Развој и имплементација Андроид софтвера за мониторинг физичке активности појединца

Transcription

1 Развој и имплементација Андроид софтвера за мониторинг физичке активности појединца Илија Дамјановић 867/2012 Факултет техничких наука, Чачак Електротехничко и рачунарско инжењерство, Рачунарско инжењерство, 2012/2013. Ментор рада: Данијела Милошевић Апртпакт Данашњи андроид уређаји имају велике способности и ресурсе, тако да програмери имају широк спектар могућности када је реч о искоришћавању истих. Поред стандадних могућности које нуде сви водећи оперативни системи, андроид поседује подршку за велики број сензора, тј очитавање истих и даљу софврерску обраду. Због тога, андроид телефон се данас може користити на мноштво креативних начина. У овом раду је описано коришћење Андроид уређаја (конкретно телефона) за праћење физичке активности (трчања, ходања), и даља употреба добијених података. Сама апликација детектује нагле промене у убрзању помоћу акцелерометра, региструје их као корак, и на основу унетих података о појединцу (висина, тежина, дужина корака и сл.) прорачунава доста параметара као што су пређена раздаљина, просечна брзина, протекло време, потрошене калорије, број корака у минуту. Ти параметри се касније могу упоређивати и као резултат добијамо информације о физичком стању појединца, тј његовом физичком напретку. Сама апликација је писана у Јави, у Eclipse АDТ окружењу. Овај начин мониторинга је једноставан, економичан и приступачан, не захтева скупе сензоре, користи уређај који особа већ поседује, и не захтева повезивање на интернет. Кљсчне печи Андпоид, мониеопинг, тизихка акеивноре, Јава, Eclipse АDТ. 1. УВОД Последњих неколико година смо сведоци наглог развоја оперативног система Андроид [2], и заједно са њим и упоредан развој одговарајућег софтвера. Андроид је оперативни систем за мобилне уређаје заснован на Линуксу који развија удружење Open Handset Alliance (OHA) [10] на чијем челу се налази компанија Гугл.[1] Првобитног развијача, истоимену компанију, откупио је Гугл године Првобитно представљање дистрибуције Андроид је најављено заједно са оснивањем Open Handset Alliance (OHA), конзорцијума од 86 компанија које се баве хардвером, софтвером и телекомуникацијама, а који је посвећен унапређивању отворених стандарда за мобилне уређаје. Андроид је заснован на измењеној верзији Linux језгра. По броју продатих паметних телефона, заснованих на андроид ОС у САД, андроид се налази на првом месту са уделом од 33 процената [3][4]. Андроид има велику заједницу програмера за писање апликативних програма који проширују функционалност уређаја. Тренутно постоји преко апликација доступних за андроид. Програмери пишу контролисани код у Java језику, контролишући уређај преко Гугл развојне Java библиотеке.[1] Андроид ОС се састоји од 12 милиона линија кода [1], укључујући 3 милиона линија XML кода, 2,8 милиона линија C кода, 2,1 милиона линија Java кода и 1,75 милиона линија C++ кода. Гугл је већи део андроид кода објавио под Apache лиценцом, лиценцом слободног софтвера и лиценцом отвореног кода [9]. До само пре неколико година, унос података у рачунар се вршио углавном на већ одавно проверене начине, тастатура и миш углавном. Појавом нових технологија, и то се променило. Модерни Андроид уређаји поседују екран осетљив на додир, као и мноштво различитих сензора (убрзање, притисак, температура...). Сва та својства омогућавају програмерима да их искористе као нови начин за унос података за апликације. Најстандарднији сензор од наведених је сензор убрзања акцелерометар. Самим тим, савршен је кандидат за велики број апликација као извор података за обраду. Акцелерометар мери убрзање у три осе, и враћа измерене вредности. На основу тога, те податке можемо користити у различитим алгоритмима, и на тај начин користити андроид уређај за мерење угла, убрзања, брзине, детектовања ударца итд. Мобилни телефон носимо скоро свуда са собом, што значи да се његове могућности могу искористити било када. Такође, у данашње време физичка активност је веома битна за свеукупно здравље особе. Логичан је закључак да се телефон може искористити и за тај аспекат нашег живота. Постоји доста апликација које се баве здрављем и здравим животом [8], јер је то најбитније. Трчање/ходање је веома здраво и пожељно свакодневно. Уз помоћ андроид уређаја можемо пратити своје активности у тој области, тако што ћемо пратити своје резултате након сваког тренинга, и током дужег периода времена можемо упоређивати записе, и видети напредак.

2 Accupedo Овај софтвер тренутно има преко корисника само преко Гугл плеј-а, и један је од најпопуларнијих софтвера из ове области [11]. Интелигентни тродимензионални алгоритам је способан да детектује шаблоне помераја карактеристичне само за трчање при вежбању, а одбацује све остале покрете који су нежељени. Алгоритам функционише независно од тога где се телефон смести, небитно да ли је у џепу или се држи у рукама или сл. Можете поставити свој дневни лимит, користити мод за чување батерије, паузирати, ресетовати бројање, поставити Widget на радну површину, послати резултате мејлом и сл. Поседује такође и подешавање осетљивости алгоритма детекције. Sit Ups pro Софтвер који тренутно на Гугл плеј има преко корисника, и оцену од 4.5, довољно говори сам за себе. Принцип је сличан, [13 ]алгоритам детектује трбушњаке и броји их. Такође поседује бројање засновано на алгоритму који користи акцелерометар, поседује складиштење резултата, обавештење о напретку, графиконе и сл. Користи се тако што се телефон држи са обе руке испред груди приликом вежбања. Push Ups pro Сличан софтвер као и претходни, користи исти алгоритам који је модификован благо [14]. Има корисника и оцену од 4.8, и поседује складиштење резултата, обавештење о напретку, графиконе и сл. Runtastic Свако треба да направи корака дневно, колико Ви направите? је мото аутора ове апликације. Ова апликација аутоматски бележи све Ваше кораке, рачуна брзину, претрчану раздаљину, приказује последнјих 5 активности. Такође ради практично на свим местима на телу тј. одећи, или у торби или ранцу. Поседује могућност приказа резултата на друштвеним мрежама, и поређење са резултатима осталих корисника на сајту runtastic.com. 2. Master rad АПЛИКАЦИЈА Најбитнија ставка је детекција корака, тј имплементација алгоритма помоћу којег се детектује корак. На овом пољу су рађена многа истраживања [5][6][7], на основу којих здрав човек током трчања има константну дужину корака, и на основу те чињенице, сви подаци се могу прорачунати са релативном грешком до око 2 процента [5]. Приликом имплементације алгоритма и његове калибрације, од суштинске помоћи је била и заједница андроид програмера на официјелном форуму андроид девелопера [12]. У следећој табели можемо видети резултате коришћеног алгоритма, и упоредо и стварне податке који су се требали добити: Број корака Број корака избројен од стране алгоритма Табгла 1: Попгђгњг ревапниу жодаеака и жодаеака из ажликафијг Из добијених експерименталних мерења видимо да је просечна грешка: (1)

3 За најпрецизнија мерења најбоље је поставити телефон што ближе центру масе субјекта, тј што ближе струку, да би сила која делује на акцелерометар могла да се најбоље детектује. Узорци очитавања акцелерометра се обрађују преко алгоритма, и проверава се да ли је дата сила већа или мања од претходно постављеног прага осетљивости. Слика 1: Охиеавања акфглгпомгепа за ржоп и рпгдњи егмжо Са претходне слике се могу препознати кораци тј. њихова очитавања. Негативне амплитуде представљају почетке корака, а позитивне амплитуде представљају крајеве корака. Као што се види са графика, у овом случају посматра се убрзање по z-оси. 3. ПРОЈЕКТНИ ЗАДАТАК У овом раду се врши анализа сигнала који даје акцелерометар уграђен у андроид уређај, у циљу детектовања корака који је начињен услед трчања/ходања приликом вежбања. Сама апликација рачуна неколико параметара и при завршетку вежбања оставња запис о резултатима. Ради прецизнијег резултата уноси се висина/тежина особе, ради прецизног рачунања потрошене енергије, као и дужина корака, за прецизно рачунање осталих параметара. Такође се обавља и временско мерење сваке сесије. Само мерење се може паузирати и наставити, као и ресетовати. Такође се може бирати и осетљивост алгоритма детекције, првенствено заснован на подлози по којој се трчи. Постоји 9 нивоа осетљивости, од -4 до +4. Могу се бирати метричке или империјалне јединице, као и тип вежбања, у зависности од тога да ли трчимо или ходамо. Постоји опција и за рад у моду за чување енергије телефона, где апликација може радити и са угашеним екраном.

4 4. ПРАКТИЧНА РЕАЛИЗАЦИЈА У оквиру практичне реализације апликације, код је писан у програмском језику JAVA, у радном окружењу Eclipse Juno, са додатком Android Developer Tools, Build: v Овај додатак омогућава писање апликација у Јава коду, намењених специфично за андроид платформу. Такође поседује и виртуелне уређаје, преко којих се већина софтвера може тестирати без употребе хардверског андроид уређаја. У овом случају, тестирање се морало урадити на хардверском уређају, због самог типа и намене апликације (мерење физичке силе тј. убрзања које делује на телефон). Конкретно је коришћен уређај Sony Xperia Tipo, који поседује процесор на 800 MHz, 512 MB RAM и дисплеј у резолуцији 320x480 pix. На следећој слици је приказано поменуто радно окружење: Слика 2: Eclipse Juno, ра додаеком Android Developer Tools, Build: v Ппиказ пгализованг ажликафијг Слика 3: Изглед иконице ппогпама Master rad На слици 3, у доњем десном углу, можемо видети саму иконицу инсталиране апликације, и њен назив. За иконицу је симболичну, узет лого Факултета техничких наука у Чачку, а име саме апликације је Master rad, такође асоцијација на намену апликације и на Факултет техничких наука. Сама апликација снима резултате у текстуалне фајлове, са префиксом vezbanje, а у наставку имена фајла се додаје суфикс датума и времена завршетка вежбања, тако да не постоји могућност писања новог фајла преко старог, услед истог имена. Апликација складишти своје резултате на /root од партиције где је инсталирана. За телефоне који нису рутовани, пожељно је да апликација буде инсталирана на Internal Storage партицију телефона, да би смо били у могућности да прочитамо резултате. Приликом инсталирања апликације, у главном менију телефона ће се појавити иконица са слике 3, преко које можемо покренути апликацију Master rad. Након покретања апликације појавиће се прозор са слике 4а. Као што се може приметити, сви претходно наведени параметри се након израчунавања приказују на екрану у textview елементима предвиђеним за то. Улазећи у главни мени апликације, појављује се клизајучи прозор са слике

5 4б. Као што се види, на овај начин се апликација може паузирати, ресетовати, подесити, а такође се може и изаћи из саме апликације. На сликама 4а и 4б је ради демонстрације приказан метрички систем јединица у километрима, који се наравно може са пар кликова променити улазећи у мени Подешавања, до којег се долази на начин приказан на слици 4б. На овај начин се улази на дијалог Подешавања са слике 5. Слика 4а: Изглгд главног жпозопа ажликафијг Master rad Слика 4б: Главни мгни ажликафијг Master rad Сви претходно поменути параметри апликације се могу подесити у дијалогу на слици 5 испод: тип вежбања (трчање/ходање), осетљивост (-4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4), јединице (километри/миље), дужина корака (у центиметрима или инчима, у зависности од претходног подешавања јединица), тежина (килограми или фунте, у зависности од подешавања јединица, и служи за прорачун потрошених калорија), и операциони ниво (да ли апликација може радити са угасеним екраном ради чувања батерије). Слика 5: Мени подешавања апликације StepDetektor

6 4.2 Имжлгмгнеафија тснкфијг Text-To-Speech (TTS) За наш случај није довољно изговарати једноставне предефинисане реченице. Потребно је у њих убацити валидне информације о параметрима који се рачунају у реалном времену, и на тај начин се корисник обавештава о тренутном напретку и стању сесије у току. Од верзије андроид 1.6 представљена је нова могућност, Text-To-Speech (TTS) [21], или speech synthesis (синтеза говора). Ово омогућава да ваш андроид уређај проговори. Пре него што појаснимо имплементацију ове функције у случају овог мастер рада, погледајмо прво мало ближе ову веома корисну функцију андроид система. У случају ове апликације, имамо опције давања информација о: Броју корака Темпу Даљини Брзини Енергији Фидбеку за мотивацију На овај начин апликација добија сасвим други ниво, јер постаје интерактивна са корисником, давајући му упутства и мотивацију за тренинг. Ово је кључни елемент у успешности метода тренирања са бројачима корака, а андроид платформа нам дозвољава да обавештења подигнемо на нови ниво, од једноставних звуковних сигнала на синтетизовани људски говор са правим информацијама релевантним за корисника. 5. ЗАКЉУЧАК У овом раду смо представили реализацију детектора корака за Андроид платформу. Андроид уређаји имају уграђене акцелерометре, и стога су веома погодни за ту сврху. Алгоритам који је коришћен је показао сасвим задовољавајуће резултате, изнад 96 процената у већини случајева. За неке случајеве прецизност опада, посебно приликом веома спорог или веома брзог вежбања, али је опет у задовољавајућим границама. Представили смо и пар теоријских метода за постизање бољих резултата, али су још увек непрактичне за имплементацију, због хардверских захтева, пошто се апликација извршава у реалном времену. Детектор корака је према многим истраживањима најисплативији начин за мотивацију особа да вежбају и истрају у својим унапред задатим циљевима у оквиру физичких активности. Са обзиром да све више људи поседује андроид уређај, и да они постају стандард у свакодневици, ова апликација и апликације овог типа су веома корисне. Такође пошто се апликација у тестирању показала као прилично успешна, може се закључити да је сасвим погодна за употребу.

7 Литература: [1] - Android version history [2] - Android (operating system) [3] - Android, the world's most popular mobile platform [4] - Android hits top spot in U.S. smartphone market [5] Sampath Jayalath, Nimsiri Abhayasinghe, Department of Electrical and Computer Engineering Sri Lanka Institute of Information Technology New Kandy Rd, Malabe, Sri Lanka - A Gyroscopic Data based Algorithm [6] Ms. Najme Zehra Naqvi et al. / International Journal on Computer Science and Engineering (IJCSE) - Step Counting Using Smartphone-Based Accelerometer [7] - EmmaFortune, Vipul Lugade, Melissa Morrow and Kenton R. Kaufman, Mayo Clinic Rochester MN, USA - STEP COUNTS USING A TRI-AXIAL ACCELEROMETER DURING ACTIVITY [8] - Google store - Health Apps [9] - Android Licences [10] - OHA [11] - Accupedo Pedometer [12] - Android forum [13] - Sit Ups pro [14] - Runtastic