Improving Stress Management and Sleep Hygiene in Intelligent Homes

High stress levels and sleep deprivation may cause several mental or physical health issues, such as depression, impaired memory, decreased motivation, obesity, etc. The COVID-19 pandemic has produced unprecedented changes in our lives, generating significant stress, and worries about health, social isolation, employment, and finances. To this end, nowadays more than ever, it is crucial to deliver solutions that can help people to manage and control their stress, as well as to reduce sleep disturbances, so as to improve their health and overall quality of life. Technology, and in particular Ambient Intelligence Environments, can help towards that direction, when considering that they are able to understand the needs of their users, identify their behavior, learn their preferences, and act and react in their interest. This work presents two systems that have been designed and developed in the context of an Intelligent Home, namely CaLmi and HypnOS, which aim to assist users that struggle with stress and poor sleep quality, respectively. Both of the systems rely on real-time data collected by wearable devices, as well as contextual information retrieved from the ambient facilities of the Intelligent Home, so as to offer appropriate pervasive relaxation programs (CaLmi) or provide personalized insights regarding sleep hygiene (HypnOS) to the residents. This article will describe the design process that was followed, the functionality of both systems, the results of the user studies that were conducted for the evaluation of their end-user applications, and a discussion about future plans

AmI-Solertis: διαδικτυακή πλατφόρμα υποστήριξης έξυπνων συμπεριφορών σε περιβάλλοντα διάχυτης νοημοσύνης

Ambient Intelligence (AmI) envisages that technology and information flow around the physical environment, and objects are enhanced with computer technology to communicate, share information and collaborate with other technological devices in an intelligent fashion, thus forming a ubiquitous and pervasive computing landscape, where implicit interaction and continuous cooperation is becoming the norm of computer supported activities. AmI constitutes an emerging market that is forecasted to exhibit exponential growth in the forthcoming years. Yet, AmI systems can only maximize their efficiency, extensibility and adaptation to the needs of their users, if they are programmable.This thesis proposes the AmI-Solertis framework which empowers users to create behavior scenarios in AmI by reviewing and modifying the “high-level business logic” of an intelligent environment through an advanced programming platform and an accompanying chat-bot agent. In addition to the framework, the AmI-Solertis Studio offers a complete suite of tools allowing management, programming, testing and monitoring of all the individual artifacts (i.e., services, hardware modules, software components, etc.) of the overall AmI Environment.From an engineering perspective, the AmI-Solertis framework: (i) introduces a unified Hybrid Communication protocol which supports synchronous, asynchronous and event-based communication, (ii) unifies the definition and introduction of new devices, services and software components, (iii) facilitates the integration and usage of heterogenous services in a standardized -yet agnostic- manner, (iv) delivers a scripting mechanism that can dynamically adapt the execution flow and govern the entire AmI environment’s behavior, and (v) offers a standard library of tools (i.e., Analytics and History, Fault Tolerance, Storage Management, Common Utilities) that developerσ can use.From a user perspective, the AmI-Solertis Studio constitutes a web-based Integrated Development Environment (IDE) and Control Center that can be used as a creative tool for designing user experiences in intelligent environments. In particular, the studio: (i) supports the entire development life-cycle of an AmI system, (ii) empower users to explore and adapt software to their personal needs -through user-friendly scripting environment- or develop new innovative applications, (iii) simplifies service discovery, definition, and management, (iv) scaffolds typical designs, (v) offers multiple visual representations, (vi) provides testing facilities, (vii) facilitate collaboration between users, (viii) assists real-time management of the AmI environment, and (ix) delivers an AmI-Solertis virtual agent in the form of a chat-bot, that can communicate with the end-users via a natural language textual interface in order to help them accomplish numerous orchestration-related tasks.Η ∆ιάχυτη Νοημοσύνη (∆Ν) οραματίζεται περιβάλλοντα στα οποία η τεχνολογία και οι πληροφορίες ‘ρέουν’ συνεχώς, και τα φυσικά αντικείμενα είναι επαυξημένα με υπολογιστική τεχνολογία ώστε να μπορούν να επικοινωνούν, να ανταλλάσσουν δεδομένα και να συνεργάζονται με έναν ‘ευφυή’ τρόπο, δημιουργώντας έτσι ένα διευρυμένο υπολογιστικό τοπίο, στο οποίο η έμμεση αλληλεπίδραση και η διαρκής συνεργασία μεταξύ του περιβάλλοντος και των χρηστών επιτρέπουν την υπολογιστική υποστήριξη καθημερινών δραστηριοτήτων. Η ∆ιάχυτη Νοημοσύνη αποτελεί μια ραγδαία αναπτυσσόμενη οικονομία η οποία προβλέπεται να αυξηθεί εκθετικά στα επόμενα χρόνια. Ωστόσο, τα διάφορα συστήματα ∆Ν θα πρέπει να είναι εύκολα προγραμματίσιμα, ώστε να μεγιστοποιήσουν την αποτελεσματικότητα τους, την επεκτασιμότητα τους και την προσαρμοστικότητα τους στις ανάγκες των τελικών χρηστών.Προς αυτή την κατεύθυνση, η παρούσα διατριβή προτείνει την τεχνολογική πλατφόρμα AmI-Solertis, η οποία επιτρέπει στους χρήστες της να καθορίσουν την ‘ευφυή’ συμπεριφορά του περιβάλλοντος ∆Ν, δημιουργώντας μικρό-προγράμματα (AmI scripts) μέσω μιας διαδικτυακής προγραμματιστικής πλατφόρμας (AmI Solertis Studio) και ενός συνοδευτικού ψηφιακού βοηθού (chat-bot agent). Επιπρόσθετα, μια πλήρης σουίτα εργαλείων διευκολύνει την διαχείριση, τον προγραμματισμό, τον έλεγχο και την παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο των επιμέρους υποδομών του συνολικού περιβάλλοντος ∆Ν (π.χ., υπηρεσίες, συσκευές, λογισμικό, κλπ.). Από τεχνολογικής σκοπιάς, η πλατφόρμα AmI-Solertis: (i) προτείνει ένα υβριδικό πρωτόκολλο επικοινωνίας το οποίο υποστηρίζει τόσο σύγχρονη όσο και ασύγχρονη αλληλεπίδραση (π.χ., events) μεταξύ των διαφόρων συστημάτων, (ii) ενοποιεί τον ορισμό και την εισαγωγή νεών συσκευών, υπηρεσιών και λογισμικού ανεξαρτήτως του τύπου τους, (iii) διευκολύνει την ενσωμάτωση και χρήση ετερογενών υπηρεσιών μέσω ενός προτυποποιημένου -και ταυτόχρονα τεχνολογικά ανεξάρτητου (agnostic)- μηχανισμού, (iv) παρέχει ένα σύστημα μικρό-προγραμματισμού (scripting) που επιτρέπει την δυναμική προσαρμογή και έλεγχο της συμπεριφοράς του συνολικού περιβάλλοντος ∆Ν, και (v) προσφέρει μια πρότυπη προγραμματιστική βιβλιοθήκη εργαλείων προς τους τελικούς προγραμματιστές για την διευκόλυνση τους (π.χ., ∆εδομένα και ιστορικό χρήσης, Αντιμετώπιση ‘βλαβών’ σε πραγματικό χρόνο, Κατανεμημένος χώρος αποθήκευσης δεδομένων).Από τη σκοπιά των χρηστών του, το AmI-Solertis Studio αποτελεί ένα ∆ιαδι- κτυακό Περιβάλλον Προγραμματισμού (Integrated Development Environment (IDE)) και ένα Κέντρο ∆ιαχείρισης το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο ‘δημιουργίας και σχεδιασμού’ εμπειριών χρήσης σε περιβάλλοντα ∆Ν. Συγκεκριμένα, το περιβάλλον: (i) υποστηρίζει τους προγραμματιστές καθ´ όλη την διάρκεια ανάπτυξης ενός μικρο-προγράμματος ∆Ν, (ii) επιτρέπει στους χρήστες να εξερευνήσουν και να προσαρμόσουν μικρό-προγράμματα ∆Ν στις δικές τους προσωπικές ανάγκες ή να αναπτύξουν νέες καινοτόμες εφαρμογές μέσω ενός φιλικού προς τους χρήστης περιβάλλοντος προγραμματισμού, (iii) απλοποιεί τον εντοπισμό, τον ορισμό και την διαχείριση υπηρεσιών ∆Ν, (iv) δημιουργεί πρότυπα project skeletons κατάλληλα για περιβάλλοντα ∆Ν, (v) παρέχει πολλαπλές εναλλακτικές αναπαραστάσεις, (vi) προσφέρει βασικές υπηρεσίες testing, (vii) διευκολύνει την συνεργασία μεταξύ των χρηστών, (viii) υποβοηθά σε πραγματικό χρόνο την διαχείριση ενός περιβάλλοντος ∆Ν, και (ix) εισάγει τον ψηφιακό βοηθό του AmI-Solertis στην μορφή ενός chat-bot, που χρησιμοποιεί φυσική γλώσσα για να ανταλλάσσει μηνύματα με τους τελικούς χρήστες ώστε να τους βοηθήσει να εκτελέσουν διάφορες βασικές εργασίες διαχείρισης ή προγραμματισμού

Πλατφόρμα ενσωμάτωσης και υποστήριξης μαθητο-κεντρικών εφαρμογών σε περιβάλλοντα διάχυτης νοημοσύνης

Η εξέλιξη της κοινωνίας της πληροφορίας κατά την διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών έχει επηρεάσει δραστικά τον τρόπο με τον οποίο οι χρήστες αλληλεπιδρούν με τους υπολογιστές, καθώς και τις προσδοκίες τους από την τεχνολογία. Στοχεύοντας την ικανοποίηση των χρηστών, δημιουργήθηκαν νέες καινοτόμες ιδέες για ευφυή συστήματα παροχής πλούσιου διαδραστικού περιεχόμενου μέσω του «αόρατου» υπολογιστή. Οι τάσεις αυτές αποτελούν τον πρόδρομο για καινοτόμα περιβάλλοντα διάχυτης νοημοσύνης. Η διάχυτη νοημοσύνη οραματίζεται την απλοποίηση, διευκόλυνση και επέκταση των ανθρώπινων καθημερινών δραστηριοτήτων, για παράδειγμα στον δρόμο, στο σπίτι και στην εργασία, όπου η πρόσβαση σε πληροφορίες θα είναι διαρκής και απεριόριστη. Γνωρίζοντας ότι η τεχνολογία παίζει ένα σημαντικό ρόλο στον τομέα της εκπαίδευσης, αυτή η εργασία εξετάζει τις δυνατότητες και τους νέους ορίζοντες που ανοίγονται από ένα εκπαιδευτικό περιβάλλον διάχυτης νοημοσύνης. Η έννοια της “έξυπνης” τάξης εμφανίστηκε τα τελευταία χρόνια και αναφέρεται σε ένα τεχνολογικά επαυξημένο εκπαιδευτικό περιβάλλον. Στην “έξυπνη” τάξη, οι συμβατικές εκπαιδευτικές δραστηριότητες υποστηρίζονται από διάχυτες και φορητές υπολογιστικές συσκευές. Ωστόσο, στην πλειοψηφία τους οι υπάρχουσες προσεγγίσεις προσπαθούν να αντιμετωπίσουν μονομερώς διάφορα εκπαιδευτικά ζητήματα, εξετάζοντάς τα είτε από τεχνολογικής είτε από εκπαιδευτικής σκοπιάς, και δεν προσφέρουν ολοκληρωμένες λύσεις για την υποστήριξη του μαθητή καθ’όλη την διάρκεια της μάθησης. Το σύστημα ClassMATE, που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο αυτής της εργασίας, στοχεύει να υποστηρίξει τις δραστηριότητες μαθητών και καθηγητών, προσφέροντας καθοδήγηση και υποστήριξη σε όλα τα στάδια της εκπαιδευτικής διαδικασίας. Το ClassMATE, σε συνεργασία με το σύστημα PUPIL, ενσαρκώνει ένα πρωτότυπο της οραματιζόμενης Τάξης Διάχυτης Νοημοσύνης (στα πλαίσια του προγράματος AmI Programme του ICS-FORTH). Το ClassMATE αποτελεί την ραχοκοκκαλιά της Τάξης Διάχυτης Νοημοσύνης και την εμπλουτίζει με “έξυπνους” μηχανισμούς, με στόχο την υποστήριξη και διευκόλυνση των εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων. Συγκεκριμένα, παρέχει τα εξής: (α) έναν “ψηφιακό” συντονιστή της τάξης, οι αποφάσεις του οποίου προσαρμόζονται στις εκάστοτε συνθήκες του περιβάλλοντος χρήσης, (β) έναν επεκτάσιμο μηχανισμό που επιτρέπει την υποστήριξη ποικίλων υπηρεσιών και συσκευών που δύναται να υπάρξουν σε περιβάλλοντα διάχυτης νοημοσύνης, (γ) ένα δίκτυο “σύγχρονης” και “ασύγχρονης” επικοινωνίας, (δ) ένα σύστημα διαχείρισης δυναμικά δημιουργούμενων προφίλ μαθητών, και τέλος (ε) έναν αυτόματο vi μηχανισμό κατηγοριοποίησης του εκπαιδευτικού περιεχομένου που επιτρέπει την προσωποποιημένη παροχή και παρουσίαση του ώστε να καλύψει τις τρέχουσες ανάγκες του εκάστοτε μαθητή και πλαισίου χρήσης. Αυτή η εργασία παρουσιάζει την αρχιτεκτονική του ClassMATE, και εμβαθύνει στις λεπτομέρειες υλοποίησης των μηχανισμών που αναφέρθηκαν παραπάνω.The evolution of Information Technology (IT) for more than three decades has drastically affected the way users interact with personal computers and increased their expectations from technology. Towards this objective, researchers developed novel concepts to provide content-rich invisible computing applications, eventually leading to the emergence of the Ambient Intelligence paradigm. Ambient Intelligence is a vision of the future which offers great opportunities to enrich everyday activities (e.g., on the road, at home, at work, etc.). Considering that ICT (Information and Communication Technologies) has been proven to play an important role in education, this thesis investigates the promising potentials of AmI in the education domain. The notion of Smart Classroom has been around already for a few years. In a Smart Classroom, conventional classroom activities are enhanced with the use of pervasive and mobile computing. However, the majority of the current approaches towards the realization of the Smart Classroom addresses various issues unilaterally either from the technological or the educational perspective, neglecting the main objective of supporting the student during the learning process. The ClassMATE system reported in this thesis aims to provide numerous essential educational-related facilities both for the student and for the teacher. ClassMATE, in collaboration with the PUPIL system, incarnates a functional prototype of the envisioned Ambient Intelligence Classroom (in the context of ICS-FORTH AmI Programme). ClassMATE constitutes the backbone infrastructure of the Ambient Intelligence Classroom system, aiming to provide “intelligent” facilities to enhance the educational process. These facilities include: (i) a context-aware classroom orchestration process based on information gathered through ambient environment monitoring, (ii) a mechanism to address heterogeneous interoperability of AmI services and devices, (iii) a synchronous and asynchronous communication scheme, (iv) a user profiling and (v) a content classification mechanism in order to deliver personalized content based on the context of use and the actual needs of every individual learner. The thesis discusses the overall ClassMATE architecture and presents in details the implementation of the above mentioned mechanisms

ParlAmI: A Multimodal Approach for Programming Intelligent Environments

The proliferation of Internet of Things (IoT) devices and services and their integration in intelligent environments creates the need for a simple yet effective way of controlling and communicating with them. Towards such a direction, this work presents ParlAmI, a conversational framework featuring a multimodal chatbot that permits users to create simple “if-then” rules to define the behavior of an intelligent environment. ParlAmI delivers a disembodied conversational agent in the form of a messaging application named MAI, and an embodied conversational agent named nAoMI employing the programmable humanoid robot NAO. This paper describes the requirements and architecture of ParlAmI, the infrastructure of the “Intelligent Home” in which ParlAmI is deployed, the characteristics and functionality of both MAI and nAoMI, and finally presents the findings of a user experience evaluation that was conducted with the participation of sixteen users

Integrating Ambient Intelligence Technologies for Empowering Agriculture

This work blends the domain of Precision Agriculture with the prevalent paradigm of Ambient Intelligence, so as to enhance the interaction between farmers and Intelligent Environments, and support their various daily agricultural activities, aspiring to improve the quality and quantity of cultivated plants. In this paper, two systems are presented, namely the Intelligent Greenhouse and the AmI seedbed, targeting a wide range of agricultural activities, starting from planting the seeds, caring for each individual sprouted plant up to their transplantation in the greenhouse, where the provision for the entire plantation lasts until the harvesting period

Ambient Intelligence in the Living Room

The emergence of the Ambient Intelligence (AmI) paradigm and the proliferation of Internet of Things (IoT) devices and services unveiled new potentials for the domain of domestic living, where the line between “the computer” and the (intelligent) environment becomes altogether invisible. Particularly, the residents of a house can use the living room not only as a traditional social and individual space where many activities take place, but also as a smart ecosystem that (a) enhances leisure activities by providing a rich suite of entertainment applications, (b) implements a home control middleware, (c) acts as an intervention host that is able to display appropriate content when the users need help or support, (d) behaves as an intelligent agent that communicates with the users in a natural manner and assists them throughout their daily activities, (e) presents a notification hub that provides personalized alerts according to contextual information, and (f) becomes an intermediary communication center for the family. This paper (i) describes how the “Intelligent Living Room” realizes these newly emerged roles, (ii) presents the process that was followed in order to design the living room environment, (iii) introduces the hardware and software facilities that were developed in order to improve quality of life, and (iv) reports the findings of various evaluation experiments conducted to assess the overall User Experience (UX)

Hobbit: Providing Fall Detection and Prevention for the Elderly in the Real World

We present the robot developed within the Hobbit project, a socially assistive service robot aiming at the challenge of enabling prolonged independent living of elderly people in their own homes. We present the second prototype (Hobbit PT2) in terms of hardware and functionality improvements following first user studies. Our main contribution lies within the description of all components developed within the Hobbit project, leading to autonomous operation of 371 days during field trials in Austria, Greece, and Sweden. In these field trials, we studied how 18 elderly users (aged 75 years and older) lived with the autonomously interacting service robot over multiple weeks. To the best of our knowledge, this is the first time a multifunctional, low-cost service robot equipped with a manipulator was studied and evaluated for several weeks under real-world conditions. We show that Hobbit’s adaptive approach towards the user increasingly eased the interaction between the users and Hobbit. We provide lessons learned regarding the need for adaptive behavior coordination, support during emergency situations, and clear communication of robotic actions and their consequences for fellow researchers who are developing an autonomous, low-cost service robot designed to interact with their users in domestic contexts. Our trials show the necessity to move out into actual user homes, as only there can we encounter issues such as misinterpretation of actions during unscripted human-robot interaction

Results of Field Trials with a Mobile Service Robot for Older Adults in 16 Private Households

In this article, we present results obtained from field trials with the Hobbit robotic platform, an assistive, social service robot aiming at enabling prolonged independent living of older adults in their own homes. Our main contribution lies within the detailed results on perceived safety, usability, and acceptance from field trials with autonomous robots in real homes of older users. In these field trials, we studied how 16 older adults (75 plus) lived with autonomously interacting service robots over multiple weeks. Robots have been employed for periods of months previously in home environments for older people, and some have been tested with manipulation abilities, but this is the first time a study has tested a robot in private homes that provided the combination of manipulation abilities, autonomous navigation, and nonscheduled interaction for an extended period of time. This article aims to explore how older adults interact with such a robot in their private homes. Our results show that all users interacted with Hobbit daily, rated most functions as well working, and reported that they believe that Hobbit will be part of future elderly care. We show that Hobbit's adaptive behavior approach towards the user increasingly eased the interaction between the users and the robot. Our trials reveal the necessity to move into actual users' homes, as only there, we encounter real-world challenges and demonstrate issues such as misinterpretation of actions during non-scripted human-robot interaction