基于Android平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

熊照雷， 閆慧澤， 孫 立， 茹柯耶

(南京航空航天大學(xué) a.理學(xué)院； b.機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 211100)

0 引 言

基于Linux kernel的Android操作系統(tǒng)在出現(xiàn)不久便以開放性和可移植性贏得眾多移動(dòng)終端廠商青睞，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)其安全性也能在開發(fā)人員的有效掌握之內(nèi)，多樣化的應(yīng)用軟件構(gòu)成了愈趨完備的生態(tài)體系[1-4]。由于搭載Android系統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備普遍較為低廉但實(shí)用，使得其學(xué)生群體中占到足夠高的比重.通過對(duì)普通高等學(xué)校大學(xué)生手機(jī)使用及其習(xí)慣的調(diào)查，觀察到大學(xué)生的日常生活與手機(jī)的聯(lián)系愈加密切[5]。在這樣的一個(gè)現(xiàn)狀下可以很清楚地看到手持移動(dòng)平臺(tái)在高校教育教學(xué)中的應(yīng)用前景。

1 研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)

本系統(tǒng)是基于Android操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理移動(dòng)平臺(tái)，通過手機(jī)進(jìn)入平臺(tái)選擇不同的實(shí)驗(yàn)，前期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，后期處理和分析繁雜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且對(duì)于數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行有效性檢驗(yàn)、數(shù)值分析以及數(shù)據(jù)錯(cuò)誤校驗(yàn)等反饋。

搭建本系統(tǒng)的目的在于能夠協(xié)助需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的學(xué)生以及教師進(jìn)行便攜、快捷、高效的數(shù)據(jù)處理和分析，并利用分析結(jié)果對(duì)于實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行評(píng)價(jià)、核準(zhǔn)以及改進(jìn)。同時(shí)，可以節(jié)省學(xué)校大量的實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)所占機(jī)房面積以及這些計(jì)算機(jī)的高額管理與維護(hù)費(fèi)用，大大降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本。平臺(tái)的目標(biāo)受眾為全體承擔(dān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的教師和參與實(shí)驗(yàn)的廣大學(xué)生。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

背景1：大學(xué)實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生群體實(shí)踐大學(xué)課本知識(shí)，接觸知識(shí)于現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的主要窗口是每一個(gè)學(xué)生都要參與的必修實(shí)驗(yàn)課程。所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都必須控制在一定的誤差內(nèi)才算有效操作，在這個(gè)過程中可考察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技巧和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理[6]。因此對(duì)于數(shù)據(jù)處理算法的選擇是極為關(guān)鍵的核心問題。

背景2：由于數(shù)據(jù)異常敏感，又因?yàn)閷?duì)于運(yùn)算結(jié)果高精度的要求，使得國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)高校仍舊使用傳統(tǒng)的固定機(jī)房來處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[6]。除了初期購置臺(tái)式電腦和數(shù)據(jù)處理專業(yè)軟件的高額費(fèi)用之外，日常的管理與維護(hù)，軟件的升級(jí)與維護(hù)更是一筆不小的費(fèi)用，且臺(tái)式電腦大面積占用實(shí)驗(yàn)室空間，壓縮了本就十分寶貴的使用空間資源。同時(shí)學(xué)生還需要在不同的實(shí)驗(yàn)室操作實(shí)驗(yàn)和處理數(shù)據(jù)，這也導(dǎo)致了在教學(xué)管理上保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率與效果的難度。隨著近年來互聯(lián)移動(dòng)平臺(tái)的飛速發(fā)展，移動(dòng)設(shè)備的軟件開發(fā)成為解決上述問題的有效突破口。

背景3：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中常常利用數(shù)值分析(數(shù)值逼近，數(shù)值代數(shù))的方法來處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并得到數(shù)值解[6-8]。學(xué)生憑借這個(gè)結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)正確性或者實(shí)驗(yàn)理論的驗(yàn)證。大學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的計(jì)算量級(jí)大概在萬級(jí)，極少有十萬級(jí)計(jì)算量級(jí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程，而如今一般智能手機(jī)的計(jì)算能力能夠達(dá)到浮點(diǎn)運(yùn)算在千萬量級(jí)每秒。這為智能手機(jī)成為大學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)提供了有利的物理基礎(chǔ)。

3 系統(tǒng)需求分析

3.1 用戶特點(diǎn)

本軟件最終用戶為參與實(shí)驗(yàn)的教師和大學(xué)生。此軟件友好的交互操作，快捷簡(jiǎn)便，由于學(xué)生有智能型手機(jī)并操作熟練，所以推廣以及使用很方便。軟件預(yù)期使用頻度為20～25集群次/周，僅在特定實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用。

3.2 假定和約束

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理需要足夠可信度與準(zhǔn)確度，所以在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)需要用盡量精確的算法，提高精度準(zhǔn)確度，保證百分百的正確性，有誤差的地方也應(yīng)有誤差范圍的提示說明。

3.3 需求規(guī)定

3.3.1功能分析

在進(jìn)行需求分析時(shí)，常用現(xiàn)已成熟的統(tǒng)一建模語言(Unified Model Language,UML)來刻畫軟件用戶的需求，建立UML圖形所需信息由軟件用戶討論并確認(rèn)[4,9-10]。如圖1與圖2所示，UML圖形的建立有助于開發(fā)者和用戶直觀地了解到有關(guān)需求的信息，并可以及時(shí)地反映最新的需求，方便各種修改。

圖1 UML用例圖

圖2 UML活動(dòng)圖

學(xué)生主要使用手機(jī)客戶端，用本系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入/修改/計(jì)算，并將數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)送到電腦客戶端。因此，系統(tǒng)具備的功能:① 通過學(xué)號(hào)登陸，教師的打分記錄會(huì)和學(xué)號(hào)關(guān)聯(lián)進(jìn)行保存；② 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容/步驟的說明；③ 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的輸入/修改功能；④ 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，得到計(jì)算結(jié)果；⑤ 數(shù)據(jù)提交，提交至電腦客戶端。

教師使用電腦客戶端接收并審查學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，給出評(píng)分并保存評(píng)分。

用例名稱：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入與處理。

用例標(biāo)識(shí)號(hào)：001。

參與者：參與實(shí)驗(yàn)學(xué)生。

簡(jiǎn)要說明：學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以后記錄數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)錄入處理系統(tǒng)，若實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無誤并在誤差允許范圍之內(nèi)則顯示出相關(guān)分析結(jié)果至移動(dòng)終端。

前置條件：學(xué)生已經(jīng)登錄到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)。

基本事件流：① 學(xué)生點(diǎn)擊進(jìn)入登錄界面。② 學(xué)生輸入登錄學(xué)號(hào)和密碼。③ 學(xué)生選擇當(dāng)前實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健＂?學(xué)生輸入已經(jīng)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。⑤ 學(xué)生在數(shù)據(jù)輸入完后點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕。⑥ 學(xué)生得到實(shí)驗(yàn)最終分析結(jié)果及相關(guān)操作重要參數(shù)。

其他時(shí)間流：① 在學(xué)生提交之前都可以按返回按鈕或者更正按鈕修改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。② 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差過大則會(huì)被要求重做實(shí)驗(yàn)得到新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)再次輸入。

異常事件流：① 提示錯(cuò)誤信息，學(xué)生確認(rèn)，回滾程序。②返回到系統(tǒng)主頁面。

后置條件：系統(tǒng)返回實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果以及學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間和操作參數(shù)提示等。

注釋：暫無。

在軟件開發(fā)過程中為了能夠?qū)哟位膭澐窒到y(tǒng)結(jié)構(gòu)，提煉出系統(tǒng)中各司其職相對(duì)獨(dú)立而又互相提供服務(wù)的功能塊，常常采用數(shù)據(jù)流圖Data Flow Diagram(DFD)來表示[4,10]，如圖3與圖4所示。

圖3 0層DFD圖

圖4 1層DFD圖

3.3.2性能分析

(1) 精度。計(jì)算過程需保證0.000 01精度[11]。用戶輸入了錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)類型參數(shù)，系統(tǒng)將自動(dòng)提示用戶再次輸入正確的數(shù)據(jù)。輸入多組數(shù)據(jù)若含錯(cuò)誤數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)可以具備檢錯(cuò)功能，選取正確數(shù)據(jù)計(jì)算。

(2) 時(shí)間特性要求。數(shù)據(jù)處理模塊的計(jì)算過程要求在100 ms內(nèi)完成。

(3) 靈活性。①由于實(shí)驗(yàn)種類較多，一次性開發(fā)不會(huì)完整，需要預(yù)留接口便于添加新的實(shí)驗(yàn)。②程序和頁面要分開，頁面方面可能會(huì)需要進(jìn)行多次改動(dòng)，注意數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。③計(jì)劃的變化或改進(jìn)，不影響項(xiàng)目的按時(shí)實(shí)現(xiàn)[12,14-15]。

(4) 輸入輸出要求。①學(xué)號(hào)輸入。學(xué)號(hào)為string類型，輸入在EditText中，要有相應(yīng)檢測(cè)合法性。②具體實(shí)例如牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)輸入,10個(gè)環(huán)的10個(gè)左讀數(shù)與10個(gè)右讀數(shù)，輸入在EditText中，數(shù)據(jù)類型為double。輸入應(yīng)合法；范圍在double表示范圍內(nèi)，精度需0.001 mm。③具體實(shí)例如牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)輸出：環(huán)序?yàn)閕nt型，分別輸出10個(gè)環(huán)的環(huán)序；左讀數(shù)，右讀數(shù)，double型，0.001 mm精度，輸出輸入的相應(yīng)數(shù)據(jù)；r為double型，0.001 mm精度，輸出環(huán)半徑；R2為double型，0.001 mm精度，輸出環(huán)半徑的平方。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與精化

4.1 處理流程

(1) 系統(tǒng)環(huán)境的表示，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)環(huán)境的表示

(2) 將體系結(jié)構(gòu)精化為構(gòu)件，如圖6所示。

(3) 描述系統(tǒng)實(shí)例，如圖7所示。

圖6 初步構(gòu)件精化圖

圖7 構(gòu)件細(xì)化的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)功能實(shí)例

4.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示例

以牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)為例，如表1所示。

表1 牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)

4.3 關(guān)于子功能精化

以上步驟完成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件級(jí)設(shè)計(jì)，接下來將針對(duì)每一個(gè)構(gòu)件級(jí)進(jìn)行逐步精化，使其成為由原子功能函數(shù)組成的抽象類。在這一級(jí)別的設(shè)計(jì)中一定要注意原子功能的功能劃分，盡量降低函數(shù)功能間的耦合程度，耦合程度太高極易導(dǎo)致程序冗余，后期維護(hù)開銷大、以及功能拓展困難。因此，建立功能性高度內(nèi)聚的原子功能是抽象和模塊化的關(guān)鍵步驟。檢測(cè)原子功能是否內(nèi)聚獨(dú)立的方式之一就是嘗試在體系中進(jìn)行單元測(cè)試，例如版權(quán)聲明模塊CpyRNotice，其具有函數(shù)LoadingView(context context)，外部主程序接口Main()，由于其本身就是原子功能函數(shù)，所以也就沒有測(cè)試所需要的樁程序。在測(cè)試中所需要的外部原子函數(shù)越少，接口越簡(jiǎn)單，信息越單一就表示原子函數(shù)的高內(nèi)聚性[4，9-10，13]。同樣，對(duì)于所有函數(shù)進(jìn)行單元測(cè)試來避免高耦合的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時(shí)必須進(jìn)行的一步重要工作。對(duì)于原子功能的結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)束后仍然需要將同一個(gè)模塊的不同原子功能組合起來，配備好相應(yīng)主程序以及樁程序進(jìn)行組合功能檢測(cè)。舉例表達(dá)部分功能精化設(shè)計(jì)：CpyRNotice, ExpSolve。如圖8與圖9所示。

圖8 精化的版權(quán)聲明模塊

圖9 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理模塊

5 數(shù)據(jù)處理方式

以牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)的算法為例：

設(shè)第m條暗條紋的干涉級(jí)別為(m+j)

此外通過其他算法，如逐差法計(jì)算可得：

逐差法(沒有經(jīng)過加權(quán)平均處理)

R=(871.5±5.2)mm

逐差法(經(jīng)過加權(quán)平均處理)

R=(868±2)mm

線性回歸

R=(870±2)mm

由數(shù)據(jù)處理理論可知，線性回歸法適于處理非等精度測(cè)量數(shù)據(jù)，逐差法適合處理等精度測(cè)量數(shù)據(jù)，而加權(quán)平均雖有效果，其過程卻很麻煩[7-8]。綜上所述，最終選用了線性回歸(最小二乘法)方法。

6 結(jié) 語

本系統(tǒng)在開發(fā)完成后，經(jīng)過了上千人次的高密度實(shí)際測(cè)試與使用，各項(xiàng)功能與技術(shù)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，教學(xué)效果良好。不僅節(jié)省了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資金和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，也為教師提供了方便的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理方式，更為學(xué)生提供了高效便捷的數(shù)據(jù)處理分析以及驗(yàn)證的方法。當(dāng)然，本系統(tǒng)只是將注意力轉(zhuǎn)入移動(dòng)設(shè)備學(xué)習(xí)平臺(tái)建立的第一步，這一步看到了從學(xué)生到學(xué)校各個(gè)層面對(duì)于移動(dòng)服務(wù)平臺(tái)的需求，有利于引導(dǎo)學(xué)生建立對(duì)于移動(dòng)設(shè)備的良性依賴。針對(duì)實(shí)際使用后反饋回來的測(cè)試數(shù)據(jù)，再進(jìn)行高頻率的增量開發(fā)，短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次交付部署，將改進(jìn)后的版本投入使用，并繼續(xù)接受測(cè)試數(shù)據(jù)反饋。再下一步將完善本系統(tǒng)，將更多地精力投入在建立校園移動(dòng)平臺(tái)，擴(kuò)大功能面和服務(wù)面。

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