基于移動端GPS和運動打卡APP的設計與實現

李方方 李維勇 李桂韜

摘 要：本項目以跑步運動為切入點，高校為目標用戶群體，利用手機的GPS和傳感器采集運動數據，對學生的運動過程進行無人值守化的管理。本系統開發的APP通過采集學生的運動數據，形成學生一次運動的完整記錄?；谶@些數據，開發數據分析系統和管理系統，能夠達到智能化監督和評定的效果。

關鍵詞：移動端GPS；運動打卡；數據采集

隨著軟件技術的發展，人們生活的各個方面都與科技有著緊密的聯系，因此也給人們的生活、學習、工作的方式帶來新的改變。目前，全國正在廣泛開展億萬學生陽光體育運動，隨之而來對運動過程的監督、效果評估、數據管理成為一個問題。

目前學生移動端設備比較普及，包括手機和智能手表。特別是高校的手機覆蓋率接近100%，本項目以跑步運動為切入點，高校為目標用戶群體，利用手機的GPS和傳感器采集運動數據，對學生的運動過程進行無人值守化的管理。

本項目提出一種利用手機端定位的特點實現上述功能的解決方案。

1 系統的設計思路

本系統使用基于移動端GPS和傳感器的運動打卡APP開發。對學生提供一個快速、便捷、安全的簽到打卡軟件，包括打卡、自由跑、鍛煉、社區、直播、聊天等功能。同時對學校提供學生跑步數據、學生個人信息的管理，修改跑步范圍等功能。

2 系統應用的關鍵技術

2.1 Android平臺的GPS定位技術

Android平臺的定位技術一共有兩種技術：GPS定位和網絡定位。

由于本項目主要使用在室外環境且對定位精度要求較高，因此，本項目選擇AGPS定位技術來獲取所需要的定位數據。

2.2 Android平臺的傳感器技術

智能手機傳感器的使用使用戶即使在地鐵站、隧道等GPS信號全無的情況下也依然可以進行運動距離的估算，并且可以分析判斷用戶正在進行哪項運動，如騎行、跑步、爬山、步行、滑雪等。本項目中用到的方向傳感器主要返回三軸的角度數據；重力傳感器返回重力數據，利用x，y，z 3個值求三角函數，就可以精確檢測手機的運動狀態。從而就可以判斷出用戶此時的運動狀態。加速度傳感器獲取的是x，y，z三軸的加速度數值，手機朝下放在桌面上，z軸為-9.81。它能夠感知到加速度的變化，比如晃動、跌落、上升、下降等各種移動變化都能被G-sensor轉化為電信號，在用戶把手機放入口袋時也能夠計算出用戶的步數。

2.3 人臉識別技術及身份確認

人臉識別技術包含3個部分：人臉檢測、人臉跟蹤、人臉對比。人臉檢測是指動態的場景與復雜的背景中判斷是否存在面像，并分離出這種面像。人臉跟蹤是指對被檢測到的面貌進行動態目標跟蹤。具體采用基于模型的方法或基于運動與模型相結合的方法[1]。

本項目人臉對比支持：（1）多種圖片類型。支持生活照、證件照、身份證芯片照、帶網紋照4種類型的人臉對比。（2）活體檢測?；趫D片中的破綻分析，判斷其中的人臉是否為二次翻拍。（3）質量檢測。返回模糊、光照等質量檢測信息，用于輔助判斷圖片是否符合識別要求[2]。

2.4 軌跡算法

本項目使用道格拉斯—普克算法對運動軌跡進行抽稀保存。用戶的運動軌跡實際上是由很多個經緯度坐標連接而成，但是并不需要把所有運動時記錄下來的經緯度坐標都用來繪制軌跡，本項目使用道格拉斯—普克算法對這些數據進行抽稀，得到的抽稀后的點依然可以保證運動軌跡的形狀大致不變，還能讓曲線更平滑、更節省存儲空間[3]。

2.5 學生畫像建模

學生畫像是對現實中的學生的建模。基于大數據技術，通過整理搜集學生在本軟件上的跑步時間、里程、次數和瀏覽、點擊、留言、評論等碎片化的行為軌跡，研究學生行為習慣分析出學生的性格、習慣、態度等信息，從而生成學生畫像。主要有以下幾個步驟。

（1）數據倉庫的設計：學生畫像分為3層數據倉庫，第一層為原始數據層，存放需要的數據的匯總、抽象與集成；第二層為數據中間層，對第一層的數據進行清洗、提取整合；第三層為數據結果層，存放學生最終的畫像數據。

（2）學生畫像的構建：根據學生畫像的業務需求，對學生的原始數據進行規則的抽取、清洗、轉換、分類放入第二層。再根據自定義規則生成相應的學生標簽，存放在數據倉庫的第三層。最終生成學生畫像[4]。

3 基于Android的系統實現

在系統邏輯架構設計方面，采用分層架構設計。主要分為5層架構：界面表示層、應用層、客戶端的數據訪問層、業務處理層、服務端的數據訪問層。

界面表示層主要負責與用戶交互。主要包括用戶登錄界面、用戶戰隊界面、好友界面、用戶運動界面、用戶社區界面以及用戶排名界面。通過這些界面，用戶可以方便地使用系統功能。應用層主要是控制業務邏輯，為界面表示層提供服務。主要包含6個功能模塊：用戶登錄模塊、用戶戰隊模塊、好友模塊、用戶運動模塊、用戶社區模塊以及用戶排名模塊。

客戶端的數據訪問層只為應用層提供服務，主要存儲用戶信息以及、好友信息以及部分手機傳感器收集的數據。業務處理層主要向應用層提供服務。例如用戶登錄服務、好友服務、用戶運動服務、用戶社區等服務，是系統實現的基礎。服務端數據訪問層主要提供數據訪問支持，采用MySQL關系數據庫[5]。

3.1 制定運動計劃和路線

本系統根據每個學生不同的學生畫像生成每個學生周和月度運動計劃，包含跑步、步行、爬山、游泳等多個類別。學生每天按照計劃在約定的時間內進行鍛煉，學生可提前根據天氣和個人時間調整計劃，但必須保證足夠的運動量。用戶在跑步過程中所經過的路徑會實時繪制在地圖上。通過調用高德地圖API實時獲取用戶的地理位置，再根據上一次的地理位置進行連線顯示在地圖上。學?？梢灾贫ü潭ǖ倪\動路線，或者可以在后臺管理頁面選中一片區域，以此來產生一個必經點和4個隨機點。學生進行運動時可以調整路線，只需經過一個必經點和兩個隨機點即可。

3.2 運動監測

本應用程序基于GPS和傳感器技術，精準記錄軌跡、里程、配速、步數等數據，自動統計分段里程的配速信息，能夠直觀展示學生運動全過程。在運動開始、運動結束記錄打卡，在運動過程中隨機要求2～3次打卡，會提前5 min語音提示，需在5 min內手工打卡，打卡時進行指紋驗證、人臉識別，并上傳學生此時的地理位置，以證明是學生自己在某位置打卡。上傳成績后服務端還會對跑步異常的數據進行二次復查。

三重防作弊功能分為3部分：綁定手機、打卡過程中的3次指紋驗證、3次人臉識別。

綁定手機，此功能是通過獲取IEMA和MAC地址來進行賬號與手機的綁定。

指紋驗證，通過調用手機自帶的指紋模塊，并接受返回結果。

人臉識別，通過手機相機進行拍照收集到用戶的人臉信息上傳至服務器進行人臉識別。

3.3 后臺管理

后臺管理頁面功能包括學校管理、學生管理，數據的錄入支持批量導入；對于課程管理，包含課程信息管理和成績管理，可以通過管理后臺向管理的學生分配作業，可以限定運動區域、時間、及格線等屬性；針對學生的成績后臺可以手動修改策略，和其他成績進行綜合評定；對應的運動數據有實時排行榜，在后臺用戶可以查看相應名次；同時也支持學校針對該學校發布相應的通告信息和知識推送。

3.4 運動社區

基于學生的運動成績，能夠有相應的積分，相應積分能夠確定不同級別，能夠在社區中進行消費；并且在社區中，學生之間可以相互交流，發表動態和評論，社區信息也包含學校發布的知識專題、賽事活動、直播交流，學生可以在社區中選擇自主參與，針對賽事并有實時進度和排名。

3.5 數據管理

對于用戶運動數據支持本地緩存，不需要運動過程中實時聯網上傳數據；數據能夠與其他系統對接，數據實現共享；基于運動數據能夠分析、提供智能化的運動計劃，并監督學生按時執行，并記錄執行效果。

[參考文獻]

[1]WALLACE R S，EPSTEIN R，ROBERTS G，et al.The anatomy of A.L.I.C.E[A].Parsing the turing test： philosophical and methodological issues in the quest for the thinking computer[M].Berlin：Springer Netherlands，2009.

[2]WALLACE R S.AIML overview[EB/OL].（2014-03-24）[2018-12-24].http：//www.pandorabots.com/pandora/pics/wallaceaimltutorial.html.

[3]語音云·開放平臺[EB/OL].（2014-03-24）[2018-12-24].http：//open.voicecloud.cn/.

[4]科大迅飛[EB/OL].（2014-04-27）[2018-12-24].http：//www.iflytek.com/.

[5]姚飛，張成昱，陳武.清華智能聊天機器人“小圖”的移動應用下載[J].現代圖書情報技術，2014（z1）：120-126.