基于Android的摔倒識別與自主定位系統(tǒng)

胡輝翼 韓燕國 荊琳 王威

摘要：如今GPS等導航定位服務已發(fā)展相當成熟，但在室內由于信號被遮擋，往往無法得到較準確的定位。同時隨著我國老齡人口數(shù)量逐年增加，難免有老年人在外意外摔倒，若不能得到及時救治極可能使情況惡化。因此本文提出并設計一款基于Android實現(xiàn)摔倒識別與自主定位的手機APP，通過讀取并處理加速度計等傳感器的數(shù)據(jù)，大致判斷手機持有者是否摔倒，在地圖上確定出運動軌跡和當前位置，并根據(jù)情況通知家人以避免危險。

關鍵詞：定位導航；加速度傳感器；摔倒辨識

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）05-0119-03

1 引言

隨著科學技術的不斷發(fā)展，國民經(jīng)濟水平的不斷增加，智能手機的普及率越來越高。由于手機硬件的性能大幅提升，軟件功能越來越豐富，當代的智能手機已不只是一個簡單的通訊工具，它改變了人們的生活方式，成為了日常生活的必需品。在這樣的大背景下，2007年由谷歌公司推出的Android手機系統(tǒng)，憑借自身方便、易用的優(yōu)勢，成為了最受歡迎的手機操作系統(tǒng)。智能手機基于GPS（Global Positioning System）的室外導航功能，是人們最常使用的功能之一，應用廣泛。然而，在室內的環(huán)境下，由于建筑物或者其他復雜環(huán)境的干擾，GPS信號微弱，無法有效導航。與此同時，針對老年人用戶群體，新聞中常有報道老年人摔倒，路人不敢上前幫扶，而其家人并不知情，摔倒老人無法得到及時救助，以至于面臨危險。該文針對以上問題，本文提出并設計一款能夠實現(xiàn)摔倒辨識與室內定位的Android手機APP，通過實時定位，在地圖上繪制出運動軌跡，同時讀取加速度計等傳感器的數(shù)據(jù)，通過算法判斷運動情況，對用戶的摔倒進行大致的判斷，并根據(jù)情況及時通知家人。

2 關鍵技術

2.1 Android操作系統(tǒng)簡介

Android是一種基于Linux的自由及開放源代碼的操作系統(tǒng)，主要應用于移動設備，如智能手機和平板電腦。2007年，Google與84家硬件制造商、軟件開發(fā)商及電信營運商組建開放手機聯(lián)盟共同研發(fā)改良Android系統(tǒng)。2008年HTC在美國發(fā)布了第一部搭載Android的智能手機。據(jù)有關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截止2016年，Android操作系統(tǒng)在中國的市場占有率超過了80%。

2.2 傳感器

Android系統(tǒng)提供了對多種傳感器的支持，如加速度傳感器、重力傳感器等。

在Android系統(tǒng)中，用一個標準的三維坐標系來表達數(shù)據(jù)值，對于大多數(shù)傳感器來說，當設備放置在默認的方向時，即手機正面豎直放置，坐標系和設備的屏幕相關。在這款APP中，主要用到了加速的傳感器。手機加速度傳感器的坐標軸如下：

x方向就是手機的水平方向，右為正；

y方向就是手機的水平垂直方向，前為正；

z方向就是手機的空間垂直方向，天空的方向為正，地球的方向為負（圖1）。

3 系統(tǒng)設計與功能實現(xiàn)

3.1 用戶界面

主界面布局包含兩個按鈕控件，使用switch通過不同的id 獲取到按鈕的信息：

（1）按鈕一，btn_sms，設置收信人。輸入指定對象的手機號碼，在軟件識別到用戶發(fā)生了摔倒動作后，實現(xiàn)自動給指定的手機號碼發(fā)送求助短信。同時建立緩存來保存手機號碼，方便第一次輸入手機號碼之后，再次使用軟件時，上次設定的手機號碼為默認的號碼，可以跳過設置號碼步驟，直接進入地圖環(huán)節(jié)。如果需要更換指定聯(lián)系人的聯(lián)系方式，也可以重新按下該按鈕，設置新的手機號碼。

（2）按鈕二，btn_usemap，打開地圖。點擊按鈕打開地圖，為了提高精度，此處使用高德地圖提供的開放API 接口。高德Web服務API向開發(fā)者提供HTTP接口，開發(fā)者可通過這些接口使用各類型的地理數(shù)據(jù)服務，返回結果支持JSON和XML格式。Web服務API對所有用戶開放。使用本組服務之前，需要申請應用Key。不同類型用戶可獲取不同的數(shù)據(jù)訪問能力。

3.2 調用高德地圖

使用高德地圖提供的開放API接口，將PackgeName導入到API中，添加相應的so庫，導入依賴調用高德地圖：

android：value="300ba53ad8fb0139a2f19bb14ca42675">

配置service 標簽 獲取API 權限，對地圖定位進行操作：

3.3 定位與軌跡繪制

（1）建立公共類Util類，獲取定位并將定位信息返回：調用AMap Location接口，獲取到定位的經(jīng)緯度和街道地址信息等，將獲取的信息放入Buffer緩沖中，提高讀取效率。之后使用靜態(tài)方法public synchronized static LatLng getLatlng（AMapLocation aMapLocation） 來返回需要的信息。

（2） 初始化定位信息，使用手機的高精度定位模式，在條件允許的情況下優(yōu)先使用高精度定位方式：使用Location 方法獲取到定位需要的相關屬性的初始化，進行配置。使用時獲取手機的GPS定位權限，數(shù)據(jù)權限以及藍牙等定位權限，用戶在使用中會彈出相應的權限獲取窗口，獲得同意后APK 才可以進行使用和定位。用戶在打開地圖后點擊定位藍點，就可以將界面獲取到手機所在的位置，手指伸縮來放大地圖。

a、設置監(jiān)聽，不斷地獲取到手機所在的定位信息，并更新定位點

mLocationClient.setLocationListener（this）；

b、 配置高精確的定位模式，優(yōu)先使用最高精度的定位，但是耗電量會有增加。

mLocationOption.setLocationMode（AMapLocationClientOption.AMapLocationMode.Battery_Saving）；

c、獲取到GPS定位返回的地位地址等定位信息。

mLocationOption.setNeedAddress（true）；

mLocationOption.setLocationCacheEnable（false）；

d、設置定位刷新時間為3分鐘 即使每三分鐘定位一次

mLocationOption.setInterval（3*60*1000）；

（3）軌跡繪制：

通過Util的getLatlng方法獲取到Util類返回的經(jīng)緯度信息，令第一次定位點為newLog，第二次刷新后的定位點為OldLog， 將兩次的經(jīng)緯度信息分別傳入的LatLng中進行坐標的判斷：

如果坐標（經(jīng)緯度）在-180.0D <= var3 && var3 < 180.0D則為正常的維度信息，可以使用，反之若var1 < -90.0D || var1 > 90.0D則為無效坐標，對獲取到的坐標信息重新進行Math.max（-90.0D， Math.min（90.0D， var1））；運算獲取最大的坐標信息并重新賦值后傳出作為有效的坐標點，獲取前后兩次坐標分別進行判斷后，通過AMap中的addPolyline方法在兩個點之間畫出平滑的折線。同時折線的寬度，顏色等屬性均可以通過該方法進行設置，此外通過設置定位的刷新時間來使折現(xiàn)更加的流暢舒服。

3.4 摔倒辨識

通過讀取手機加速度的數(shù)據(jù)來判斷持有者的狀態(tài)，但是通過手機的三維加速度坐標系只能做出大致判斷。如果需要更加精確的判斷還需要通過佩戴相應的數(shù)據(jù)收集器來采集人體變化如：心跳，呼吸等等。

假設z軸方向為重力加速度的方向，平均重力加速度9.8m/s^2，而人體的擺動會讓豎直向下的方向獲取一個加速度值，人體在正常的浮動下，取g=10為各地的重力加速度初值，若x||y||z>10則某一軸為重力豎直方向。

由公式a=（v2-v1）/t知：

a=dv/dt（在a-->0）時，人體運動時在水平方向的vx=v0，豎直方向vy=0；當人體突然摔倒，水平方向獲取一個加速度，豎直方向也獲取到一個加速度。因此在水平方向上加速度a=v-v0/t，因此手機的加速度傳感器會獲取到水平方向的加速度變化并增大，同理在豎直方向上a也會瞬間增大再減少到10，于是獲取到手機加速度傳感器的參數(shù)變化并打印后，使用MATLAB對數(shù)據(jù)進行分析，取相對穩(wěn)定的數(shù)值，并取整后作為加速度參數(shù)的判斷條件。

x，y，z三軸在不同的情況下，加速度所在的軸不一樣但是參數(shù)變化是相同的，三個軸的參數(shù)設置為：

手機橫放，屏幕朝向周圍：檢測到z>4&&y;>3之后，x>18；

水平放置：x>3&&y;>4之后，z>18；

豎直放置：x>3&&z;>4之后，y>18。

4 APP的功能測試

在摔倒識別與自主定位手機APP的測試方面，選擇對北京林業(yè)大學工學院部分學生進行試用，來檢測實用性，技術內容和測試結果見表1。

5 結語

本文首先對目前導航服務技術的背景及約束進行了闡述，簡要介紹了Android操作系統(tǒng)，并對相關傳感器進行了介紹。在APP的系統(tǒng)設計部分，對各項功能進行了模塊的劃分，同時對用戶界面設計、地圖調用、傳感器的利用、運動軌跡繪制、摔倒辨識的算法實現(xiàn)做了詳細的說明。從本文的介紹的得知，基于Android的摔倒識別與自主定位系統(tǒng)在室內GPS信號受到阻擋而削弱的環(huán)境下，能實現(xiàn)定位以及軌跡繪制，并提供服務用戶的導航服務；同時在有意外事故發(fā)生用戶摔倒時，能提供相應的檢測與辨識，給出能夠發(fā)送定位短信這樣的的解決方案，具有良好的市場前景。

參考文獻

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[3]趙康.基于Android平臺的室內三維導航系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[A].山西：山西省地圖院，2016.