智能手機在運動領(lǐng)域的應用分析

諶曉宇

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

關(guān)鍵詞： 智能手機 安卓 加速度 傳感器

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（c）-0000-00

引言：

隨著信息化的推進，云存儲和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能手機已經(jīng)逐漸從電話終端轉(zhuǎn)變成整個廣域網(wǎng)的智能終端，在生活的各個方面應用越來越廣泛。在餐館，服務員不再使用紙質(zhì)點菜單，而是直接使用手機終端的點菜終端點菜，客戶的點完菜的同時，各個菜品就傳遞到了廚房的顯示屏幕上，實在是省時省力。在信息發(fā)展的背景下，讓智能手機在運動領(lǐng)域尤其是在校園中得到更廣泛的應用，從而推進全民身體素質(zhì)的提高將會有很好的前景。

1 校園體育現(xiàn)狀

從奧運會在北京成功申辦以來，提高全民身體素質(zhì)的呼聲就越來越高，尤其是在小學和中學，由于學習任務的不斷加碼，學生的運動時間也就不斷地被壓縮，在學習和保證身體素質(zhì)之間找到平衡點變得越來越困難。雖然學生的體育鍛煉越來越受到重視，但在目前的信息化的大背景下，我個人覺得還存在以下的不足。

1.1 體育測量方法陳舊

目前校園采用的檢測設備還基本上是傳統(tǒng)秒表、皮尺、鉛球等測量設備，雖然可以得到一些常規(guī)的測試結(jié)果，但是卻無法得到更豐富的數(shù)據(jù)。例如：本文實例的彈跳力就無法簡單地進行測量。

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法陳舊、利用效率不高

傳統(tǒng)的身體素質(zhì)監(jiān)控通常由各個班級的體育老師利用各種紙質(zhì)的統(tǒng)計表格，統(tǒng)計日常練習和考試的成績，然后匯總到年級，年級匯總到學校，等等如此向上匯總，雖然也能監(jiān)控學生身體素質(zhì)的變化，但是它的弊病也是很明顯的：數(shù)據(jù)統(tǒng)計慢、反映不及時，往往同統(tǒng)計到能看到數(shù)據(jù)需要花費數(shù)月的時間；匯總數(shù)據(jù)訪問不方便，利用率不高，能看到的結(jié)果往往是某個學校甚至是某個區(qū)的平均成績的變化，對于班級或者是個人的指導作用不是很清晰。

2 加速度傳感器的應用實例

測量方法陳舊，可以嘗試通過智能手機上已有的傳感器來實現(xiàn)較為復雜的測量，尤其是利用現(xiàn)在智能手機的強大計算功能完成需要多次計算的測量。數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法陳舊、利用效率不高，現(xiàn)在很多學校的已經(jīng)在實施信息化，如果能夠借鑒物聯(lián)網(wǎng)的概念，把智能手機也作為一個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集終端，那么能獲得更為豐富的數(shù)據(jù)。下面通過一個加速度傳感器的應用實例來闡述智能手機在運動領(lǐng)域的應用。

目前智能手機上已經(jīng)有以下常見的傳感器。[1]

1） 方向傳感器：方向傳感器簡稱O-sensor，通常返回三軸的角度數(shù)據(jù)，提供的三個數(shù)據(jù)分別為azimuth、pitch和roll。方向傳感器常見的應用為各種地圖顯示中標示使用者面對的方向。

2）光線傳感器：光線感應傳感器用于檢測實時的光線強度，光強單位是lux，其物理意義是照射到單位面積上的光通量。可以根據(jù)采樣到的光強數(shù)值實時調(diào)整LCD的亮度。

3）接近傳感器：接近傳感器檢測物體與手機的距離，單位是厘米。接近傳感器可用于接聽電話時自動關(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，所以將手機平放在桌面上，x軸默認為0，y軸默認0，z軸默認9.81。如果將手機朝下放在桌面上，z軸為-9.81。

加速度傳感器在運動測量上的理論分析

日常生活中的運動多種多樣，但不管多么復雜的動作都是由跑、跳、投這些基本動作組合而成的，而從生物力學的分析角度來看，大部分都是運動的改變或持續(xù)保持，相當大的部分可以看成是加速度的改變。例如：原地縱跳運動，主要就是跳躍的力量大小，轉(zhuǎn)換到力學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。利用智能手機上的加速度傳感器采集到實時的加速度，根據(jù)牛頓的力學定律，我們能得到下面的計算公式：

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受到重力的作用，所以測量到的加速度都需要考慮重力加速度的影響。騰空高度的計算單純從計算公式上看應該是速度和時間的積分：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確，而跳躍過程中從騰空到落地過程中人恰好只受到重力的恒定作用力，實際上和垂直上拋運動十分類似，所以改用騰空時間來計算騰空高度：h=（g/2）*（t/2）^2。這種計算方法由于是模擬垂直上拋運動，為了較為準確地所以學生在縱跳過程中，需要學生在落地時也要和起跳時一樣保持雙腿伸直，腳尖先著地，如果落地前故意讓腿部彎曲，將會增加騰空時間，導致計算不準確。當然整個跳躍動作只是要求落地瞬間雙腿伸直，落地后還是應該正常緩沖，正常緩沖時產(chǎn)生的加速度變化已經(jīng)能夠參與計算了。

android軟件部分的實現(xiàn)

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

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

圖1 學生信息維護界面

2）加速度采集、實時加速度數(shù)據(jù)分析及成績顯示：縱跳開始后，從學生的體重信息及動態(tài)采集到的加速度信息就可以計算得到力量、功率和騰空高度信息。問題的重點就落在了Android智能手機系統(tǒng)中采集加速度數(shù)據(jù)。

Android智能手機系統(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getSystemService（SENSOR_SERVICE）可以獲得系統(tǒng)的傳感器服務。通過SensorEventListener可以監(jiān)聽傳感器的各種數(shù)據(jù)，而且從Android2.3版以后可以設定傳感器的采樣頻率[3]，從實際的測試情況來看，由于智能手機作為一個多任務平臺，而且各個手機的配置也千差萬別，所以在實際使用過程中，并不能保證采樣頻率的準確性，但基本能保證頻率的一致性。下圖就是通過Android手機采集到的原地起跳的加速度曲線圖。

圖2 原地起跳運動的加速度變化曲線

從采集到的加速度曲線可以看出曲線的軌跡和運動軌跡基本吻合。

首先是起跳的下蹲準備動作，它會產(chǎn)生一個向下的加速度；然后雙腿發(fā)力向上跳起，會導致向上的加速度持續(xù)增大，當腿部肌肉釋放的力量達到最大值時，加速度也達到了最大值；隨著躍起動作的持續(xù)，腿部肌肉會逐漸松弛，力量會慢慢變小，加速度也會逐漸減小，當加速度減小到0時，表示雙腳已經(jīng)離地，此時只會受到一個向下的重力作用，加速度會迅速降低到向下的一個G，可能是由于下降太快，還能產(chǎn)生一個突起的毛刺，當運動員在整個騰空過程中，加速度會保持一個向下的G；當落回地面時，由于地面的向上的支撐力讓人迅速減速所以產(chǎn)生了一個很大的向上加速度的波峰，這個加速度實際上并不是由人施加的，所以并不能用來評價學生的身體素質(zhì)的真實情況，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)。

分析加速度曲線實時的加速度值，并且找到原地跳起的時間點和落地的時間點后，根據(jù)就能夠得到各個參數(shù)值了。力量的最大值就是加速度的最大點；速度的最大值是雙腳離地的時點，通過對加速度進行積分獲得；功率為力量和速度的乘積，由于力量最大時速度還未達到最大，速度最大時力量已經(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時點。起跳的高度則根據(jù)垂直上拋運動計算得到。

圖3 彈跳力測試結(jié)果界面

3）成績變化的曲線參考

把每次測試的數(shù)據(jù)保存在手機上后，可以通過Android的繪圖工具庫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。這種記錄和瀏覽方式優(yōu)于傳統(tǒng)的表格記錄方式。

圖4 成績的曲線

3 展望

智能手機有著豐富的功能，但在測試過程中也發(fā)現(xiàn)，由于智能手機的品牌眾多，配置也是千差萬別，所以各個手機的參數(shù)也有很大的差別，這就導致智能手機這種通用平臺比較難以滿足測量精度上的要求，所以單純使用智能手機上的傳感器會有一定的局限性。如果我們把智能手機放到整個物聯(lián)網(wǎng)的大棋盤上來看，尤其是和現(xiàn)在可穿戴設備結(jié)合起來，利用智能手機的藍牙或者其它連接功能和有著專用的測試平臺的可穿戴設備以及廣域網(wǎng)連接起來，專用的測試平臺可以精確地測試各種數(shù)據(jù)，短距離傳輸給手機，而手機端則自己處理或者把測試的數(shù)據(jù)傳送到云平臺上處理，處理結(jié)果顯示到手機終端的屏幕上。各個環(huán)節(jié)完成自己擅長的部分，達到1+1>2的效果，實現(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。

參考文獻

[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