基于自適應(yīng)運(yùn)動處方的智能運(yùn)動助手的設(shè)計(jì)

鄧開連　丁宇超　華一村　盧學(xué)民

摘 要：運(yùn)動處方是根據(jù)個人身體狀況而制定的一種科學(xué)、定量的體育鍛煉方法。經(jīng)過長時間的研究及應(yīng)用，運(yùn)動處方的效用漸漸得到認(rèn)可。但運(yùn)動處方的制定往往需要全面復(fù)雜的評定，無法得到廣泛應(yīng)用，因此我們簡化運(yùn)動處方的制作過程，通過電子設(shè)備對鍛煉者日常鍛煉數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，由電腦對電子設(shè)備返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，擬合出適合鍛煉者自身的運(yùn)動成長曲線，從而制作出適宜鍛煉者的運(yùn)動處方即自適應(yīng)運(yùn)動處方。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)運(yùn)動處方；電子設(shè)備；數(shù)據(jù)擬合；建模

中圖分類號：TP23；TH773 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）09-00-02

0 引 言

隨著社會發(fā)展速度的加快，人們的生活、工作壓力越來越大，以致人們的身體負(fù)擔(dān)越來越重，擁有健康的身體便成為了大家共同的期望。經(jīng)常鍛煉身體便是眾所周知的方法。凡事都需要有合適的度，健身也不例外。20世紀(jì)50年代美國著名的生理學(xué)家卡波維奇提出了運(yùn)動處方的概念。運(yùn)動處方是針對人的身體狀況而采用的一種科學(xué)的、定量化的體育鍛煉方法。運(yùn)動處方就像藥物處方，是醫(yī)師結(jié)合人體的健康狀況、身體機(jī)能狀況、運(yùn)動項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行研究，開出適合人體的運(yùn)動項(xiàng)目[1]。該處方因人而異，其最終目的是避免鍛煉者不合理的健身，在鍛煉者進(jìn)行體育運(yùn)動時更好的進(jìn)行輔助作用。運(yùn)動處方種類繁多，健身運(yùn)動處方是其中之一。根據(jù)健身、體育從事者的身心條件和特點(diǎn)，以處方的形式確定體育鍛煉的內(nèi)容、生理負(fù)荷量、運(yùn)動強(qiáng)度、持續(xù)時間、鍛煉頻率等，以發(fā)展身體，增強(qiáng)體質(zhì)。但影響健身者鍛煉的重要因素是人的毅力，所以規(guī)律性的提醒比一套完整的健身設(shè)備、充足的鍛煉時間都重要[2]。

運(yùn)動處方具有5個要素，即安全性、運(yùn)動方式、運(yùn)動強(qiáng)度、運(yùn)動時間和運(yùn)動頻率[3]。在如今經(jīng)濟(jì)化、智能化的時代，智能電子設(shè)備在很多領(lǐng)域都發(fā)揮了關(guān)鍵性作用，特別是各種傳感器技術(shù)以及微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用使得運(yùn)動數(shù)據(jù)的測量變得簡單方便。但由于每個人的身體素質(zhì)不同，所以還沒有一種“地毯式”運(yùn)動處方，可適用于各年齡段、各種身體狀況的人群。因此，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)一種基于自適應(yīng)運(yùn)動處方的方案并結(jié)合單片機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)制作一個可穿戴式智能健身電子設(shè)備前景廣闊。

1 智能電子設(shè)備架構(gòu)及模塊

智能電子設(shè)備主要包括主控MCU、電源、無線通信、傳感器和人機(jī)交互部分。傳感器部分包括光電式心率傳感器以及加速度傳感器，這些是獲取鍛煉者運(yùn)動數(shù)據(jù)的重要器件。智能電子設(shè)備架構(gòu)圖如圖1所示。

（1）光電式心率傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，通過光電傳感器對脈搏信號進(jìn)行檢測，并用單片機(jī)技術(shù)加以處理，從而實(shí)現(xiàn)智能化的心率監(jiān)測已經(jīng)成為應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)方案[4]。

（2）3軸加速度傳感器可感知運(yùn)動中鍛煉者重心位置的變化，還可作為計(jì)步器，結(jié)合鍛煉者的身高等信息得到運(yùn)動距離，是運(yùn)動處方制定準(zhǔn)確性的關(guān)鍵[5]。

（3）無線模塊選用ZigBee無線通信。ZigBee具有低功耗、自組織、低復(fù)雜度的特點(diǎn)，在低功耗待機(jī)模式下，2節(jié)5號干電池可支持一個節(jié)點(diǎn)工作6～24個月，相比較之下，藍(lán)牙只能工作幾周，而WiFi只能工作幾個小時[6]。

（4）人機(jī)交互模塊采用TFT-LCD觸摸屏實(shí)現(xiàn)，薄膜晶體管式液晶顯示器是一類有源矩陣液晶顯示設(shè)備。該顯示屏具有響應(yīng)度高、亮度高、對比度高等優(yōu)點(diǎn)。用于實(shí)時顯示鍛煉者的鍛煉數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作等。

（5）MSP430F5529單片機(jī)集成了USB層和物理層，支持USB2.0，有4個16位定時器，1個高性能12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）。主要用于鍛煉者鍛煉數(shù)據(jù)的發(fā)送和監(jiān)測。

2 智能電子設(shè)備工作流程

MCU片內(nèi)ADC采集光電式心率傳感器輸出信號，實(shí)時反饋鍛煉者的心率信息；同時采集3軸加速度傳感器輸出信號，根據(jù)鍛煉者的身高等因素轉(zhuǎn)換為運(yùn)動距離數(shù)據(jù)。然后通過ZigBee模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端，PC端軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到鍛煉者的運(yùn)動成長曲線，由此制定鍛煉者的運(yùn)動處方。智能電子設(shè)備工作流程如圖2所示。

3 自適應(yīng)運(yùn)動處方的設(shè)計(jì)

運(yùn)動量由三個因素決定，即運(yùn)動強(qiáng)度、運(yùn)動持續(xù)時間和運(yùn)動頻率，運(yùn)動強(qiáng)度的安排是體現(xiàn)運(yùn)動處方科學(xué)性、針對性和安全性的重要部分，一般用耗氧量的絕對值或相對值來表示，但耗氧量需要專業(yè)的設(shè)備來檢測，而心率容易通過脈搏測量獲得，所以選擇心率作為運(yùn)動強(qiáng)度的指標(biāo)。靶心率（運(yùn)動最佳心率）=（最大心率-休息心率）×70%+休息心率，但由于最大心率的檢測非常危險，所以現(xiàn)在多用推算法，即最大心率=210-年齡。根據(jù)年齡和安靜時的心率就可以計(jì)算出靶心率[7]。每次鍛煉的持續(xù)時間不能少于15 min，并且每次鍛煉心率達(dá)到靶心率以上10 min較為適宜。可以以此為標(biāo)準(zhǔn)[8]，每天鍛煉者鍛煉心率達(dá)到靶心率以上且持續(xù)時間約10 min，就完成了每日目標(biāo)，然后通過3軸加速度傳感器數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化得到鍛煉者的運(yùn)動距離與運(yùn)動距離和鍛煉天數(shù)的對應(yīng)數(shù)據(jù)，通過PC端擬合運(yùn)動距離和鍛煉天數(shù)就可以得到運(yùn)動距離和鍛煉天數(shù)之間的方程式，即適宜該鍛煉者的運(yùn)動處方。由于每個人的身體素質(zhì)不同，因此，僅由靶心率獲取的運(yùn)動數(shù)據(jù)并不一定適用于每一位鍛煉者，需要鍛煉者根據(jù)自身的疲勞反應(yīng)再對依據(jù)靶心率安排的運(yùn)動量做出反饋修改。人體的疲勞反應(yīng)可以通過自我感覺和生理指標(biāo)測定法來評定，生理指標(biāo)測量可根據(jù)心率及血乳酸評定，其中心率是評定運(yùn)動性疲勞最簡易的指標(biāo)[9]；可通過自我感覺評定運(yùn)動性疲勞，運(yùn)動可以使鍛煉者出現(xiàn)心率加快、呼吸量增加等生理指標(biāo)的變化，同時也會有主觀身體感覺的變化。根據(jù)鍛煉者運(yùn)動時主觀感受的疲勞程度，可以判定運(yùn)動強(qiáng)度大小是否適宜，分為“較輕、稍累、累、很累、非常累”五個等級，適宜的疲勞狀態(tài)應(yīng)當(dāng)為：當(dāng)心率在運(yùn)動結(jié)束后數(shù)分鐘內(nèi)恢復(fù)至安靜時心率，且次日鍛煉前，安靜心率穩(wěn)定則說明運(yùn)動量穩(wěn)定，設(shè)定的靶心率較為合適，否則需要修改靶心率，調(diào)整運(yùn)動處方[10]。智能電子設(shè)備訓(xùn)練數(shù)據(jù)流向圖如圖3所示。endprint

4 綜合訓(xùn)練分析

數(shù)據(jù)擬合的可靠性與數(shù)據(jù)量的大小有關(guān)，要得到可靠的運(yùn)動處方，就需要鍛煉者完成鍛煉指標(biāo)，堅(jiān)持鍛煉1個月以上，每周3～5次[11]，且鍛煉者鍛煉時按照自身疲勞情況，通過智能電子設(shè)備對PC端進(jìn)行實(shí)時反饋，以便實(shí)時調(diào)整運(yùn)動處方內(nèi)容，使得到的運(yùn)動處方更加適合鍛煉者。

由于該設(shè)備并未設(shè)置疾病檢測功能，所以，只適用于需要維持體型、減肥及處于一些亞健康狀態(tài)的普通人群，制定的處方為健身性的運(yùn)動處方。

5 結(jié) 語

隨著時代的發(fā)展，人們的生活水平亦逐步提高，運(yùn)動處方作為預(yù)防疾病的方法，將出現(xiàn)在將信息技術(shù)與醫(yī)療技術(shù)相結(jié)合的醫(yī)療保健領(lǐng)域，滿足人們對于健康生活的關(guān)注以及鍛煉的需求[12]。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)合靶心率及鍛煉者的主觀疲勞分級反饋，其他更多相關(guān)因素的利用比如攝氧量、血氧量以及血乳酸等都屬于該設(shè)計(jì)的研究范圍，隨著測量方法的不斷發(fā)展，不斷改進(jìn)該系統(tǒng)的測量方案，并且結(jié)合更多相關(guān)因素以建立更好的數(shù)據(jù)處理方法來制定運(yùn)動處方，使系統(tǒng)得出的運(yùn)動處方更加適合鍛煉者，使鍛煉者能夠得到更加科學(xué)有效的鍛煉。

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