王斯盾, 琚生根

(1. 后勤工程學(xué)院 后勤信息與軍事物流工程系, 重慶 401311；2. 四川大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 四川 成都 610065)

基于Android的嵌入式系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

王斯盾1, 琚生根2

(1. 后勤工程學(xué)院 后勤信息與軍事物流工程系, 重慶 401311；2. 四川大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 四川 成都 610065)

根據(jù)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問(wèn)題,基于智能手機(jī)硬件平臺(tái)和Android系統(tǒng)設(shè)計(jì)了嵌入式系統(tǒng)手機(jī)計(jì)步器綜合實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)包括傳感器信號(hào)采集、算法實(shí)現(xiàn)、交互功能設(shè)計(jì)等Android程序開(kāi)發(fā)的基本內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)了較為準(zhǔn)確的手機(jī)計(jì)步功能。實(shí)驗(yàn)具有模塊化、漸進(jìn)式、開(kāi)放性的特點(diǎn),提升了學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)； 嵌入式系統(tǒng)； Android； 計(jì)步器

教育部提出要開(kāi)展“新工科”的研究與實(shí)踐,補(bǔ)齊工程教育與新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)發(fā)展有所脫節(jié)的短板[1]。嵌入式系統(tǒng)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,其實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)應(yīng)該面向?qū)嶋H、面向新興領(lǐng)域,提高工科學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力。當(dāng)前,移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速,智能設(shè)備快速普及,移動(dòng)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)已成為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的熱門(mén)技術(shù),相關(guān)崗位的人才需求十分旺盛。然而國(guó)內(nèi)高校工科開(kāi)設(shè)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到用人單位的期許[2]。

在目前嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中,課程設(shè)置已顯陳舊,缺乏工程化實(shí)踐內(nèi)容。一方面,傳統(tǒng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)體積龐大、體系復(fù)雜,需要花費(fèi)大量時(shí)間講解51-STM32嵌入式體系原理,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)用性差,難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；另一方面,基于移動(dòng)終端的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)置方興未艾,存在沒(méi)有典型教材、缺乏實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等問(wèn)題[3]。

為了緊跟科技發(fā)展的前沿、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維,必須突破傳統(tǒng)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)室的限制,鼓勵(lì)學(xué)生利用開(kāi)源平臺(tái)完成實(shí)驗(yàn),提高學(xué)習(xí)效率、快速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)。為此,利用谷歌公司提供的開(kāi)源程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)Android Studio和具有加速度傳感器的智能手機(jī),設(shè)計(jì)了一種基于Android系統(tǒng)的手機(jī)計(jì)步器綜合實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)包含傳感器調(diào)用、計(jì)步功能實(shí)現(xiàn)、交互功能設(shè)計(jì)等Android程序開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)知識(shí)。此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容新穎,具有較強(qiáng)實(shí)用性,能夠讓學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),初步掌握嵌入式系統(tǒng)的綜合應(yīng)用和Android程序開(kāi)發(fā)技術(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

目前,手機(jī)計(jì)步算法有峰值檢測(cè)法[4]、自相關(guān)分析法[5]、動(dòng)態(tài)閾值法[6]等,這些算法本質(zhì)上都是檢測(cè)人體行走過(guò)程中加速度出現(xiàn)的周期性正弦變化,通過(guò)判別加速度信號(hào)中連續(xù)的波峰和波谷個(gè)數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)步。本實(shí)驗(yàn)采用應(yīng)用廣泛、效果可靠的動(dòng)態(tài)閾值法,在傳統(tǒng)的峰值檢測(cè)法基礎(chǔ)上,設(shè)定動(dòng)態(tài)閾值判定波峰和波谷。該方法對(duì)每一計(jì)步周期的判別都分為信號(hào)預(yù)處理和步態(tài)判別2個(gè)步驟。

1.1 信號(hào)預(yù)處理

信號(hào)預(yù)處理包括低通濾波和計(jì)算加速度向量模。由于傳感器信號(hào)中含有隨機(jī)噪聲,直接進(jìn)行步態(tài)判別誤判概率較高；而采用低通濾波,可以有效濾除信號(hào)中偶然因素引起的脈沖干擾[7]。在人體行走過(guò)程中,加速度將沿某一方向呈周期變化,但因?yàn)闊o(wú)法判斷手機(jī)放置的方向,所以不能采用某一軸的加速度信號(hào)判別。計(jì)算信號(hào)的向量模(SVM)可以將空間的加速度變化集合為一矢量進(jìn)行分析[8]。加速度信號(hào)向量模SVMA定義為

式中,ax、ay、az分別表示x軸、y軸、z軸加速度。

1.2 步態(tài)判別

步態(tài)判別采用峰值檢測(cè)的原理,若檢測(cè)到加速度信號(hào)向量模中連續(xù)的一個(gè)波峰和一個(gè)波谷則計(jì)為一步。由于人體行走狀態(tài)的隨機(jī)變化,加速度信號(hào)可能產(chǎn)生偽波峰或偽波谷；行走過(guò)程中手機(jī)放置的位置不同也會(huì)對(duì)加速度檢測(cè)產(chǎn)生較大的影響,或因難以用統(tǒng)一的閾值判斷波峰和波谷[9],導(dǎo)致步態(tài)的誤判。因此,本實(shí)驗(yàn)通過(guò)設(shè)置時(shí)間窗和動(dòng)態(tài)閾值,濾除偽波峰與偽波谷,彌補(bǔ)固定閾值的缺陷,提高步態(tài)檢測(cè)精度,獲得真實(shí)步態(tài)信息。

人體正常行走頻率約為0.5 ～2.5 Hz,因此設(shè)定每?jī)刹街g的時(shí)間窗為0.4～2 s,如果連續(xù)兩步的時(shí)間間隔小于0.4 s或大于2 s,則判定所測(cè)信號(hào)無(wú)效,將新的閾值點(diǎn)設(shè)為計(jì)步起點(diǎn)重新開(kāi)始計(jì)步。根據(jù)人體在行走過(guò)程中加速度的連貫性設(shè)置一個(gè)動(dòng)態(tài)閾值:第一步的閾值為9.7 m/s2,后續(xù)的閾值為前一步的峰值與谷值的均值,從而實(shí)現(xiàn)閾值的動(dòng)態(tài)更新,使步態(tài)檢測(cè)具有自適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

2 實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)步器的功能和性能需求,將綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為3個(gè)模塊:信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊和交互設(shè)計(jì)模塊。

2.1 信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)采集模塊主要是調(diào)用手機(jī)加速度傳感器,采集3軸加速度信號(hào),用于下一步的信號(hào)處理。

第一步，獲得傳感器管理器：

SensorManager=(SensorManager).getSystemService (SENSOR_SERVICE)

第二步，注冊(cè)監(jiān)聽(tīng)器,開(kāi)始使用加速度傳感器：

Sensor.TYPE_ACCELEROMETER.sm,registerListener(this,sm.getDefaultSensor(Sensor. TYPE_ACCELEROMETER), SensorManager. SENSOR_DELAY_UI)

其中,第3個(gè)參數(shù)表示選擇傳感器的采樣頻率,SENSOR_DELAY_UI是最慢的采樣速率,一般為20 Hz。根據(jù)奈奎斯特定律,20 Hz已經(jīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的需要,不需要更快的采樣速率消耗系統(tǒng)資源。

第三步，實(shí)現(xiàn)傳感器的監(jiān)聽(tīng)：

調(diào)用android.hardware.SensorEventListener接口,該接口可以監(jiān)聽(tīng)傳感器各種事件,此時(shí)就可以直接獲取各傳感器的信號(hào)。

第四步，解除注冊(cè)：

退出程序后要對(duì)傳感器解除注冊(cè),否則即使熄滅屏幕,傳感器仍然會(huì)繼續(xù)工作,消耗系統(tǒng)資源和電量。一般調(diào)用onResume注冊(cè)監(jiān)聽(tīng)器傳感器,調(diào)用onPause解除注冊(cè)。

2.2 信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)處理模塊包括對(duì)原始信號(hào)的預(yù)處理和步態(tài)判別兩部分。

第一步，信號(hào)預(yù)處理。首先計(jì)算3軸加速度向量模,然后進(jìn)行基于限幅濾波法的低通濾波,去除噪聲,其核心代碼為:

macc =(float) Math.sqrt(accel[0]*accel[0]+accel[1]*accel[1] + accel[2] * accel[2]) //計(jì)算加速度向量模

public static float LFValues(float value1,float value2)

{if((value1-value2>FZ)||(value2- value1)>FZ)}// 基于限幅濾波法的低通濾波,其中FZ為濾波器限定的幅值差

第二步，步態(tài)判別。首先判斷計(jì)步起點(diǎn),當(dāng)加速度向量模大于更新的動(dòng)態(tài)閾值時(shí)判定為起點(diǎn)。然后在時(shí)間窗內(nèi)進(jìn)行峰值檢測(cè),若峰峰值滿(mǎn)足閾值,則計(jì)1步,同時(shí)更新動(dòng)態(tài)閾值。核心代碼如下:

/***時(shí)間窗判定***/

if((index>=10)&&(index<=100)){ //窗口時(shí)間判斷

toplow=get Top Low Values( magnitude Accel);//更新峰谷值

return true; index++; return false; }

/***計(jì)算峰峰值***/

float topvalues=G; //G 為初始設(shè)置的峰峰值 9.7。

float lowvalues=G;

if(take Out>=topvalues){ //搜索波峰

topvalues=take Out;}

else if(take Out<=lowvalues){ //搜索波谷

lowvalues=take Out;}

values.add(topvalues); values.add(lowvalues);

return values;

2.3 交互模塊設(shè)計(jì)

交互模塊包括文字顯示、虛擬按鍵控制和歷史記錄3部分。

2.3.1 文字顯示

文本采用TextView控件顯示文字信息。需要在布局程序中設(shè)置文本的內(nèi)容、大小、顏色、位置等信息[10],在主程序中完成對(duì)控件的調(diào)用。

2.3.2 虛擬按鍵控制

嵌入式系統(tǒng)手機(jī)計(jì)步器綜合實(shí)驗(yàn)采用Button控件實(shí)現(xiàn)按鍵控制。在程序中,通過(guò)點(diǎn)擊虛擬按鍵Button實(shí)現(xiàn)頁(yè)面切換等功能,如觸發(fā)開(kāi)始、暫停等事件。與文字顯示的TextView控件類(lèi)似,在布局程序中設(shè)置按鍵的內(nèi)容、大小、顏色、位置等信息，同時(shí)在主程序中的調(diào)用SetOnClikListener接口,為按鍵綁定一個(gè)監(jiān)聽(tīng)器。這時(shí)候只要按鍵被點(diǎn)擊,監(jiān)聽(tīng)器對(duì)象事件就會(huì)被觸發(fā)[11]。

2.3.3 歷史記錄

為了清晰顯示每天步行運(yùn)動(dòng)的計(jì)數(shù),提高軟件的實(shí)用性,設(shè)計(jì)了歷史記錄的界面。

Android系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式有5種[12]:(1)共享首選項(xiàng)(SharedPreferences)；(2)內(nèi)部存儲(chǔ)(internal storage)；(3)外部存儲(chǔ)(external storage)；(4)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)(SQLite database)；(5)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)(Internet)。本設(shè)計(jì)采用internal storage存儲(chǔ)模式,存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)只能被本軟件訪問(wèn),卸載軟件的同時(shí)刪除存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

第一步:調(diào)用Context的openFileOutput()函數(shù)。選擇文件名和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式,同時(shí)返回一個(gè)FileOutputStream對(duì)象。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式選用Context.MODE_APPEND。存儲(chǔ)前先檢查文件是否存在,如果存在就追加數(shù)據(jù),否則就創(chuàng)建新文件。

第二步:通過(guò)返回對(duì)象,調(diào)用write()函數(shù)寫(xiě)入數(shù)據(jù),調(diào)用close()函數(shù)關(guān)閉流。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在Android Studio中將設(shè)計(jì)的軟件生成APK文件,下載到手機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試手機(jī)型號(hào)為華為P8,運(yùn)行平臺(tái)為Android 6.0。軟件交互界面如圖2所示。

圖2 軟件交互界面

軟件共有2級(jí)界面:主界面有開(kāi)始運(yùn)動(dòng)和歷史記錄等2個(gè)虛擬按鍵,第二級(jí)界面分為歷史記錄界面和計(jì)數(shù)界面。在主頁(yè)面中點(diǎn)擊歷史記錄進(jìn)入歷史記錄界面,即可查看每天運(yùn)動(dòng)的步數(shù)；點(diǎn)擊開(kāi)始運(yùn)動(dòng)即進(jìn)入計(jì)數(shù)界面。在計(jì)數(shù)界面中點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鍵,計(jì)步開(kāi)始,同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),每檢測(cè)到行走一步,計(jì)步次數(shù)加一；點(diǎn)擊暫停,計(jì)步結(jié)束,計(jì)時(shí)停止,同時(shí)將步數(shù)存入歷史記錄。

利用本軟件對(duì)5人進(jìn)行了步行計(jì)數(shù)測(cè)試。進(jìn)行人工計(jì)數(shù)100步,軟件測(cè)試分別為102步、105步、98步、109步和101步,與人工計(jì)數(shù)所得到的結(jié)果基本一致,正確率保持在90%以上,滿(mǎn)足一般使用需求。

4 結(jié)語(yǔ)

基于Android系統(tǒng)的手機(jī)計(jì)步器實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)課程特點(diǎn),使學(xué)生能綜合利用數(shù)字信號(hào)處理、C語(yǔ)言設(shè)計(jì)、Java面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)等課程內(nèi)容,較系統(tǒng)地掌握Android應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)知識(shí),提升解決實(shí)際問(wèn)題的能力。同時(shí),該實(shí)驗(yàn)具有開(kāi)放性,在交互設(shè)計(jì)、計(jì)步算法的創(chuàng)新上留有眾多細(xì)節(jié)問(wèn)題,可以讓學(xué)生進(jìn)一步挖掘探索,激發(fā)學(xué)生對(duì)嵌入式課程學(xué)習(xí)的興趣。此外,計(jì)步技術(shù)也是研究室內(nèi)定位技術(shù)的基礎(chǔ),拓展本實(shí)驗(yàn)課題,可以滿(mǎn)足更高層次的學(xué)習(xí)需求。

References)

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[12] Android DeveloperUser Guide[EB/OL].[2017-05-16]. https://developer.android.com/studio/projects/ android-library.html.

Design of comprehensive experiment on embedded system based on Android

Wang Sidun1, Ju Shenggen2

(1. Department of Logistics Information and Military Logistics Engineering,Logistical Engineering University,Chongqing 401311, China; 2. School of Computer Science, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

According to the problem in the experimental teaching of the embedded system, and based on the intelligent mobile phone hardware platform and Android system, a comprehensive experiment on the embedded system mobile phone pedometer is designed. The experiment includes the basic contents of the Android program development such as the sensor signal acquisition, algorithm realization, interactive function design, etc., achieving the more accurate function of countering steps by the mobile phone. The experiment embodies the characteristics of modularization, gradual progress and openness, and promotes students’ practical and innovative ability.

comprehensive experimental design; embedded system; Android; pedometer

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.040

2017-05-24

王斯盾(1993—),男,四川達(dá)州,碩士研究生,研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)與智能控制

E-mail：danube.live@qq.com

琚生根(1970—),男,安徽桐城,博士,教授,研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚?實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究.

E-mail：jsg@scu.edu.cn

G642.423

A

1002-4956(2017)12-0168-04