基于安卓手机的智能测量仪App设计与实现

孙嘉鹏 北京市十一学校

1.开发背景与需求

在日常生活中，我们经常会遇到想要知道某个对象的距离或者高度，但恰巧没有尺子或者不方便测量的情况。例如，你到旅游景点看到一个雕塑或者一栋大楼，想知道它的高度，却不方便直接测量。又比如，当你在某个地方发现一件有趣的事情，你想把它的位置分享给朋友，但是GPS获取的只是人自身的位置，而不是所感兴趣目标的位置，这个时候我们希望有个工具能自动测量目标离人的距离，再与人的GPS位置和目标相对于人的角度（可通过手机的方向传感器获得）相结合，则可计算出目标的准确位置。

针对以上需求，本文将开发一款基于安卓手机的智能测量仪App，通过用户的简单操作即可实现测量某个感兴趣目标的高度或者距离。该App将使用谷歌公司提供的App Inventor[1]平台进行开发，该平台是一个适用于安卓手机App开发的在线编程软件，可通过代码拼装的方式快速方便地实现所需功能。

2.设计原理

测量距离和高度的基本原理如图1所示。整个测量过程分为以下两步：

步骤1）用户手拿手机，打开摄像头，并将手机屏幕中心对准被测量对象的底部，点击拍照按钮的同时，可利用手机的方向传感器获得向下的倾斜角α；

步骤2）用户再次打开摄像头，并将手机屏幕中心对准被测量对象的顶部，点击拍照按钮的同时，再次利用手机的方向传感器获得向上的倾斜角β。

假定用户的身高h1已知，用户手拿手机的位置与用户的头部大概距离为0.3m，则用户手机离对面的高度为（h1-0.3）。因此，我们可以根据三角函数得到以下两个公式，分别用来计算被测量对象与用户的距离d，以及被测量对象的高度h2。

d=h1*tanα；

h2=h1-0.3+d*tanβ；

图1 使用手机测量距离和高度的基本原理

3.界面设计

在App Inventor中，调用照相机时，会自动弹出照相界面，并引导用户照相。所以我们不需要单独为它设计界面。除此之外，还需要设计三个页面。首先，用户需要设置自己的身高，我们可以使用一个文本框供用户输入，同时提供一个按钮供用户第一次调用摄像头，并给用户相应的拍照方法提示，如图2（a）所示。用户点击按钮后，将第一次进入拍照界面，如图3（a）所示。用户将取像画面中心对准被测量对象底部，然后点击拍照按钮，之后将返回第二个页面，继续引导用户进行第二次拍照，如图所示2（b）。用户再次点击按钮后，将第二次进入拍照界面，如图3（b）所示。用户将取像画面中心对准被测量对象顶部，然后点击拍照按钮，之后将进入第三个页面，显示计算结果，同时显示我们所获得的其它信息，包括身高和两次拍照的角度，如图2（c）所示。同时，该界面提供一个返回按钮，可以回到第一个页面，重新开始下一次测量。

图2 智能测量仪的三个页面

图3 两次拍照界面

4.功能实现

下面，分四个方面分别介绍该App的实现细节。

4.1 使用微数据库存储数据

用户需要拍摄两次来提供足够的计算信息。在这里，可以选择将数据以参数形式在页面之间传递，也可以采用微数据库[2]来存储数据。因为App Inventor的限制，我们只能在页面间传递一个参数，所以，为了方便起见，这里使用微数据库。

对于同一个用户来说，身高是不变的。所以，当用户第二次以及以后再进行测量时，不需要用户重新输入身高了，除非用户自己想要修改数据。同时，身高也是一个必需的计算参数，所以，如果用户没有正确输入，要给出提示，让用户正确输入身高。第一张页面初始化和存储身高信息的块代码，以及最后取用数据库数据的块代码分别如图4和图5所示。

图4 页面初始化和存储身高信息的块代码

图5 取用数据库数据的块代码

4.2 调用照相机

在App Inventor中，照相机组件是非常简便易用的，从上图可以看到，我们只需要一个块代码，就可以调用照相机来拍照。之后，在完成拍摄时，我们需要提取角度信息，需要调用拍摄完成事件来存储倾斜角，相应的块代码如图6所示。

图6 调用拍摄完成事件来存储倾斜角的块代码

4.3 获取倾斜角

在APP Inventor中，倾斜角的定义是：当设备水平放置时，其值为0°；随着设备顶部向下倾斜至竖直时，其值为90°，继续沿相同方向翻转，其值逐渐减小，直到屏幕朝向下方的位置，其值变为0°；同样，当设备底部向下倾斜直到指向地面时，其值为-90°，继续沿同方向翻转到屏幕朝上时，其值为0°。如图7所示。

图7 倾斜角测量示意图

因为手机竖直时，倾斜角给出的角度是90度。向前向后继续倾斜，角度绝对值都将同样变小，所以，我们计算出的高度值，可能有两个。如上图所示，我们的照相角度都为负值，所以在块代码中取绝对值，相应的块代码如图8所示。

图8 计算倾斜角的块代码

4.4 距离和高度计算

通过前面的分析，我们需要进行两次三角变换来分别计算距离和高度，以及我们可能获得两个高度值。我们需要一些局部变量作为中间变量来进行计算，相应的块代码如图9所示。

图9 计算距离和高度的块代码

5.总结与展望

本文基于App Inventor设计与实现了一款用于测量对象距离和高度的安卓手机App，在日常生活中有广泛的应用。然而，本App还有一些待完善和扩展的地方。首先，在用户瞄准被测量对象时，应该在屏幕中间提供一个“十”字准星帮助用户获得更准确的角度信息，但是由于APP Inventor的限制，照相机无法被放置在一个画布中，只能被独立调用，所以我们只能让用户尽量将被测对象位置置于屏幕中央。这样一来，测量的结果就存在更大的误差。另外，不同型号的手机对角度的测量准确性也有很大差异，需要设计一些校准方法来提高测量的准确性。另外，该App需要用户操作两个步骤才能测量高度，未来可探索只操作一次即可测量高度的方法。