摘 要

随着移动互联网技术的普及，智能手机已经成为了人们日常生活中不可缺少的一部分。从2008年第一部Android智能手机发布开始，Android系统凭借其开发商Google的技术支持，以及Linux内核开源等优点得到了迅速发展。截止2018年第一季度全球智能手机Android操作系统市场份额已经突破85%。成为智能手机应用最为广泛的操作系统。智能手机载有很多传感器，这些传感器无疑更加丰富了Android应用程序的功能，满足了人们对实时信息的获取需求。同时对于Android应用程序的开发起了极大的推动作用，对于现实生活中很多用途有着非常重要的意义。

本文首先对Android智能手机的背景与研究现状做了简要的介绍，并阐述了本课题的目的以及意义；然后描述了Android操作系统以及其传感器系统的架构，并且对Android智能手机APP开发的简介；接着着重地介绍了对于Android智能手机各种传感器数据的采集、存储和显示的过程，结合传感器架构和智能终端的发展现状，设计出在Android智能手机上的信息实时信息的方案，同时可以显示智能设备所载有的传感器的类型、供应商、设备版本等信息。在最后的章节中，有本次毕业设计的测试章节，测试所设计的软件的性能和结果符合实验的设计要求。

本文基于Android操作系统，进行传感器的开发。熟悉智能手机内嵌传感器的种类、工作原理以及数据调用的方法，同时完成采集特定传感器的实时数据显示和存储的代码编写。智能手机有多种传感器，例如光线传感器、加速度传感器和陀螺仪传感器等。收集这些传感器的数据，可以为很多深入的研究打下基础。

关键词： Android，智能手机，传感器，数据采集

Abstract

In current age, with the popularization of mobile Internet technology, smart phones have become an indispensable part of people's daily life. Since the release of the first Android smart phone in 2008, the Android system has experienced rapid development with its developer

Google's technical support and its open source and Linux-based embedded Linux kernel. As of the first quarter of 2018, the market share of the Android smart phone operating system has exceeded 85%. Become the largest operating system for smartphones. Smartphones carry many sensors, and the various types of sensors they carry have narrowed the distance between sensors and people because of the popularity of smartphones. These sensors undoubtedly enrich the functionality of Android applications and satisfy people’s need for real-time information acquisition. At the same time, it has greatly promoted the development of Android applications, and it has very important significance for many applications in real life.

This article first briefly introduces the background and research status of Android smart phones, and describes the purpose and significance of this topic. Then it describes the architecture of Android operating system and its sensor system, and introduces the development of Android smart phone APP; Then he introduced the process of acquiring, storing, and displaying various sensor data for Android smart phones, combined with the sensor architecture and the development status of smart terminals, designed a solution for real-time information on Android smart phones, and at the same time can display intelligence. The type of sensor, supplier, and device version contained in the device. In the final chapter, there is a test section of the course design. The performance and results of the software designed for the test meet the design requirements of the experiment.

This article is based on Android operating system, sensor development. Familiar with the types, working principles, and data retrieval methods of smart phones embedded sensors, and at the same time complete the collection of real-time data display and storage of specific sensors. Smart phones have a variety of sensors, such as light sensors, acceleration sensors, and gyro sensors. Collecting these sensor data can lay the foundation for many in-depth studies.

Key words : smart phone , Android , sensor , data collection

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景与研究意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文的主要工作 3

1.4 本文的组织架构 3

第2章 相关背景知识介绍 4

2.1 Android系统框架 4

2.2 传感器技术 6

2.3 本章小结 11

第3章 Android系统传感器模块的分析与设计 12

3.1 Android传感器开发相关类与接口 12

3.2 Android 基于监听的事件处理 14

3.3 相互关系 15

3.4 本章小结 16

第4章 传感器数据采集、存储和显示 17

4.1 传感器数据采集 17

4.2 传感器数据存储 18

4.3 传感器数据显示 19

4.4 细节实现 22

4.5 本章小结 25

第5章 测试实验 26

5.1 APP首页 26

5.2 传感器列表 26

5.3 具体传感器页面 27

5.4 传感器数值的图像显示 28

5.5 本章小结 30

第6章 结束语 31

参考文献 32

致谢 34

第1章 绪论

课题研究背景与研究意义

Google 在2008年推出 Android 系统的第一个版本，虽然从开始就一直受到苹果、甲骨文等公司的阻挠，但是 Android 还是凭借 Google 的技术支持与其开源的政策成为了全球第一大的智能手机操作系统。

随着移动互联网技术的普及，手机性能有了飞速的提高，人们对手机功能的需求已经不仅仅满足于打电话、发短信等基础需求了。人们期待手机能够向计算机一样完成上网、影音娱乐、处理文档等功能，这一切催生出智能手机的诞生。全球范围内移动操作系统市场份额2012年到2017年变化图如图1.1所示。从图中可以看出使用Android操作系统的用户越来越多，今年来已经稳定在了一个非常高的水平。

图1.1 全球2012年到2017年移动操作系统市场份额变化图（来源:www.statista.com）

Android系统的用户数量强势发展反过来丰富了Android自身的发展。Android 系统为传感器的应用提供了硬件与软件的支持，这大大提升了智能手机对于所处环境与自身状态的感知能力有着极其重要的关系。从 Android 1.5（API level3）开始就开始提供一整台标准服务器以及相关的API，在API level9中增加了合成传感器和更多传感器的方法。

微机电传感器（MEMS）技术的成熟使Android智能手机中的传感器得到了快速发展，这种传感器借用了计算机芯片的制作技术。这种技术具有很高的精度，而且能够制作出规格非常小的硅芯片传感器。这些技术的特点恰好符合Android智能手机传感器的要求，所以目前所有的Android传感器都使用了这种技术。

目前市面上的Android智能手机基本都会提供一些常见的传感器，例如光传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器、温度传感器等等，这些传感器为智能手机很多功能的实现提供了基础，例如温度传感器能够测量手机机身内部的温度，以便让使用者能够查看手机实时的温度状况。

传感器的使用能够得到很多实时的物理量，本文的一个研究目的就是实现Android手机上多个传感器的数据采集。当前各种研究方兴未艾，很多研究都是让人能够更加方便更加快捷地工作和生活。而这些传感器所采集的数据就可以用于进一步的研究，例如行为识别、体感应用、游戏开发等等领域。

本文以 Android 智能手机上传感器开发为背景，研究手机传感器的实现与工作原理，从而实现传感器的开发应用，完成收集、显示并存储相关的数据的功能。

1.2 国内外研究现状

现在国内外对智能手机传感器的研究大多集中于使用某个特定的传感器完成特定的功能，例如使用手机内的温度传感器监测手机内部各部件的温度、使用手机内的光线传感器来自动调节手机屏幕的亮度等等，很少有一个平台能够监测多个传感器的数据并收集、存储。本文主要目的就是设计并搭建一个这样的平台。在传感器的物理硬件层根据 Android API 所提供的类与接口驱动相应的传感器，在应用层设计相关的软件显示并存储采集到的传感器数据。

智能手机的普及与传感器采集数据的实时性决定了使用手机中传感器能够很好地进行行为识别与检测。例如梁建辉等人^[1]利用加速度传感器和陀螺仪传感器为基础设计老人跌倒检测算法与APP的设计、贺志强^[2]利用加速度传感器设计并完成人体能耗检测系统、Hyunju Cho, Sangchul Kim^[3]等人基于加速度传感器进行行为识别。

而现在手机中使用的嵌入式传感器的高精度与高频率使得采集数据有效且全面，能够进行配合一些相关领域功能的实现。如蔡泽江，唐国纯^[4]就利用Android传感器进行游戏开发，宋雅清^[5]利用Android中的加速度传感器进行加试事件识别关键技术研究。另外还有对当前Android 中的传感器的算法提出新的研究，如徐文权、胡慧^[6]对加速度传感器的技术提出了研究，Jie Song^[7]对Android传感器的设计提出了新的看法。

总的来说，这些论文都是根据一个或两个特定传感器采集的数据进行下一步处理，特使是是加速度传感器的应用非常广泛，但是并没有采集多个传感器的数据进行展示与分析这样的研究。

1.3 本文的主要工作

本文利用 Android 智能手机上的多个传感器进行工作。主要内容包括手机传感器的数据采集、传感器数据的存储和显示以及进一步处理。

1. 传感器数据采集

使用 Java 语言编写数据采集工具软件，设计出一款基于 Android 系统的APP，能够完成多个传感器数据的采集，且保证数据有较高的精度。完成采样频率和手机功耗的平衡。

1. 传感器数据存储

当传感器收集好数据之后，编写 Java 程序将收集到的数据以特定的文件格式存储在手机里面，与存储传感器数据同时存储的可以有采集数据的时间与实际采集数据的频率。存储下来的数据文档可用于进一步的研究。

1. 传感器数据显示

编写 Java 程序将存储在手机中的传感器数据显示出来，同时还可以将采集传感器数据的数量与采样频率显示出来。并且进一步将一些传感器数据以曲线图的形式直观的展示出来，给 APP 使用者可视化的界面感受所采集的数据值的变化。

1.4 本文的组织架构

本文探讨的内容为 Android 智能手机传感器数据采集软件设计与实现，本文分为六章，各章节内容组织如下：

第一章，绪论。介绍了论文的研究背景和研究意义，简要介绍了传感器数据采集及应用和国内外研究与方法，最后介绍了本文所完成的主要内容和组织架构。

第二章，相关背景知识介绍。首先简要地阐述了 Android 系统的系统框架与各层次的特点，然后针对传感器技术了更加详细的说明，特别是在 Android 系统中的传感器的分类与常见传感器的说明。

第三章，Android系统传感器模块的分析与设计。这一章着重介绍Android传感器系统的基本组成，重点是阐述SensorManager、Sensor、SensorEventListener和SensorEvent四个基本的类与接口，并且分析了要进行传感器开发需要经过的流程。其中还简要说明了在本文中用到的Android基于监听的时间处理。

第四章，传感器数据采集、存储和显示。这一章是本文的重点章节，在这一章中详细说明了传感器数据采集、存储和显示的步骤即实现原理，每一重点的步骤通过相对应的代码进行说明。另外，还有对一些实现的细节的补充，有了这些细节，才能够使程序完好的运行。

第五章，测试实验现象。这一章则是根据第四章中阐述的原理，实现相对应的功能，并通过截图直观的展示。

第六章，结束语。对本文的总结与体会。

第2章 相关背景知识介绍

2.1 Android系统框架

Android 系统是基于 Linux 内核，用于智能移动设备的操作系统。Android 操作系统的框架图如图2.1所示^[8]。

图2.1 Android操作系统的框架图（来源https://developer.android.com）

主要的组件有：

1. Linux 内核：Android 平台的基础是 Linux 内核。这一层为 Android 设备的各种硬件提供了底层的驱动，如 WIFI 驱动、USB 驱动、显示驱动等。
2. Android Runtime（ART）：ART的主要功能包括：

• 更好的调试支持，包括专用采样分析器，详细的诊断异常和崩溃报告
• 提前编译（AOT）和及时编译（JIT）
• 最优化的垃圾回收机制（GC）

1. 硬件抽象层（HAL）：提供了把硬件设备与更高级 Java API 框架联系起来的标准接口。该层由许多个库的模组构成，每一个模组包含针对某一特定硬件模块的接口。当框架API对硬件设备进行一次访问时，Android 系统为该硬件组成载入相对应的库模组。
2. Java API 框架：Java API的框架即为由 Java 语言编写的API，他由整套 Android 操作系统的功能集来组成。这些 API简化了内核、模块化系统组件和服务的重复使用，包含以下内容：

• 活动管理器，管理APP的生命周期并提供一个公共的导航返回栈。
• 内容提供程序，允许APP访问其他APP的数据
• 丰富可扩展的试图系统，能够去构建APP的用户界面。
• 通知管理器，允许所有的APP能够在状态栏中展示个性化的提示。
• 资源管理器，能够访问非代码的资源。

1. 系统应用程序：Android 系统一整套的核心程序，包括电子邮件、短信和更多的内容。Android 平台所内置的这些APP与用户自主安装的APP一样，没有特殊的状态。第三方的APP也能够成为用户的默认网页浏览器、短信甚至默认键盘。
2. 原生 C/C 库：很多核心的 Android 系统组件和服务，都是从需要用C语言或者C 语言写的原生库代码中构建的。Android 平台提供 Java 框架的API 以向应用程序显示部分原生库的功能。

2.2 传感器技术

2.2.1 传感器与分类

传感器为一种能够检测环境中的事件或者变化的设备，能把特定的信息转化为电信号，随着物联网这一概念的流行而为越来越多的人所熟悉。根据中国人民共和国国家标准，传感器的定义是：能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置^[9].它的定义包括：

1. 一种测量装置，能够完成检测的任务；
2. 输入量是某一被测量，其值可以为多种多样的
3. 输出量是某种物理量，主要为电信号量；
4. 传感器的输入和输出成一种对应关系，且有一定的精确度^[10]

在智能手机推出之前，人们日常生活中对传感器的应用仅仅在一个非常小的范围，通常仅限于为某个单独目的所设计的设备中，一般局限于应用一个嵌入式传感器或两个的嵌入式传感器。智能手机的出现拓展了人们对传感器的应用。从 Android 1.5 开始提供一套标准传感器及其相关类型的API，紧接着在 Android2.3 中在 Android SDK 中增加了新的传感器和工具。

Android 系统中提供的主要传感器有加速度、磁场、方向、陀螺仪、光线、压力等传感器。在 Android API 库中，传感器的类型由 Sensor 类来表示。Sensor 类引用的传感器大致分为两种类型： 原始传感器和合成传感器。

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