智能手機(jī)在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用分析

諶曉宇

摘 要：智能手機(jī)已經(jīng)完全融入了現(xiàn)代人的生活，并且得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。最近關(guān)于智能手機(jī)如何幫助人們更加健康地生活的話題也越來(lái)越多。本文主要從應(yīng)用角度出發(fā)來(lái)討論智能手機(jī)上的加速度傳感器如何運(yùn)用到校園體育鍛煉中。首先分析了校園體育的現(xiàn)狀，然后提出一個(gè)加速度傳感器的應(yīng)用實(shí)例，最后提出了今后的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞： 智能手機(jī) 安卓 加速度 傳感器

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）05（c）-0000-00

引言：

隨著信息化的推進(jìn)，云存儲(chǔ)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能手機(jī)已經(jīng)逐漸從電話終端轉(zhuǎn)變成整個(gè)廣域網(wǎng)的智能終端，在生活的各個(gè)方面應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在餐館，服務(wù)員不再使用紙質(zhì)點(diǎn)菜單，而是直接使用手機(jī)終端的點(diǎn)菜終端點(diǎn)菜，客戶的點(diǎn)完菜的同時(shí)，各個(gè)菜品就傳遞到了廚房的顯示屏幕上，實(shí)在是省時(shí)省力。在信息發(fā)展的背景下，讓智能手機(jī)在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域尤其是在校園中得到更廣泛的應(yīng)用，從而推進(jìn)全民身體素質(zhì)的提高將會(huì)有很好的前景。

1 校園體育現(xiàn)狀

從奧運(yùn)會(huì)在北京成功申辦以來(lái)，提高全民身體素質(zhì)的呼聲就越來(lái)越高，尤其是在小學(xué)和中學(xué)，由于學(xué)習(xí)任務(wù)的不斷加碼，學(xué)生的運(yùn)動(dòng)時(shí)間也就不斷地被壓縮，在學(xué)習(xí)和保證身體素質(zhì)之間找到平衡點(diǎn)變得越來(lái)越困難。雖然學(xué)生的體育鍛煉越來(lái)越受到重視，但在目前的信息化的大背景下，我個(gè)人覺(jué)得還存在以下的不足。

1.1 體育測(cè)量方法陳舊

目前校園采用的檢測(cè)設(shè)備還基本上是傳統(tǒng)秒表、皮尺、鉛球等測(cè)量設(shè)備，雖然可以得到一些常規(guī)的測(cè)試結(jié)果，但是卻無(wú)法得到更豐富的數(shù)據(jù)。例如：本文實(shí)例的彈跳力就無(wú)法簡(jiǎn)單地進(jìn)行測(cè)量。

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法陳舊、利用效率不高

傳統(tǒng)的身體素質(zhì)監(jiān)控通常由各個(gè)班級(jí)的體育老師利用各種紙質(zhì)的統(tǒng)計(jì)表格，統(tǒng)計(jì)日常練習(xí)和考試的成績(jī)，然后匯總到年級(jí)，年級(jí)匯總到學(xué)校，等等如此向上匯總，雖然也能監(jiān)控學(xué)生身體素質(zhì)的變化，但是它的弊病也是很明顯的：數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)慢、反映不及時(shí)，往往同統(tǒng)計(jì)到能看到數(shù)據(jù)需要花費(fèi)數(shù)月的時(shí)間；匯總數(shù)據(jù)訪問(wèn)不方便，利用率不高，能看到的結(jié)果往往是某個(gè)學(xué)校甚至是某個(gè)區(qū)的平均成績(jī)的變化，對(duì)于班級(jí)或者是個(gè)人的指導(dǎo)作用不是很清晰。

2 加速度傳感器的應(yīng)用實(shí)例

測(cè)量方法陳舊，可以嘗試通過(guò)智能手機(jī)上已有的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的測(cè)量，尤其是利用現(xiàn)在智能手機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算功能完成需要多次計(jì)算的測(cè)量。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法陳舊、利用效率不高，現(xiàn)在很多學(xué)校的已經(jīng)在實(shí)施信息化，如果能夠借鑒物聯(lián)網(wǎng)的概念，把智能手機(jī)也作為一個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集終端，那么能獲得更為豐富的數(shù)據(jù)。下面通過(guò)一個(gè)加速度傳感器的應(yīng)用實(shí)例來(lái)闡述智能手機(jī)在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前智能手機(jī)上已經(jīng)有以下常見(jiàn)的傳感器。[1]

1） 方向傳感器：方向傳感器簡(jiǎn)稱O-sensor，通常返回三軸的角度數(shù)據(jù)，提供的三個(gè)數(shù)據(jù)分別為azimuth、pitch和roll。方向傳感器常見(jiàn)的應(yīng)用為各種地圖顯示中標(biāo)示使用者面對(duì)的方向。

2）光線傳感器：光線感應(yīng)傳感器用于檢測(cè)實(shí)時(shí)的光線強(qiáng)度，光強(qiáng)單位是lux，其物理意義是照射到單位面積上的光通量。可以根據(jù)采樣到的光強(qiáng)數(shù)值實(shí)時(shí)調(diào)整LCD的亮度。

3）接近傳感器：接近傳感器檢測(cè)物體與手機(jī)的距離，單位是厘米。接近傳感器可用于接聽(tīng)電話時(shí)自動(dòng)關(guān)閉LCD屏幕以節(jié)省電量。

4）加速度傳感器：加速度傳感器能測(cè)量x、y、z三軸的加速度數(shù)值，單位是m/s^2。

由于地球上的所有物體都受到地心引力的影響，所以將手機(jī)平放在桌面上，x軸默認(rèn)為0，y軸默認(rèn)0，z軸默認(rèn)9.81。如果將手機(jī)朝下放在桌面上，z軸為-9.81。

加速度傳感器在運(yùn)動(dòng)測(cè)量上的理論分析

日常生活中的運(yùn)動(dòng)多種多樣，但不管多么復(fù)雜的動(dòng)作都是由跑、跳、投這些基本動(dòng)作組合而成的，而從生物力學(xué)的分析角度來(lái)看，大部分都是運(yùn)動(dòng)的改變或持續(xù)保持，相當(dāng)大的部分可以看成是加速度的改變。例如：原地縱跳運(yùn)動(dòng)，主要就是跳躍的力量大小，轉(zhuǎn)換到力學(xué)上就是彈跳力能夠產(chǎn)生多大的加速度，力量越大產(chǎn)生的加速度也就越大。利用智能手機(jī)上的加速度傳感器采集到實(shí)時(shí)的加速度，根據(jù)牛頓的力學(xué)定律，我們能得到下面的計(jì)算公式：

力量：f=m（a-g）*

速度：v=∫（a-g）dt

功率：p=fv

*由于地球上的任何物體都會(huì)受到重力的作用，所以測(cè)量到的加速度都需要考慮重力加速度的影響。騰空高度的計(jì)算單純從計(jì)算公式上看應(yīng)該是速度和時(shí)間的積分：h=∫v（t）dt，考慮到騰空高度涉及到加速度的二次積分，所以誤差較大而不準(zhǔn)確，而跳躍過(guò)程中從騰空到落地過(guò)程中人恰好只受到重力的恒定作用力，實(shí)際上和垂直上拋運(yùn)動(dòng)十分類似，所以改用騰空時(shí)間來(lái)計(jì)算騰空高度：h=（g/2）*（t/2）^2。這種計(jì)算方法由于是模擬垂直上拋運(yùn)動(dòng)，為了較為準(zhǔn)確地所以學(xué)生在縱跳過(guò)程中，需要學(xué)生在落地時(shí)也要和起跳時(shí)一樣保持雙腿伸直，腳尖先著地，如果落地前故意讓腿部彎曲，將會(huì)增加騰空時(shí)間，導(dǎo)致計(jì)算不準(zhǔn)確。當(dāng)然整個(gè)跳躍動(dòng)作只是要求落地瞬間雙腿伸直，落地后還是應(yīng)該正常緩沖，正常緩沖時(shí)產(chǎn)生的加速度變化已經(jīng)能夠參與計(jì)算了。

android軟件部分的實(shí)現(xiàn)

本軟件主要是通過(guò)采集加速度信息獲得學(xué)生的縱跳信息，所以整個(gè)系統(tǒng)包括以下部分。

1）學(xué)生基礎(chǔ)信息管理：登錄及維護(hù)相關(guān)學(xué)生的姓名、性別、年齡、身高、體重等基本信息，其中的體重是后期計(jì)算的依據(jù)之一。

圖1 學(xué)生信息維護(hù)界面

2）加速度采集、實(shí)時(shí)加速度數(shù)據(jù)分析及成績(jī)顯示：縱跳開(kāi)始后，從學(xué)生的體重信息及動(dòng)態(tài)采集到的加速度信息就可以計(jì)算得到力量、功率和騰空高度信息。問(wèn)題的重點(diǎn)就落在了Android智能手機(jī)系統(tǒng)中采集加速度數(shù)據(jù)。

Android智能手機(jī)系統(tǒng)為各種傳感器的使用提供了較為全面的管理功能。[2]通過(guò)getSystemService（SENSOR_SERVICE）可以獲得系統(tǒng)的傳感器服務(wù)。通過(guò)SensorEventListener可以監(jiān)聽(tīng)傳感器的各種數(shù)據(jù)，而且從Android2.3版以后可以設(shè)定傳感器的采樣頻率[3]，從實(shí)際的測(cè)試情況來(lái)看，由于智能手機(jī)作為一個(gè)多任務(wù)平臺(tái)，而且各個(gè)手機(jī)的配置也千差萬(wàn)別，所以在實(shí)際使用過(guò)程中，并不能保證采樣頻率的準(zhǔn)確性，但基本能保證頻率的一致性。下圖就是通過(guò)Android手機(jī)采集到的原地起跳的加速度曲線圖。

圖2 原地起跳運(yùn)動(dòng)的加速度變化曲線

從采集到的加速度曲線可以看出曲線的軌跡和運(yùn)動(dòng)軌跡基本吻合。

首先是起跳的下蹲準(zhǔn)備動(dòng)作，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下的加速度；然后雙腿發(fā)力向上跳起，會(huì)導(dǎo)致向上的加速度持續(xù)增大，當(dāng)腿部肌肉釋放的力量達(dá)到最大值時(shí)，加速度也達(dá)到了最大值；隨著躍起動(dòng)作的持續(xù)，腿部肌肉會(huì)逐漸松弛，力量會(huì)慢慢變小，加速度也會(huì)逐漸減小，當(dāng)加速度減小到0時(shí)，表示雙腳已經(jīng)離地，此時(shí)只會(huì)受到一個(gè)向下的重力作用，加速度會(huì)迅速降低到向下的一個(gè)G，可能是由于下降太快，還能產(chǎn)生一個(gè)突起的毛刺，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員在整個(gè)騰空過(guò)程中，加速度會(huì)保持一個(gè)向下的G；當(dāng)落回地面時(shí)，由于地面的向上的支撐力讓人迅速減速所以產(chǎn)生了一個(gè)很大的向上加速度的波峰，這個(gè)加速度實(shí)際上并不是由人施加的，所以并不能用來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生的身體素質(zhì)的真實(shí)情況，在算法中是要剔除掉的，真正有效的數(shù)據(jù)是下蹲到落地之間的數(shù)據(jù)。

分析加速度曲線實(shí)時(shí)的加速度值，并且找到原地跳起的時(shí)間點(diǎn)和落地的時(shí)間點(diǎn)后，根據(jù)就能夠得到各個(gè)參數(shù)值了。力量的最大值就是加速度的最大點(diǎn)；速度的最大值是雙腳離地的時(shí)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)加速度進(jìn)行積分獲得；功率為力量和速度的乘積，由于力量最大時(shí)速度還未達(dá)到最大，速度最大時(shí)力量已經(jīng)趨近于零，所以功率的最大值在力量和速度的最大值之間的某個(gè)時(shí)點(diǎn)。起跳的高度則根據(jù)垂直上拋運(yùn)動(dòng)計(jì)算得到。

圖3 彈跳力測(cè)試結(jié)果界面

3）成績(jī)變化的曲線參考

把每次測(cè)試的數(shù)據(jù)保存在手機(jī)上后，可以通過(guò)Android的繪圖工具庫(kù)AChartEngine較為方便地繪制出曲線圖，方便用戶直觀地比以往的成績(jī)。這種記錄和瀏覽方式優(yōu)于傳統(tǒng)的表格記錄方式。

圖4 成績(jī)的曲線

3 展望

智能手機(jī)有著豐富的功能，但在測(cè)試過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，由于智能手機(jī)的品牌眾多，配置也是千差萬(wàn)別，所以各個(gè)手機(jī)的參數(shù)也有很大的差別，這就導(dǎo)致智能手機(jī)這種通用平臺(tái)比較難以滿足測(cè)量精度上的要求，所以單純使用智能手機(jī)上的傳感器會(huì)有一定的局限性。如果我們把智能手機(jī)放到整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的大棋盤(pán)上來(lái)看，尤其是和現(xiàn)在可穿戴設(shè)備結(jié)合起來(lái)，利用智能手機(jī)的藍(lán)牙或者其它連接功能和有著專用的測(cè)試平臺(tái)的可穿戴設(shè)備以及廣域網(wǎng)連接起來(lái)，專用的測(cè)試平臺(tái)可以精確地測(cè)試各種數(shù)據(jù)，短距離傳輸給手機(jī)，而手機(jī)端則自己處理或者把測(cè)試的數(shù)據(jù)傳送到云平臺(tái)上處理，處理結(jié)果顯示到手機(jī)終端的屏幕上。各個(gè)環(huán)節(jié)完成自己擅長(zhǎng)的部分，達(dá)到1+1>2的效果，實(shí)現(xiàn)目前互聯(lián)網(wǎng)+的構(gòu)想。這必將成為今后互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1] http：//www.apkbus.com/forum.php？mod=viewthread&tid=140652

[2] 李剛.瘋狂Android講義.北京：電子工業(yè)出版社，2011

[3] http：//www.apkbus.com/forum.php？mod=viewthread&tid=163574&highlight=傳感器 采樣