高?！瓣柟怏w育長跑教學(xué)活動”心率與速度同步實(shí)時監(jiān)控裝置

□傅蘭英 付 強(qiáng) 王培勇（.鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院運(yùn)動與健康研究所 河南 鄭州 459；.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院 河南 新鄉(xiāng) 4559；.清華大學(xué) 北京 00084）

近年來，高?！瓣柟怏w育長跑教學(xué)活動”中的受傷、甚至猝死的情況不斷出現(xiàn)，使人們對長跑活動的監(jiān)控、科學(xué)健身給予了高度重視。然而，高?！瓣柟怏w育長跑教學(xué)活動”的質(zhì)量監(jiān)控和運(yùn)動負(fù)荷監(jiān)測運(yùn)動負(fù)荷監(jiān)測體系尚未形成。雖然以往只在專業(yè)訓(xùn)練中使用的運(yùn)動負(fù)荷監(jiān)測方法逐漸在全民健身中得到運(yùn)用和普及，各種監(jiān)測手段不斷豐富，手環(huán)、心率表等監(jiān)測裝置不斷出現(xiàn)[1]，但這些監(jiān)控設(shè)備都只對個體進(jìn)行運(yùn)動負(fù)荷的自我監(jiān)測，且監(jiān)測指標(biāo)單一。而高校“陽光體育長跑教學(xué)活動”人數(shù)眾多，監(jiān)控環(huán)境復(fù)雜，需要對參加的眾多學(xué)生進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，單一的運(yùn)動負(fù)荷監(jiān)測裝置已無法勝任高校集群長跑監(jiān)測的需求。本研究從集群監(jiān)控的角度出發(fā)，通過短距離無線傳輸技術(shù)，不僅能監(jiān)測運(yùn)動心率，同時能監(jiān)測運(yùn)動速度、距離，并且可以進(jìn)行二者間的相關(guān)分析，實(shí)現(xiàn)了心率與運(yùn)動速度的實(shí)時檢測與數(shù)據(jù)發(fā)送，有效的解決了對高校長跑教學(xué)和眾多長跑鍛煉者進(jìn)行實(shí)時集群監(jiān)測、預(yù)警的問題。

1、運(yùn)動心率與速度監(jiān)測設(shè)備的構(gòu)成

系統(tǒng)以高校田徑場范圍內(nèi)的長跑監(jiān)控為目的，建立了一個局域網(wǎng)絡(luò)。基于POLAR心率傳感器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了長跑過程心率和速度的同步監(jiān)測；繼而通過無線中繼，達(dá)到了實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。這套微系統(tǒng)對于長跑過程的安全監(jiān)控、合理調(diào)配運(yùn)動量、控制運(yùn)動強(qiáng)度以及科學(xué)鍛煉具有較強(qiáng)的實(shí)用價值。

1.1、Polar心率傳感器的特點(diǎn)

目前國際上有很多公司在研究運(yùn)動過程中的心率采集，其中Polar公司就是其中最著名的一家。該公司有心率傳感器的成熟產(chǎn)品。這款心率傳感器主要有以下特點(diǎn)：（1）具有舒適、輕便、柔韌性好的彈性繃帶；（2）無線發(fā)射的信號采用編碼加密技術(shù)，使得信號在無線發(fā)射過程中的可靠性大為提高；（3）傳感器的電池可以更換，使用CR2032型號3伏鋰電池，平均工作使用壽命可達(dá)300個小時（平時處于睡眠狀態(tài)，耗電量極小，只有在工作狀態(tài)下才被激活）；（4）整體防水，可用于30m水下；（5）彈性繃帶部分可以卸下進(jìn)行清洗；（6）前端連接的鎖扣使得裝卸傳感器都比較容易；⑺價格優(yōu)勢。

正是由于Polar Wear Link傳感器在這些環(huán)節(jié)上的優(yōu)點(diǎn)，因此，在運(yùn)動心率采集和無線發(fā)射系統(tǒng)中采用它作為心率傳感器，這樣有效節(jié)省了開發(fā)時間，這種成熟的傳感器產(chǎn)品在使用中的一致性也比較好，保證后續(xù)的開發(fā)工作能夠順利進(jìn)行。

1.2、標(biāo)準(zhǔn)田徑場地與接收器的安放地點(diǎn)

按照田徑規(guī)則，標(biāo)準(zhǔn)田徑場地的內(nèi)道，也就是第一跑道，每圈長度為400米，分別由兩個直道和兩個彎道組成，也可以理解為由四個等分的100米組成。

心率傳感器佩戴在跑步者的身上，心率無線中繼需要自己設(shè)計(jì)，將四個心率無線中繼安放在直道與彎道的銜接點(diǎn)處，當(dāng)跑步者經(jīng)過每個無線中繼時，自動完成信息傳送。無線中繼將心率傳感器發(fā)送來的心率信號和當(dāng)前時間信息實(shí)時轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)端的PC計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，PC機(jī)通過心率、距離、時間三個主要參數(shù)實(shí)現(xiàn)對跑步者的實(shí)時監(jiān)控，并計(jì)算出當(dāng)前的運(yùn)動量、運(yùn)動負(fù)荷、運(yùn)動刺激強(qiáng)度、能量消耗、心臟血液輸出量、心率變異等多種指標(biāo)。

2、高?！瓣柟怏w育長跑教學(xué)活動”過程監(jiān)控相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)與工作原理

2.1、Polar心率傳感器無線信號傳送特點(diǎn)

Polar心率傳感器的功能是檢測心電信號并通過心電信號計(jì)量出R波的間期（兩個鄰近心電R波的時間），從而計(jì)算出對應(yīng)每分鐘的心率值，這個每分鐘心率值反映的是即刻心率值。用軟件濾波方法，對即刻心率數(shù)據(jù)序列進(jìn)行處理后獲得平均心率數(shù)據(jù)。

Polar心率傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送是通過無線方式進(jìn)行的，以NRF2401無線芯片為核心，工作于2.4GHz ISM頻段的射頻收發(fā)心率采集處理裝置。無線頻率范圍2400-2524MHz。

無線發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，在ShockBurstTM收發(fā)模式下，會自動的處理字頭和CRC校驗(yàn)編碼。在數(shù)據(jù)接收時，會把字頭和CRC校驗(yàn)碼自動移去。在數(shù)據(jù)發(fā)送時，會自動加上字頭和CRC校驗(yàn)編碼。

無線數(shù)據(jù)幀，每幀數(shù)據(jù)的有效字節(jié)有26個，在這26個字節(jié)中包含有兩個關(guān)鍵數(shù)據(jù)，8bit的即刻心率和8bit的平均心率信息。

芯片最高通信速率1Mbps，具有125個頻道，滿足跳頻通信和多點(diǎn)通信的需要。芯片軟件配置字120bit（15Byte）。配置字是通過軟件設(shè)置實(shí)現(xiàn)的，具有很大的靈活性。

在120bit的配置字中，bit7-bit1為通道選擇位，允許在125個頻道范圍內(nèi)進(jìn)行選擇其一，頻道間距1MHz。無線工作頻率的計(jì)算方法為：Channel Frequency=2400MHz+RF_CH#×1MHz。Bit0 是 RXEN選擇位：置1為無線接收數(shù)據(jù)模式；置0為無線數(shù)據(jù)發(fā)射模式。

POLAR心率傳感器的功率配置，為我們在測試心率數(shù)據(jù)的同時又能實(shí)現(xiàn)距離檢測的設(shè)想提供了實(shí)現(xiàn)的可能性，最佳的設(shè)置是讓跑步者在到達(dá)各個100米銜接點(diǎn)4米之內(nèi)時，接收裝置能夠撲捉到心率傳感器的數(shù)據(jù)幀。而跑步者在到達(dá)各個100米銜接點(diǎn)4米之外時，接收裝置與心率傳感器失聯(lián)。通俗的講，跑步者在到達(dá)100米銜接點(diǎn)時，會對放置在銜接點(diǎn)處的接收裝置（無線中繼）刷新，以表示自己在某一時刻經(jīng)過了此處。

2.2、用Polar心率傳感器同時實(shí)現(xiàn)測距的原理

如前所述，將四個心率無線中繼安放在直道與彎道的銜接點(diǎn)處（也是四個100米的銜接點(diǎn)處），當(dāng)跑步者經(jīng)過每個無線中繼時，中繼就會接收到心率傳感器發(fā)出的心率數(shù)據(jù)幀，同時中繼也就獲得了跑步者到達(dá)中繼的時間信息。從節(jié)電的角度出發(fā)，POLAR心率傳感器的無線發(fā)射功率設(shè)置在最低檔次，實(shí)際可靠傳送距離為3-4米，這樣，在中繼上獲得的時間延遲誤差會很小，足以滿足長跑監(jiān)控的要求。

2.3、心率傳感器的無線中繼和實(shí)時后續(xù)處理

需要說明的是對于中繼的功率設(shè)計(jì)要全面考慮，因?yàn)橹欣^是放置在田徑場內(nèi)的，多為電池供電。過大的無線發(fā)射功率是一個浪費(fèi)，無線發(fā)射功率過小，會導(dǎo)致后端PC計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)接收失敗。因此，中繼的發(fā)射功率要兼顧供電電源、中繼放置的高度、天線的性能，更重要的是中繼后續(xù)遠(yuǎn)端處理設(shè)備的距離，環(huán)境因素等等，進(jìn)行全面考慮。

目前，市場上以Nrf2401為核心的無線模塊種類很多，使用靈活。從通訊距離上區(qū)分，有10米到200米，甚至更遠(yuǎn)距離的模塊，這給使用者提供了較大的選擇性。有些模塊還固化有單片機(jī)或者留有計(jì)算機(jī)端口，可以直接使用。

微系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的后續(xù)處理可以使用一個筆記本電腦或者臺式PC計(jì)算機(jī)，接收到四個中繼發(fā)送的數(shù)據(jù)幀后，在屏幕上以數(shù)據(jù)和曲線方式顯示跑步者當(dāng)前的運(yùn)動狀況。包括即刻心率、平均心率、速度、距離等。如果建立一個數(shù)據(jù)庫，涵蓋年齡、性別、健康狀況、運(yùn)動能力等計(jì)算出能量消耗、縱向運(yùn)動能力對比、橫向運(yùn)動能力對比、有效心率控制范圍等與健康和運(yùn)動效果相關(guān)的多種參數(shù)。這樣，就可以實(shí)時優(yōu)化鍛煉計(jì)劃，達(dá)到安全監(jiān)控和科學(xué)鍛煉的目的。

3、心率與速度監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

3.1、實(shí)驗(yàn)對象

為驗(yàn)證系統(tǒng)的基本性能，我們招聘了8名本校在校學(xué)生自愿者為實(shí)驗(yàn)對象（其中男生6名，女生2名），對該系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用測試。同時使用“傳統(tǒng)的人工秒表計(jì)時”和研制成功的中長跑過程心率與運(yùn)動速度的同步實(shí)時監(jiān)控裝置進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)。

3.2、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

手動計(jì)時秒表4塊，長跑過程心率與運(yùn)動速度的同步實(shí)時監(jiān)控裝置一套，將四個無線中繼平均分布在400米田徑場第一跑道內(nèi)側(cè)場地上，200米起點(diǎn)處（B點(diǎn)）、200米中點(diǎn)處(C點(diǎn))、300米起點(diǎn)處（A點(diǎn)）、終點(diǎn)處（D點(diǎn)）各放一個，每個中繼間距100米。

3.3、實(shí)驗(yàn)方法

4名計(jì)時員分別站在每個中繼的相同位置。⑴人工秒表計(jì)時：發(fā)令員發(fā)令時，4名計(jì)時員同時開表。當(dāng)測試者到達(dá)每個100米計(jì)時位置時，該位置上的計(jì)時員記錄下當(dāng)時的成績。800米結(jié)束時，A記錄員記錄下測試者跑完100米、500米所用的成績，B記錄員記錄下測試者跑完200米、600米所用的成績，C記錄員記錄下測試者跑完300米、700米所用的成績，D記錄員記錄下測試者跑完400米、800米所用的成績。對8名測試者分別進(jìn)行測試，記錄下他們每個100米所用時間。⑵設(shè)備自動計(jì)時：根據(jù)Polar心率傳感器無線信號傳送特點(diǎn)，當(dāng)測試者佩戴心率傳感器到達(dá)中繼附近時，中繼就會接收到心率傳感器發(fā)出的每秒4幀的心率數(shù)據(jù)幀，同時中繼也獲得了跑步者到達(dá)中繼的即刻時間。當(dāng)測試者遠(yuǎn)離中繼3-4米時，心率傳感器超出了無線發(fā)射半徑的范圍，中繼無法接收到數(shù)據(jù)幀。因此當(dāng)測試者經(jīng)過中繼時，中繼會傳送1到幾個數(shù)據(jù)幀給后端的PC計(jì)算機(jī)。為了實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)一性和準(zhǔn)確性，我們在多個數(shù)據(jù)中選取當(dāng)跑步者經(jīng)過每個中繼時中繼接收的最后一個數(shù)據(jù)為設(shè)備計(jì)時成績。將數(shù)據(jù)整理，得到兩種測試方法的計(jì)時結(jié)果。

4、結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)得知，設(shè)備計(jì)時和人工秒表計(jì)時有一定的延遲。分別以男2和女1為例，以秒表計(jì)時的成績?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)，將得到的設(shè)備計(jì)時結(jié)果與人工秒表計(jì)時結(jié)果相減，得到男2兩種計(jì)時方法間的差值和女1兩種計(jì)時方法間的差值。而男2和女1每100米的人工秒表計(jì)時和設(shè)備計(jì)時的差值均在0-0.25秒內(nèi)。根據(jù)心率傳感器每秒傳送4次數(shù)據(jù)幀的特點(diǎn)，中繼每0.25秒接收1幀數(shù)據(jù)，差值在0.25秒以內(nèi)符合數(shù)據(jù)傳送的特點(diǎn)，因此可以認(rèn)為，設(shè)備的計(jì)時精度滿足長跑監(jiān)控的需要。

5、結(jié)語

實(shí)踐證明，高?！瓣柟怏w育長跑教學(xué)活動”是一項(xiàng)能有效促進(jìn)大學(xué)生身心健康的活動。但是，要使每一位個體都達(dá)到有效的運(yùn)動效果，科學(xué)運(yùn)動是一個重要的環(huán)節(jié)，運(yùn)動量過小，達(dá)不到合理有效的運(yùn)動刺激強(qiáng)度，而過量的刺激則有可能損傷機(jī)體?？茖W(xué)的、合理有效的長跑體育活動，是我們追求的目的。因此，用心率實(shí)時監(jiān)控長跑者的運(yùn)動負(fù)荷，用速度、距離實(shí)時監(jiān)控中長跑這的運(yùn)動軌跡，對長跑者的運(yùn)動過程進(jìn)行全方位的在線科學(xué)指導(dǎo)和安全監(jiān)控尤為重要。

本研究從集群監(jiān)控與指導(dǎo)的角度出發(fā)，基于微系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用層面，針對POLAR心率傳感器無線信號傳送的特點(diǎn)、同步實(shí)現(xiàn)了對長跑運(yùn)動者的測速、測距；對心率傳感器的無線中繼和實(shí)時后續(xù)處理諸方面進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了長跑過程心率和速度的同步監(jiān)測并通過無線中繼，達(dá)到了實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。應(yīng)用實(shí)驗(yàn)表明，這套微系統(tǒng)方法簡單、設(shè)計(jì)合理，可以滿足長跑鍛煉的要求。對于長跑過程的安全監(jiān)控、合理調(diào)配運(yùn)動量、控制運(yùn)動強(qiáng)度以及科學(xué)鍛煉具有較強(qiáng)的實(shí)用價值，為高?！瓣柟怏w育長跑教學(xué)活動”提供了有效的參考依據(jù)。