基于三轴加速度传感器的计步系统的设计与实现

基于三轴加速度传感器的计步系统的设计与实现

摘要：智能手环是目前较为常用的运动状态监测工具，然而用户必须每次佩带智能手环才能完成监测，稍显麻烦。另外，市场上虽然手机的跑步软件种类众多，但多为基于GPS导航的软件，或耗电或需耗费流量。为此本课题以智能手机为研究对象，重点研究基于手机自带三轴加速度传感器的计步系统，在保证较高的精确度的情况下很好的解决了以上问题，为实现基于手机的运动状态监测奠定基础。

本文正文系统的讲解了基于三轴加速度传感器的计步系统所采用的技术与原理，基于安卓的开发环境与工具。然后根据需求分析进行计步系统的界面设计和代码编写。在计步系统的设计过程中，通过延长步态判断周期和对加速度的波形进行滤波，有效的保证了计步的准确性，此过程中，通过对本系统进行难点分析，确保实现计步功能，并具体地呈现了用户主界面、交互界面和步数更新界面的实现方法和代码的设计思路，进一步对各功能模块的实现过程进行了详细的分析。最后，在安卓开发平台上，详细而又完整的展现计步系统的操作流程：系统的启动界面、系统主界面和各主要功能界面。最终实现对人体运动状态检测和判别，来精确的进行计步。

计步系统完成之后，又对基于三轴加速度计步器系统做了进一步的总结与展望。

关键词: 安卓三轴加速度传感器计步步态判别滤波

第一章绪论 1

1.1 项目的背景和发展状况 1

1.2 项目的意义与前景 2

1.3 项目研究的目标和内容 2

第二章总体分析 4

2.1 需求分析 4

2.2 功能分析 4

2.3 流程图分析 5

2.3.1 计步流程图 5

2.3.2 设置选项流程图 6

2.3.3 整体框架图 6

第三章相关技术简介 8

3.1 开发工具与环境简介 8

3.2 Android 8

3.2.1 Sensor类 9

3.2.2 SensorManager类 9

3.2.3 生命周期 10

第四章传感器 11

4.1 手机传感器的分类 11

4.2 三轴加速度传感器的特点 12

4.3 三轴加速度传感器的原理 12

4.3.1 三轴加速度传感器的三轴坐标系 13

4.3.2 计步算法 14

4.3.3 关于计步器的扩展 15

第五章计步系统的设计 17

5.1 布局界面的设计 17

5.2 主界面的设计 17

5.3 设置界面的设计 19

5.4 计步与更新程序的设计 20

第六章调试 24

6.1 主界面的调试 24

6.2 设置界面的调试 24

6.3 调试结果说明 24

第七章结束语 30

致谢 31

参考文献 32

第一章绪论

1.1 项目的背景和发展状况

自20世纪40年代，德国研制首先制造出摆式陀螺加速器，加速器被运用于生活生产等诸多方面，各种更加精确，性能更加完善的加速器应运而生。随着具有体积小重量轻，成本低功耗低可靠性好微机械加速度的问世，我们生活也变得越加非富多彩。而国内自20世纪80年代开始研究MEMS技术，也取得诸多喜人成果。目前，国内外的手机生产商所生产的部分移动终端上都自带有此类计步功能的加速器，尽管移动终端上的计步软件种类繁多，但这些软件所带的加速器或精确度不够，或计步数量不精确，或软件功能不完善，或功能单一，少有一款功能强大数据精确的人性化的计步软件能吸引群众并被广大用户所热爱，总之目前国内外该类计步系统研究技术已较为普及，但还不够完善。因此亟需开发一款精巧而又精确的计步软件，解决市场危机和需求。

随着科技的日新月异的发展，传感器的技术与工艺也也来越精湛，其相应的应用也日益广泛。加速度传感器在成为当世纪电子行业的一大龙头之前，其实已或多或少进入诸多行业，汽车电子领域；或核心好次要的成为安全系统和导航的技术一部分。就目前，汽车安全气囊作为当今汽车“救命”设计，在无数次车祸中解救了无数的车主。传感器技术在电子消费市场中的份额逐年飞升，尤其是ABS和ESP、电控悬挂系统等行业。随着地球村理念的扩散，人类对各类工具的不断研发，仅仅靠人本身的五官去发掘或感知周围或海量的信息是远远不够的。传感器的发展使人类的手无限延长，触摸地球对面的实物；视野无限拓展，从外太空到深海，人类“听”到的声音也不仅仅限于常声，“嗅”到的气味也变得种类繁多。传感器它在我们的物质世界中无处不在，我们的手机，电脑，大街上的摄像头，汽车，航空，机械等等，它的发展日益丰富了人们的日常生活。

传感技术的发展经历了三个阶段，即结构型传感器、物性型传感器和智能型传感器。而计步器件也从一开始的计步手环到现在的装在手机上的计步软件。移动终端应用程序的开发是将来手机物联世界的必经之路，传感器发展问题更是实现物联网“网络全球”的几个核心问题之一。

1.2 项目的意义与前景

因为智能手机的出现，越来越多的精巧的传感器都能够集成到手机中，手机的功能也不仅仅就是打电话，发短信。可以说一个人出门可以不带或忘带钱包，但没人会不带或忘带手机。因此任意与手机挂钩的与生活相关的实用软件都将迎合广大群众的喜好，得到极大发展。如今，智能手环退出市场，智能终端尤其是手机上的带有加速度传感器的跑步软件被人们所热捧。随着生活质量的提高，身体健康越来越被人们所重视，为此体育锻炼已经成为下班后一种生活常态。计步作为一种有效记录监控锻炼的监控手段，已经广泛应用在移动终端的应用中。市场上虽然手机的跑步软件种类众多，但多为基于GPS导航的软件。那些软件优势如何进行计步的呢？其实，在用户进行户外活动时，它们是首先用GPS导航计算出用户得位移，再由位移的数值量除以人体的步长（估计值），最后两者相除算出用户的行走步数，这是一个很好的方法，通过人们的实际测试，也不失为有效的计步方法。但是它的缺点也是相当明显的，它过度依赖GPS导致当用户在跑步机上跑步时无法通过位移推出计步步数。另外这类软件在无GPS信号的移动终端上无法工作，并且不同的GPS有着不同的工艺，也就意味着不同的精确度，这也可能导致数值会有大的波动。为此本文提出一个新的测步方法，即通过设备上的加速器来计算步数，这样很好的解决以上的问题，当然此系统也可用以与GPS互相配合测步，让应用的使用场景更加多样。

为此本课题以智能手机为研究对象，重点研究基于手机自带三轴加速度传感器的计步系统，在保证较高的精确度的情况下很好的解决了实用性及耗流量的问题，此次项目所设计的三轴加速器计步准确，可累计走步计数及显示，可进行步数设定及提示，功能完善，具有人性的语音提示，并且适用基于安卓的所有移动终端，研发之后，稍加推广，必将吸引广大的运动爱好者。

1.3 项目研究的目标和内容

本论文是基于三轴加速度传感器的计步系统的设计与实现，目的是为迎合广大人民的需求，方便用户进行绿色的生活，保持健康的生活方式，在充分利用手机资源的同时也为用户避免了不必要的开支。传感器的使用是Android系统的一大亮点之一，利用传感器可以开发出很多简单实用的应用程序，比如我们此项目的计步器。另外在很多游戏中都使用传感器来操作游戏，极大提高了用户的游戏体验。

本论文主要做以下研究：

1)查找相关资料，了解三轴加速度传感器的工作原理，实现编程对三轴加速度传感器的检测。

2)理解并掌握三轴加速度传感器的步态判定的准则，并通过编写代码实现对检测到的数据进行滤波。

3)根据用户需求确定计步器的各个子功能。

4)画出计步器运行的流程图。

5)在Android环境下进行界面布局与优化。

6)编写代码实现各个子功能。

7)完成系统使系统能够精确良好运行并改进。

参考文献：

[1]张亚杰.基于Android平台的移动终端应用程序的研究与开发[D].郑州大学.2013

[2]李刚.疯狂的Android讲义[M].北京:电子工业出版社.2011.07

[3]Huang Neng Geng. Android Application Development JUNE，2015.07