戶端也必須安裝不同套的 APP 才能進行感測實驗。. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 4：片面式行動感測運作示意圖. 13 .

(27) 立. 政治大. ‧ 國. 學. 圖 5：全面式行動感測運作示意圖. ‧. 2.2.2 全面式行動感測. Nat. sit. y. 相對於片面式行動感測，另有一類方式可稱為全面式行動感測。例如，Rui Guo 等人[8]. n. al. er. io. 提出的 MobileSens 是一種可以將 Android 智慧型手機上之眾多感測器，一次全面性的進. i n U. v. 行數據收集。相較於片面式行動感測所存在的缺陷，全面式行動感測不失為一種解決方. Ch. engchi. 案；專業開發人員只需要開發一套 APP，參與者也只需要安裝一套 APP，即可進行收集全部的感測項目、上傳所有項目的感測數據。示意如圖 5。但是，此方式在運作彈性上也受到了限制： 1. 無法提供彈性化的選擇：以研究者角度來看，因為做法上採用一次性的全面感測，所以完全不需要進行感測實驗定義，但是相對的，研究者也無法依據自己的實際需求決定，描述數據收集項目及條件範圍。 2. 虛耗資源：與目的無關的數據也被一併的感測收集，不論是對於系統的整體處理運作效能上，或是資料的儲存空間上，甚至對於行動裝置的電力等，都造成 14 .

(28) 了虛耗與浪費。 3. 欠缺隱私考量：被收集的感測數據中可能包含了許多參與者不想被收集，或是研究者也不願去碰觸的敏感數據，可能造成個人隱私安全上的危害。 N. Haderer 等人[9]所提出的 AntDroid，則提出了較具彈性的做法；為了協助研究者對於實驗的描述，該研究提出了一種名為 ANTDROID 腳本語言(ANTDROID Script Language)的方案，此種語言是屬於 JavaScript 的延伸，該研究利用此種語言原生支援 JSON(JavaScript Object Notation)之特性，在處理時將實驗定義轉化為 JSON(Javascript. 政治大. Object and Array notation)文件進行傳遞。JSON 是一種輕量級的數據交換格式，可減少. 立. 通信傳輸的負荷。相較於可擴展標記語言( eXtensible Markup Language，簡稱 XML)，在. 學. ‧ 國. Android 上處理 JSON 文件較有效率，而且若有必要，JSON 也可以很容易的轉換為 XML 格式。如表 4 所示，透過研究者編寫及註冊 ANTDROID 腳本語言，將它發佈到. ‧. ANTDROID 引擎上，進行感測數據收集的任務。. io. sit. y. Nat. n. al. er. 表 4：AntDroid: WiFi 網路感測範例. Ch. engchi. i n U. v. N. Haderer 等人[9]所提出之方式，是一種對於全面式感測的改善方案。在可設定性上，由於採用腳本語言(Script Language)來描述感測實驗的細節描述，對於整體系統架構上，帶來相當大的彈性空間。但是，並非所有領域的研究者都擁有程式撰寫能力，雖然 15 .

(29) 該研究已充份具備可設定之彈性，但是研究者對於該腳本語言的使用上未必熟稔，需要另外花費時間學習及熟練，才能運用自如。如此，可能會對於許多研究者造成進入之門檻。本研究採用特定領域語言(Domain-Specific Language，簡稱 DSL)來描述實驗的定義， DSL 是系統開發人員為了解決特定領域的問題所定義的專用語言。根據實驗設定之需求，我們設計了自己的 DSL 規格，並採用 GUI 來輔助實驗的建立；在研究者充份了解此 DSL 的規則的情況下，系統允許研究者自行撰寫這個 DSL 的程式來精確定義想要進行的感. 政治大. 測實驗，但最主要的，我們讓研究者能夠透過與 Web 小工具(widget)之間的互動方式，. 立. 自動產生相對應的 DSL 程式，取代直接編寫程式碼的方式。接著，DSL 程式會透過特. 學. ‧ 國. 定的機制，進行包裝成為 JSON 文件後，進行實驗的發布。我們將此文件命名為實驗設定檔(Experiment Configuration File，簡稱 ECF)。細節說明請詳見 3.2 實際設定檔(ECF)。. ‧. io. sit. y. Nat. 2.3 實驗發布策略. n. al. er. 當描述實驗內容的可設式文件確立之後，系統必須要提供特定的發布策略，才能夠將此. Ch. i n U. v. 份文件部屬至各客戶端以實際運作、執行感測任務。文獻中，關於實際發布策略可以大. engchi. 致歸納為推式法(push-based approach)及拉式法(pull-based approach)兩類。. 2.3.1 推式法(push-based approach) T. Das 等人[14]所提出的 PRISM 是一款以 Mobile Phone 為基礎的應用平台，它採用推式法，由伺服端主動的發布感測任務至所有的客戶端上。由於 PRISM 提供即時感測任務的執行，需要針對每一個客戶端節點保持立即性的監控與溝通。伺服器端依據參考手機目前的位置、剩餘電力等狀況，即時判斷並發布執行命令，以避免客戶端接收到不符合現有條件的感測任務，其架構如圖 6 所示。. 16 .

(30) 推式法在實際運作上有所條件限制。首先，伺服器端為了維持與客戶端之間的即時溝通，必須時時監控每一個客戶端的狀況，並根據客戶端所回傳之資訊隨時判斷及計算，通常需要具備一定強度規模的軟硬體環境條件，用以因應系統運作時所帶來的高度負荷，否則就得減少或是嚴格限制客戶端的數量，以減經伺服器之負擔，因此，其擴充性較差。除此之外，由於伺服器端必須隨時分析客戶端之資訊，因此兩端之間必須持續保持網路通訊暢通之狀態，否則感測任務無法順利運作。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 6：PRISM 架構圖. 2.3.2 拉式法(pull-based approach) N. Haderer 等人[9]所提出的 AntDroid，採用的是拉式法，此種方式不從伺服器端主動發布實驗至各行動節點，也不時時監控客戶端的資訊，而是相反過來，透過特定機制，由客戶端向伺服端要求取得感測任務資訊。 17 .

(31) 政治大. 立圖 7：推式法與拉式法之示意圖. ‧ 國. 學 ‧. 本研究之實驗部署同樣地採用拉式法，原因是此種做法相對上較具有彈性；在實作. sit. y. Nat. 上，可以將「能否執行實驗」之判斷邏輯，交由客戶端上 APP 進行處理，如此可以大. io. er. 量減輕伺服器端負擔，卻又能達到相同之效果。另一方面，客戶端的感測任務也可以在. al. 沒有網路連線的狀況下進行；對於連線之需求，排除定義上需要網路才能進行的感測實. n. v i n Ch 驗之外，在整體系統架構上，只在取得及更新實驗、上傳感測數據時會需要網路連線。 engchi U 我們建立了一系列的 RESTful Web Service 機制，讓客戶端在具備連線的狀態下，可以透過這個機制，向伺服器端進行註冊，透過手機型號及作業系統之比對，取得適用之 ECF。細節說明請詳見 3.2.3 ECF 之發布。. 2.4 上傳客戶端執行了感測實驗之後，最重要的便是將感測的結果上傳至伺服器端。為此，兩端必須確立上傳的規格及時機，才能順利產生及解析感測實驗的結果。. 18 .

(32) 2.4.1 上傳規格 Rui Guo 等人[8]將感測記錄，依據其內容、性質及感測方式，歸納分為 19 類，並予以分別命名。當上傳啟動時，暫存於裝置內的數據，將先轉換成特定的 JSON 文件。此 JSON 文件有固定的四對鍵值，分別代表日期、時間、資訊類別、及以識別手機的國際移動設備辨識碼(International Mobile Equipment Identity number，IMEI)。另外最後一個鍵值是放置感測數據內容。如表 5 所示。. 治政表 5：MobileSens 的上傳 JSON 大範例立 ‧. ‧ 國. 學 er. io. sit. y. Nat. al. n. v i n Ch 本研究參考 Rui Guo 等人[8]所提出之方式，並加以強化及改良。上傳時產生命名為 engchi U. 實驗記錄文件(Experiment Log File，ELF)的 JSON 文件，其內容包括：實驗編號、客戶端裝置編號、感測項目與結果、感測時間等四大項。在隱私考量下，我們刻意不取得裝置之 IMEI 碼，而透過一系列之機制產生客戶端裝置編號來提供身份的識別。另外我們編製了項目屬性代碼表，如表 6。除了協助 ECF 的制定之外，此表格也提供 ELF 時，感測項目與結果內容的描述依據。細節說明請詳見第 3.1 項目屬性代碼表，及 3.3 實驗記錄檔(ELF)。. 19 .

(33) 2.4.2 上傳時機 N. Haderer 等人[9]認為，雖然新一代的行動裝置提供了非常強大的計算能力，但是能源問題仍舊是進行行動感測的主要障礙。考量到能耗問題，為減少與伺服器端之間通訊出錯的風險，裝置應在充電時才進行上傳。Rui Guo 等人[8]認為當裝置充電時上傳，對大部份參與者而言，此時與行動裝置之間不會有所互動，裝置於此時也可提供充足的電力與資源，促使 APP 順利完成數據的上傳。但是，因為部份參與者有可能在習慣上在行動裝置充電時保持在關機狀態，或是每次充電時，都恰好處於一個完全沒有網路連線服. 政治大. 務的環境，而造成無法執行上傳。所以，該研究認為在裝置閒置時執行上傳較佳，因為. 立. 此時系統處於最低耗能的運作，而且參與者與行動裝置之間也不會互動，造成影響。. ‧ 國. 學. 本研究認為上傳時機與感測實驗的性質有關，各種上傳機制面對不同的感測數據，. ‧. 都應該有其相對的優缺點，因此本研究在實作上，將此上傳時機的選擇列為可設定之項. y. sit. io. n. al. er. 括：. Nat. 目之一，讓研究者於建立感測實驗時，自行考量並選擇適用的上傳機制項目。其項目包. i n U. v. 1. 畫面閒置時上傳：行動裝置畫面閒置時進行上傳。. Ch. engchi. 2. 充電時上傳：行動裝置接上電源時進行上傳。. 3. 時間限制上傳：每隔一段時間進行感測數據的上傳。 4. 筆數限制上傳：感測數據累積一定筆數後，立即進行上傳。 . 20 .

(34) 第三章系統架構與實作從前述之文獻探討，我們得以知道許多的實際做法及其考量。而在此章節中，我們將說明系統的架構與實作細節。. 立. 3.1 項目屬性代碼表. 政治大. ‧ 國. 學. 要實作可設式的行動感測平台，對於所有感測項目進行整理及分類是首要之任務，我們. ‧. 依據各項目的型態、特性、用途予以標示分類，並定義代碼。如表 6 所示。. sit. y. Nat. io. n. al. er. 我們將所有的感測資訊共分為三類：. i n U. v. 1. 感測器(Sensors)：屬於手機內部基礎運作元件，它維持了手機的基本協調運作、. Ch. engchi. 使用者之間的溝通，及外在環境變化資訊的接收。 2. 裝置(Devices)：為比較具體性的元件，是使用者較能直接感受到之項目，甚至可以適當做出設定或調整。 3. 行為資訊(Behavior)：屬於軟體元件上之記錄，會因使用者的操作行為及習慣而改變之內容。基於隱私考量，我們對於行為資訊中較敏感之項目，並不提供直接記錄，例如：在撥接資訊上，我們刻意以記錄收話、撥話之次數，取代記錄電話號碼等資訊。簡訊部份的處理亦然，只記錄簡訊次數，而不將簡訊號碼及內容進行收集，盡可能減少個資洩露問題。. 21 .

(35) 為了有助於伺服器端與客戶端的溝通簡單及明確化，我們將上表各式感測項目及屬性分別設定代碼。此代碼將大量使用於後續 ECF 與 ELF 之定義。我們透過伺服器端確立及規範此分類及代碼，促使客戶端 APP 在開發及運作時能依循準則。. 表 6：行動感測項目類別、項目及屬性表項目. 項目碼. 加速度感測器. acc. (Accelerometer). Nat. io. (Proximity Sensor) 壓力感測器. ori. magn. (Light Sensor) 全球行動通訊系統. 電源資訊. 縱向旋轉角. oy. 橫向旋轉角. oz. X軸. mx. Y軸. my. temp. 攝氏溫度. celsius. px. 距離(公分). pres. engchi li. iv 壓力(百帕) n U. gps. pow. px pres. 亮度. li. 服務提供者名稱(SPN). spn. 接收信號強度(GSM. gsm. 22 . ox. mz. 裝置 (GPS). az. Z軸. n. Ch. (Pressure Sensor) 亮度感測器. 全球定位系統. ay. y. 溫度感測器. (Temperature Sensor) 距離感測器. (Devices). Y 軸偏移值. sit. (Magnetic Sensor). (GSM). ax. ‧. ‧ 國. 磁性感測器. al. X 軸偏移值. 學. 立. (Orientation Sensor). (Sensors). 屬性碼. Z 軸偏移值政治大水平旋轉角. 方向感測器. 感測器. 屬性. er. 類別. gsmrssi. RSSI) 經度(longitude). longitude. 緯度(longitude). latitude. 速度(speed). accuracy. 方向(bearing). speed. 精確度(accuracy). bearing. 高度(altitude). altitude. 外接電源狀態. powact.

(36) (Power) 媒體資訊 (Media) 螢幕資訊 (Screen) 無線資訊網頁瀏覽資訊. 螢幕開關狀態. screen. 服務設定識別碼(SSID). ssid. 接收信號強度(RSSI). rssi. 網頁標頭. title. 網頁網址. url. 收話次數. incomingcount. 政 call 治大收話總時數. outcomingcou nt. 撥話總時數. calloutalltime. 學. (Phone Calls Count). 撥出號碼(加密). callnumber. 撥入號碼(加密). calltime. 撥出時間(秒). receivenumber. 撥人時間(秒). receivetime. 簡訊次數. times. 撥接資訊. (Phone Calls Info). Nat. 簡訊資訊. calact. ‧. ‧ 國. 立. sit. y. sms. (Message). pkg. n. 語言資訊. (Language). Ch. pkgname. APP 安裝移除、轉換狀態. apkact. engchi U locale. callinalltime. APP 名稱. er. io. 應用程式資訊. al. screen. 撥話次數. 撥接計數. (APP). extmedia. browser. (Brower). (Behavior). 外接 SD 卡卸除、掛載狀態. wifi. (Wi-Fi). 行為資訊. extmedia. iv n使用語言. language. 語系國家. country. 3.2 實驗設定檔(ECF) 為了讓研究者能夠方便描述所將要進行的實驗，以及讓負責收集資料的 APP 能夠精確的分析需求進行資料的收集，本研究建立了實驗設定檔(ECF)。主要基於下列考量： 1. 需求考量：如表 3.1 所示，行動感測項目眾多，且各研究者因為所處領域不同、目的不同，所要進行的實驗內容可能非常多樣化。因此實驗定義上必須要有一份文件，以描述所要進行的內容，並兼顧彈性。 23 .

(37) 2. 系統開發考量：透過 ECF 的建立，定義有效的實驗描述規格，有利於專案開發人員之間的分工；負責伺服器端的人員，以產生符合規格之 ECF 為目標進行開發，而負責客戶端的程式開發人員也不必等待 ECF 的產生，可以自行以虛擬的 ECF，在 APP 中進行測試。由於兩方都依循同一規格，可以分工合作，也可以無縫接軌，加速開發時程。確切地說，ECF 是一份客戶端可參與的實驗列表清單，它以 JSON 型態呈現，可經由系統提供的 RESTful Web Service 取得。ECF 中每一則實驗設定都會嵌入一則 DSL 腳. 政治大. 本（Script），簡稱為 ECF:DSL，以進行各別描述，包含下列四項定義：. 立. 1. 感測項目及屬性：所要處理的感測器及其屬性，如：GPS 的經緯度。. ‧ 國. 學. 2. 感測頻率：相對於每一項感測項目之屬性的時間區隔，如：每秒、每分鐘。. ‧. 3. 過濾條件：執行感測的條件及限制，如：某經緯度區域內。條件可以不指定。. sit. y. Nat. 4. 上傳時機：在什麼時機進行上傳，例如：裝置閒置時或充電時。. n. al. er. io. 此外，在客戶端向伺服器端要求 ECF 時，伺服器端的 RESTful Web Service 會依據. i n U. v. 客戶端之行動裝置條件，如：手機型號、作業系統版本等，先行比對是否符合該實驗所. Ch. engchi. 定義之裝置需求，若符合，才會列入 ECF 之中。. 3.2.1 ECF:DSL 推導此小節將列舉一例，用以說明本研究之 ECF:DSL 之推導。假定某研究者訂定目標：調查中央研究院院區內手機通話收訊狀況。首先，針對其目標分析定義如表 7。為了調查該地區的通話收訊狀況，我們可以透過繪製 GSM 強度地圖的方式來加以分析，因此我們需要取得 GSM 及 GPS 等相關數據。. 24 .

(38) 表 7：ECF:DSL 依目標問題簡單分析類別. 內容. 收集. 手機通話訊號強度取得 GSM 資訊. 收集. 所處位置的經緯度取得 GPS 資訊. 條件. 是否位於中研院院區分析 GPS 資訊. 頻率. 設定 15 秒感測一次. 上傳方式. 螢幕閒置或充電中. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 8：ECF:DSL 感測項目、頻率、過濾條件與上傳時機等定義. 根據表 7，我們可知 GSM 共包含 SPN 及 GSM RSSI 兩項屬性，後者為必要資訊，前者則考量往後或許會針對各不同行動服務公司，做出其他的分類統計分析，因此我們也一併加入。而在 GPS 的部份，我們需要經度及緯度，如此才能在地圖上標示出行動感測之定點。在過濾條件上，由於我們需要判斷是否位於中研院院區內，因此需要針對 25 .

(39) GPS 的經緯度設定門檻，限定於該地區之內。而在頻率及上傳方式的部份，我們分別設定了 15 秒感測一次，及螢幕閒置或充電中進行感測數據的上傳。如圖 8 所示。在 ECF:DSL 中，定義了關鍵字來表達各部份的資訊，如表 8。項目的感測頻率，則伴隨於每一個感測項目之後，在實際使用上，每個感測項目都可以設定不同的頻率，以執行收集。另外，在過濾條件的判斷式的制定原則上上，我們加入了常見之邏輯運算子，例如：大於(>)、小於(<)、等於(=)、大於等於(>=)、小於等於(<=)…等等。基於以上所述，我們可將圖 8 轉換為 ECF:DSL 敘述，如圖 9 所示。. 政治大. 立表 8：ECF:DSL 主要關鍵字對照表. ‧ 國. 學. 關鍵字. 意義. 感測項目. where. 過濾條件. uploadpolicy. 上傳時機. ‧. log. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 9：感測定義轉換為 ECF:DSL 內容 26 .

(40) 本研究在 ECF:DSL 之語法設定上已盡量簡化，但對於研究者來說，如此的處理方式或許對研究者來說，仍然不夠友善。即使研究者可以深入了解整個語法規則，但對於項目屬性表的比對查詢上仍然可能有所困擾，因此，我們提供 GUI 方式協助研究者產生 ECF:DSL。. 3.2.2 感測實驗定義 GUI. 政治大. 在平台的實作上，我們提供 GUI 輔助研究者進行感測實驗定義，並產生 ECF:DSL。如. 立. 圖 10 所示，研究者可透過本研究所建立之實驗設定管理網站，除了可以建立實驗名稱、. ‧ 國. 學. 實驗說明、啟動/關閉等基本資訊外，還可以建立感測實驗的項目、頻率、過濾條件等實驗的細部設定資訊。如此的方式可提供大部份的感測實驗定義之使用。然而，為了因應. ‧. 少數可能在設定上較為複雜之實驗，我們也提供 ECF 腳本（Script）編輯區，讓研究者. Nat. n. al. er. io. sit. y. 可以針對較為特別的實驗內容做出設定。如圖 11 所示。. Ch. engchi. i n U. v. 圖 10：定義感測項目、頻率與過濾條件之 GUI. 27 .

(41) 立. 政治大圖 11：ECF Script 編輯區塊. ‧ 國. 學. 3.2.3 ECF 之發布. ‧. 於文獻探討中曾有說明，本研究採用拉式法處理 ECF 之發布。在感測實驗定義完成後，. Nat. sit. y. 客戶端之參與者可透過 APP 連線至伺服器端取得 ECF。我們採用 RESTFul Web Service. n. al. er. io. 處理此部份。RESTFul 是一個使用 HTTP，並且遵循 REST 原則的 Web Service，因此具. i n U. v. 備跨平台之能力。我們透過它，在伺服器端上建立了授權服務及 ECF 服務。. Ch. engchi. 如圖 12 所示，客戶端為取得 ECF，必須進行下列流程： 1. 客戶端請求授權，伺服器端授與 ID 及認證碼：在進行 ECF 的取得之前，系統會要求參與者手機必須先通過授權取得客戶端 ID 及驗證碼，此舉是為了便於辨識所收到的感測內容來自於同一客戶端。雖然，有許多研究或產品在此識別機制的實作上，採用的是記錄行動裝置上的 IMEI。然而，基於隱私考量，我們刻意不記錄此編碼。 2. 客戶端請求實驗列表，伺服器端比對條件並予以回應 ECF：當參與者之手機中已具備此客戶端 ID 後，便可連線進行 ECF 之取得。客戶端在請求 ECF 時，必 28 .

(42) 須帶入授權所取得之客戶端 ID、驗證碼，及客戶端行動裝置的作業系統版本、行動裝置型號等資訊。ECF 服務接收到來自客戶端的請求時，將依據所提供的資訊內容進行實驗適用性的比對，並將適用之感測實驗加以包裝，成為以 JSON 形態表示的 ECF，再提供給客戶端。文件格式如圖 13 所示。共包括各實驗的編號、名稱、說明及以 ECF:DSL 所描述的實驗內容。如以上所述，便完成了實驗之發布。交予客戶端之 APP 著手 ECF 之分析及執行，並進行數據的上傳。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 12：感測驗之發布流程. 29 .

(43) 立. 政治大. 圖 13：ECF 之內容範例. ‧ 國. 學. 3.3 實驗記錄檔(ELF). ‧. ELF 和 ECF 相同，皆採用 JSON 文件之形式呈現。當客戶端準備上傳資料時，APP 便. sit. y. Nat. 會從讀取行動裝置上暫存之 log，轉換為 ELF。ELF 之內容包含：實驗編號、客戶端 ID、. n. al. er. io. 感測項目與內容，及感測時間。. Ch. engchi. i n U. 圖 14：ELF 之內容範例 30 . v.

(44) 由圖 14 所示，由於不同感測實驗可能具有相同的感測項目或屬性，因此，ELF 必須載明實驗 ID。同時，也必須具備客戶端 ID 用以辨識。另外， ELF 於感測項目、屬性等之描述上與 ECF:DSL 同樣參考項目屬性代碼表進行描述。同時也載明了感測時間，以做為時效性之參考。以上述規格製定 ELF 之後，為了保障感測數據的安全，在上傳的實際運作上，將經過加密及解密處理。. 3.4 使用 MQ 調節上傳. 立. 政治大. 在平台的運作上，有一個情況需要特別注意及考量；由於伺服器有其負載上限，當客戶. ‧ 國. 學. 端參與者日益眾多，隨著資料上傳 ELF 數目大量增加，很可能造成伺服器一時無法負荷. ‧. 的狀況。如圖 15 所示。系統若出現問題，將致使執行效率變差，甚至導致當機，造成 ELC 上傳失敗或遺失。. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 15：伺服器因客戶端上傳 ELF 而負荷過重. 31 .

(45) 因此，為了因應大量 ELF 的上傳數據處理，本研究採用訊息佇列(Message Queue，簡稱 MQ)來做為兩端之間傳輸數據的緩衝處理。MQ 是一種訊息傳送服務，具備三項主要之特點： 1. 非同步通訊協定：由於採取非同步處理，所以當客戶端送出數據後，不需等待伺服器端之回應。可以使兩邊不會因為相互等待而使得效率降低。 2. 先進先出之處理方式：由於先進先出，先送達之資料，可確保被優先處理，不會有無限等待之問題發生。. 政治大. 3. 保證訊息送達：沒有被取出的資料將永遠保持於 MQ server 之中，等候被領出，. 立. 因此不會時間過久被刪除或遺失之問題。. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 16：使用 MQ 調節 ELF 上傳. 如圖 16 所示，我們於兩端之間設置 RabbitMQ[18]以解決此問題。RabbitMQ 為一套由 Erlang 程式語言所撰寫之 MQ server，遵循 Mozilla Public License 開源協議。因此， 32 .

(46) 客戶端上傳 ELF 時，不直接上傳至伺服器端，而且發送 ELF 訊息至 RabbitMQ 上先暫存，發送之後，立即處理其它工作，完全不需要等候伺服器端的回應。伺服器端則依負載能力，逐步從 RabbitMQ 上取回 ELF，將資料存入資料庫中。. 3.4.1 資料儲存原則本研究於資料儲存原則上，本研究採用雙軌制，將平台所產生之資料分為兩類以不同方式分別因應及處理：. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 17：DAO 示意圖. 1. 感測實驗設定資料：此類資料由於資料量相較較少且較為固定，因此我們採用傳統關聯式資料庫(Relational Database Management System)以進行儲存。實作上，我們透過安裝 PostgreSQL[19]以進行此部份的資料存取處理。 2. 感測結果數據：此類資料由於資料量大，加上未來可能持續性的增加，因此我們採用 NoSQL 來處理。NoSQL 是對於不同於傳統的關係型資料庫的資料庫管理系統的一種統稱，具備水平可擴展性的特徵，可彈性化的增加儲存空間。實 33 .

(47) 作上，我們透過安裝 Apache HBase[20]以進行此部份的資料存取處理。另外，不論採用的方式是上述任何一種，在實作上，任何元件都必須透過資料庫存取物件(Data Access Object，簡稱 DAO)，才能對資料庫進行存取，以確保資料存取的唯一管道。. 3.5 相關元件本研究實作系統，採用元件如下表 9 所示。. 立. ‧ 國. 表 9：系統使用元件. y. sit. RabbitMQ 3.0.1. al. n. IDE. io. Relational Database NoSQL. Glassfish 3.1.2 with JDK 7 [15][16][17]. er. MQ Server. FreeBSD 9.1. Nat. Application Server. 使用元件. ‧. OS. 學. 項目. 政治大. v i n Ch U with JDK 6 e n g cHBase h i 0.94.7 PostgreSQL 9.2. Netbeans 7.3 [21]. 3.6 系統架構由上述各項說明，整理系統架構如圖 18 所示。系統流程整理如下： 1. 由研究者至實驗設定管理網站，建立感測實驗，並定義其感測項目與限制原則等資訊。隨後，系統將定義資料儲存於 PostgreSQL 資料庫中。 2. 客戶端之參與者安裝 CLAP APP，程式連結至伺服器端進行授權處理，取得授 34 .

(48) 權服務後，再透過 ECF 服務遞送授權及客戶端資訊，以取得 ECF。分析 ECF 之後，透過參與者的實驗選擇，開始進行感測實驗。 3. 客戶端進行感測實驗後，將收集到的感測數據包裝為 ELF，並經加密後，上傳至伺服器端的 RabbitMQ。 4. 數據上傳接收程式會保持監聽 RabbitMQ，若有新的訊息，將會進行接收處理，並視伺服器負荷狀況，轉呼叫 ELF 處理服務，以進行最後的資料解密及儲存。感測數據此時會被解析，並存入 HBase 資料庫中。. 政治大研究者再次至實驗設定管理網站，查詢並進行資料的擷取與結果分析。立. 5. 所有的資料存取行為，皆透過資料庫存取物件(DAO)進行處理。. 學 ‧. ‧ 國. 6.. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 18：系統架構圖. 35 .

(49) 第四章實驗與評估在本章節中，我們模擬了 4 個實驗，驗證本研究所實作出之平台。我們透過 CLAP 實驗. 政治大撥打記錄分析等四種實驗內容。立. 管理平台，分別建立了行動軌跡、WIFI 訊號強度分析、GSM 訊號強度分析，以及電話. ‧. ‧ 國. 學. 4.1 行動軌跡. 行動軌跡是目前很常見之行動感測應用項目，也是一種最典型、單一感測器可達成之實. Nat. sit. y. 作運用，只需要透過 APP 定期讀取 GPS 資訊，再將資料進行整理繪製圖表，即可做出. n. al. er. io. 記錄。此實驗流程如下：. 4.1.1 實驗定義. Ch. engchi. i n U. v. 登入 CLAP 實驗平台網站，並進行新增實驗，在新增實驗的介面中，根據此實驗的需求，定義感測內容，如圖 19、圖 20 所示。我們設定了基本資料中的實驗名稱、實驗說明。. 36 .

(50) 政治大. 圖 19：行動軌跡實驗新增畫面. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 20：行動軌跡實驗之感測項目. 在操作上，我們在感測項目設定選擇 GPS 的經緯度。由於行動軌跡實驗並不需做 37 .

(51) 出任何限制，因此並不需要設定過濾條件。而在感測頻率上，我們保留內定值，5 秒感測一次。在上傳時機部份我們也保留內定值，即當螢幕閒置或是充電時，就進行上傳。產出實驗之 DSL 程式，內容如表 10 所示。. 表 10：行動軌跡實驗之 DSL log gps.longitude 5, gps.latitude 5 uploadpolicy screenoffupload, chargingupload. 4.1.2 實驗進行. 立. 政治大. 此實驗透過參與者 A 進行，先在 Android 手機上裝載 CLAP App 之後，選擇此行動軌跡. ‧ 國. 學. 實驗，便於某段時間內，開始進行記錄由中央研究院自行開車至汐止某處之行動軌跡。為了方便將結果圖形化呈現，我們將該實驗數據下載並轉換為 Keyhole 標記語言. ‧. (Keyhole Markup Language，簡稱 KML)。KML 是基於 XML 語法標準的一種標記語言. y. Nat. io. sit. (markup language)，採用標記結構定義元素和屬性內容，它是由 Google 旗下的 Keyhole. n. al. er. 公司開發並維護，用來表達地理標記。在 Google 的許多地圖型產品，包括 Google Earth、. i n U. v. Google Map 上，都可以直接套用 KML，在地圖元件上進行圖形的繪製。. Ch. engchi. 4.1.3 實驗結果我們將此行動軌跡實驗之結果，以 Google Earth 方式繪製呈現，如圖 21，可看到參與者 A 的行動軌跡以紅色線條標示於地圖上。. 38 .

(52) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. 圖 21：行動軌跡實驗之結果. Ch. engchi. i n U. v. 4.2 WIFI 訊號強度分析此實驗目的是假想某研究者，欲針對某特定區域內之 WIFI 訊號之強弱分布做一調查。由於實驗所處理區域必須具備一定之公開無線網路服務，我們以中央研究院院區的 AS_Public 無線網路服務做了此次的測試對象。. 4.2.1 實驗定義同樣登入至 CLAP 實驗平台網站，並進行新增實驗，根據需求定義感測內容。感測內容 39 .

(53) 共需三個項目，分別為 GPS 的經度、緯度，以及 WIFI 的接收信號強度(RSSI)。另外，在感測頻率的部份，顧及不需要太過頻繁的進行感測，我們將它調整為每 15 秒記錄一次，如圖 22 所示。. 立. 政治大. ‧ 國. 學. 圖 22：WIFI 訊號強度分析實驗之感測項目. ‧ sit. y. Nat. io. er. 在過濾條件的部份，我們希望此實驗之進行只在限定區域內發生，所以應該盡可能的限定在中研院的區域範圍之內。因此，如圖 23 所示，我們以紫色線條規範了執行區. al. n. v i n Ch 域，並依據所選定之範圍訂定過濾條件，確保只有在該範圍內實驗才會啟動執行。另一 engchi U. 個考量，由於中研院院區內有其他的無線訊號，所以我們也限定訊號來源必須為 AS_Public 才執行記錄。以上所述過濾條件設定如圖 24。所產生之 DSL 程式如表 11 所示。. 40 .

(54) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 y. Nat. n. al. er. io. sit. 圖 23：WIFI 訊號強度分析實驗進行之範圍. Ch. engchi. i n U. v. 圖 24：WIFI 訊號強度分析實驗之過濾條件. 41 .

(55) 表 11：WIFI 訊號強度分析實驗之 DSL log gps.longitude 15, gps.latitude 15, wifi.rssi 15 where gps.longitude >=121.610989, longitude <= 121.617147, gps.latitude >= 25.038755 gps.latitude <= 25.045365, wifi.ssid = ‘AS_PUBLIC’ uploadpolicy screenoffupload, chargingupload. 4.2.2 實驗進行. 政治大. 此實驗由 10 名任職於中研院之參與者，在自己的 Android 手機上裝載 CLAP APP 之後，. 立. 選擇此 WIFI 訊號強度分析實驗進行感測。參與者於實驗期間內，於各處隨意行動，讓. ‧ 國. 學. 手機自動判斷執行感測。同樣的，為了方便將數據結果圖形化呈現，也透過轉換成 KML 之方式來標示在 Google Earth 上。而在呈現的方式上，為了在地圖上表現出不同的 WIFI. ‧. 強度，我們將其依照表 12 所示，分類為四種等級，分別以不同顏色的圖示來予以標記。. io. sit. y. Nat. n. al. er. 表 12：WIFI 訊號強度分析實驗之區分. 強度(格數). Ch. 強度範圍(dbm). engchi. v. 圖示顏色. 4. RSSI>-72dbm. 紅色. 3. -72dbm> RSSI >-80dbm. 橙色. 2. -80dbm > RSSI >-86dbm. 綠色. 1. <-86dbm. 藍色. 42 . i n U.

(56) 4.2.3 實驗結果如前所述，我們將此 WIFI 訊號強度分析實驗結果，以 Google Earth 方式繪製呈現。如圖 25 所示。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 25：WIFI 訊號強度分析實驗之結果. 此實驗結果將中研院 AS_Public 無線訊號予以標記於地圖，但效果並不顯著。研判主要原因是中研院無線網路，原則上都設置於各所處建築物室內，以服務各所處室內使用者為主，而非室外之用戶。由於一般效能良好的無線 AP 最長距離僅 300 公尺範圍，因此在室外活動時不易偵測得到，只有少數幾個位置訊號能達至良好，其餘訊號微弱， 43 .

(57) 甚至沒有訊號，無法感測。為了呈現更佳之運作效果，在類似的條件之下，我們另外進行了全球行動通訊系統(Global System for Mobile Communications，簡稱 GSM)之訊號強度分析實驗。詳如下節所述。. 4.3 GSM 訊號強度分析 GSM 訊號強度分析，是與 WIFI 訊號強度分析類似的實驗，在運作條件上，都是針對於某特定區域內做調查，只是改成透過 GSM 訊號之強弱分布做為目標。我們一樣選定以. 政治大. 中央研究院院區進行此次的感測區域。. 立. ‧ 國. 學. 4.3.1 實驗定義. 同樣地，登入至 CLAP 實驗平台網站，並進行新增實驗，在感測項目內容的部份，我們. ‧. 設定了四個項目，分別為 GPS 經緯度及 GSM 的服務提供者名稱(Service Provider Name，. y. Nat. io. sit. 簡稱 SPN)，與接收信號強度(GSM RSSI)，感測頻率則設為每 15 秒一次，如圖 26 所示。. n. al. er. 在過濾條件的部份，與上個實驗相同，限定於中研院院區範圍內，如圖 27 所示。最後，所產生之 DSL 程式如表 13 所示。. Ch. engchi. i n U. v. 圖 26：GSM 訊號強度分析實驗之感測項目 44 .

(58) 學表 13：WIFI 訊號強度分析實驗之 DSL. ‧. ‧ 國. 治政圖 27：GSM 訊號強度分析實驗之過濾條件大立. log gsm.gsmrssi 15, gps.longitude 15, gsm.spn 15, gps.latitude 15 where gps.longitude. Nat. sit. y. >=121.610989, longitude <= 121.617147, gps.latitude >= 25.038755 gps.latitude <=. n. al. er. io. 25.045365, wifi.ssid = ‘AS_PUBLIC’ uploadpolicy screenoffupload, chargingupload. Ch. engchi. i n U. v. 表 14：GSM 訊號強度分析實驗之區分強度(格數). 強度範圍(asu). 圖示顏色. 4. GSM RSSI>12 asu. 紅色. 3. 12asu>強度>8asu. 橙色. 2 1. 8asu >強度>5asu 強度<5asu. . 45 . 綠色藍色.

(59) 4.3.2 實驗進行同 4.2.2 之實驗進行方式，但在地圖上的圖示的部份改為依據 GSM 強度區分，如表 14 所示。. 4.3.3 實驗結果同樣的，我們將此 GSM 訊號強度分析實驗結果，以 Google Earth 方式繪製呈現。如圖. 政治大. 28 所示。依據 GSM 訊號強度之強弱，以不同顏色區分標示於地圖上。. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 28：GSM 訊號強度分析實驗之結果. 46 .

(60) GSM 是目前全球最多使用的手機訊號，在亞太地區部部分以 GSM900/1800 為主，因其基地台及手機之無線電波屬數位高頻無線傳輸，受到環境的影響較大，通信死角較多，且頻率越高傳輸距離越短，GSM 訊號本身電波較受地形影響，所以需較多基地才才能達到理想的涵蓋率，如果基地台的數目不足就容易產生通訊障礙。由實驗結果來看，由於中研院的 GSM 訊號強度大致良好，因此於整體實驗結果呈現上較為豐富。可看出中研院院區內，大致於兩類地方訊號強度比較弱，第一、離基地台較遠且靠近山區的偏遠地點，第二、鄰近大樓，受到建築物遮蔽影響之地點。除上述. 政治大. 因素外，其餘地區都有強度 3 以上的表現。. 立. ‧ 國. 學. 4.4 電話撥打記錄分析. ‧. 電話撥打記錄分析，是假定想要針對某些特定樣本群、特定區域，在某個特定期間內，進行簡單的電話的撥接次數及秒數統計。. n. al. er. io. sit. y. Nat. 4.4.1 實驗定義. Ch. i n U. v. 同樣地，登入至 CLAP 實驗平台網站，並進行新增實驗，在感測項目內容的部份，由於. engchi. 要收集的是收、撥通話的次數及時數，我們設定了撥接計數項目下的收話次數、收話時數、撥話次數及撥話總時數等四項屬性，感測頻率則設為每 1 小時一次，如圖 29 所示。. 47 .