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基于加速度传感器的智能手机动作识别系统的设计与实现

范文

汪文彬+马玉春+尹建

摘要：设计了一款基于加速度传感器的智能手机动作识别系统，根据动作识别，完成动作解锁、接听电话、查看短信等功能。通过测试，系统运行稳定，操作简单，具有良好的用户体验。

关键词：Android；智能手机；加速度传感器；动作识别

中图分类号：TP311.5 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.02.003

0 引言

设计基于加速度传感器的智能手机动作识别系统具有重要实际意义，通过对动作识别方法进行研究并将其应用于人机交互中，极大地丰富了人机交互的内容。在当今生活中，智能手机或者说智能终端将会无处不在，基于传感器的各种动作识别，使得人交互展现得淋淋尽致。一种更加自由、便捷、自然的交互方式，促进了手机的发展，使其应用前景更加广阔。

使用智能手机的加速度传感器为基础的动作识别系统，主要是通过其强大的加速度传感器来采集使用者运动过程中的各个数据，通过一些列的数据筛选、识别算法，识别出使用者的具体动作，并且转换成机器能识别的指令，从而控制手机的各种操作，使其呈现出更加自由、更加便捷的人机沟通方式。

1 Android开发平台搭建

1.1 准备工作

首先到http：∥www，eclipse.org/downloads/下载Eclipse集成开发环境并且解压；再到http：∥www.oracle.com/technetwork/java/javaee/downloads/index.html下载JDK并安装。最后到http：∥developer.android.com/sdk/index.html下载Android-SD及adt-bundle-windows-x86.zip然后解压安装。

1.2 安装ADT插件

打开Eclipse，点击Help->Install New Software，出现添加框后输入名字，点击Local按钮，找到ADT压缩包，点击OK即可。

1.3 安装SDK

解压缩SDK压缩包，找到SDK manager，双击启动，启动后选择tools，选择后点击install按钮，导入SDK（注意前面是利用SDK管理器安装，并未在Eclipse里面安装，所以要导入）打开eclipse，windows->preferences，点击Andriod，再点击Browse，找到已存在的android-sdk-windows文件夹，选择apply完成安装。

1.4 创建Android模拟器：

与前面创建方式一样，Windows->Android SDK andAVD Manager～tVirtual devices->New，最后点击CreateAVD即可。

2 系统分析

2.1 功能处理及要求

2.1.1 原始数据处理

系统返回的三轴数据非常离散，需要通过一系列复杂的处理才能得到相应符合要求的数据，这里只需要简单的将数据处理到6个方向上来（即：上、下、左、右、前、后），考虑到操作的复杂性和数据处理的困难性，要求使用者按照一定的方式操作（比如：需要用户拿定手机一个姿势保存3s，这个时候系统记录用户的初始位置，然后用户需要在这六个方向做出组合动作，系统会自动识别你的运动方向，且保存待用户设定匹配）。

2.1.2 锁屏消息处理

锁屏消息处理过程为屏幕在锁屏期间处于黑屏进入省电模式，并且加速度传感器停止工作；用户点亮屏幕，加速度开始工作，等待用户输入指令并初始化传感器为开锁状态。

2.1.3 电话与短信消息处理

任何时候，只要电话或短信监听器监听到消息，便初始化传感器状态为对应状态，等待用户操作，用户只需消息到来后，象微信摇一摇，摇动手机到一定阀值之后即可。

2.2 数据流图

数据流图描述输入数据流到输出数据流的变换（即加工），用于对系统的功能建模，顶层数据流图，如图1所示。

3 系统设计

本系统中应用总体分为三大模块：解屏服务，接听电话服务，查看短信服务。每一种手机状态消息到达，用户都可以使用预先设定的方式，紧握手机，做出预定动作即可。

3.1 解屏服务

当用户拿起手机，一般情况下手机都会加锁，现在的解锁方式无外乎三种情况（即：拖动解锁，密码解锁，图案解锁），这这三种情况既有不安全性，也有不方便性，如果用户只有一只手可以操作手机，这个时候就体现出来。本系统解设计用户只需要单手拿着手机，按照预先设定组合动作，这里设定了六个基本动作（即：上、下、左、右、前、后），理论上可以随意组合，至少有6的阶乘种组合，操作稳定性、安全性高，同时也解决了用户单手不方便操作的问题。

3.2 接听电话服务

当电来时，用户一般有两种接听方式（即：滑动接听，按键接听），但这两种方式也有不方便的情况，比如：你正在开会，忘记设定静音，突然来个电话，会紧张到不知所措，本系统解决这种情况，是将手机旋转180°，在不挂断电话下转静音，再决定如何处理电话，接与不接只需要完成一定的动作即可，同时解决你在跑步时的动作识别。

3.3 短信服务

短信服务的应用必须有新短信，并且手机处于解锁状态时方可使用，用户可以摇晃手机查看短信，继续摇动查看下一条，两者之间有两秒的延时，防止摇多了漏掉某一条短信。

4 系统实现

4.1 Android获取传感器管理

获取传感器管理，在Android系统中，只需要获取传感器管理类，然后根据系统定义获取相应的传感器，代码如下：

∥获取加速度传感器

5 系统测试与分析

5.1 测试方案

通过系统的运行状态和运行时产生的各类数据与实际情况分析对比，对系统和算法进行测试，包括各个模块的正确实现，系统功能的正确性，和识别的准确性等方面进行测试。测试方案如表1所示。

5.2 分析与结论

经过多次测试实验，对于系统设置保存，不管是开机自启后，还是刚设定，没有任何错误，传感器的状态变化，随系统中广播消息变化没有混乱的情况，对于锁屏动作识别解锁的识别率根据用户组合动作的不同，成功率和误识率有所不同，根据组合动作的复杂度成增长趋势，分布见表2所示。

5.3 测试结论

经测试，软件各个功能：初始动作设定、记录，特征提取、匹配都能够正常运作。算法性能方面，测试数据表明，通过算法拟合后产生的多项式，可以很好的表征原始加速度数据特征，并且使用最小二乘法得到的特征值较为准确。在进行特征匹配的时候匹配成功率平均75%，较为理想，随着各个方向的组合动作的增加，识别率和误识率也急剧增加。

6 结论

本设计基于Android智能手机上的加速度传感器在用户手中运动数据的获取、提取、识别，开发了一款动作解锁、接听电话、查看短信等功能系统，可以替代传统操作手机的一些习惯，使手机的实用更加方便。

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