可穿戴式運(yùn)動(dòng)健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研制

簡(jiǎn)婧 彭嵐 付偉 葉儷瑋 葛雨

摘 要：當(dāng)今社會(huì)，亞健康已經(jīng)成為越來(lái)越多人群的狀態(tài)。為保障運(yùn)動(dòng)安全，需要使用一定的方法對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行安全保障?？纱┐鬟\(yùn)動(dòng)健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)利用51單片機(jī)，對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行控制；結(jié)合多種傳感器，對(duì)身體體征進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控；配有LED夜間提示，使夜間活動(dòng)這一方式更為安全便捷；總體裝置采用魔術(shù)貼對(duì)其實(shí)現(xiàn)可拆卸，實(shí)現(xiàn)衣服可清洗、多種多樣風(fēng)格任意切換。綜合提高運(yùn)動(dòng)者的運(yùn)動(dòng)健康。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)；安全；便捷

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

現(xiàn)今，中國(guó)亞健康人數(shù)已達(dá)到76%。運(yùn)動(dòng)時(shí)頻發(fā)問(wèn)題，該不該運(yùn)動(dòng)、應(yīng)如何保障運(yùn)動(dòng)安全已逐漸成為熱門問(wèn)題。

1 產(chǎn)品概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的人加入到戶外運(yùn)動(dòng)的行列，在戶外運(yùn)動(dòng)中如何有效地保障運(yùn)動(dòng)者安全這一問(wèn)題日益凸顯?，F(xiàn)今運(yùn)動(dòng)發(fā)生危險(xiǎn)狀況頻發(fā)，如：馬拉松猝死、夜行橫遭危險(xiǎn)等。因此在未來(lái)可穿戴式健康監(jiān)護(hù)產(chǎn)品將成為主流發(fā)展趨勢(shì)。本項(xiàng)目利用魔術(shù)貼使其可拆卸易攜帶，結(jié)合心率監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、摔倒提醒、GPS定位、LED提示等功能，提高運(yùn)動(dòng)的安全性，保護(hù)運(yùn)動(dòng)人員的身體健康。衣服背后的LED燈可以有效地提醒運(yùn)動(dòng)人員后方車輛與行人并增加趣味性，并且隨心率改變變換顏色。以此實(shí)現(xiàn)及時(shí)提醒運(yùn)動(dòng)者修正運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。

2 設(shè)計(jì)方案

整體系統(tǒng)如圖1所示，下文對(duì)其進(jìn)行細(xì)節(jié)描述：

（1）檢測(cè)跌倒。采用MPU6050測(cè)量使用者跑步的步數(shù)以及檢測(cè)使用者在使用過(guò)程中是否因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)及其身體原因發(fā)生跌倒甚至?xí)灥?。跌倒后，使用者自身的姿?shì)將由直立變?yōu)榕P躺。此時(shí)，MPU6050的三軸姿態(tài)解算將解算出臥躺時(shí)的航向角、俯仰角、橫滾角。顯然，此時(shí)的3個(gè)角度數(shù)值與站立時(shí)是不一樣的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以在程序中設(shè)定一個(gè)跌倒閾值，當(dāng)3個(gè)角度的某一角度或者三者的計(jì)算結(jié)果低于該值一定時(shí)長(zhǎng)（比如10s），便可認(rèn)定使用者已經(jīng)跌倒。然后將結(jié)果傳送至手機(jī)APP，再由其設(shè)定條件及程序做出下一步的運(yùn)行情況。

（2）檢測(cè)心率。心率可以反映使用者心跳的次數(shù)。當(dāng)一個(gè)人在運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于人體消耗做功增加，需要的氧氣量也隨之增加。所以作為動(dòng)力泵的心臟跳動(dòng)次數(shù)也隨之增加。而人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，只有在合理的范圍內(nèi)增加心臟的“負(fù)擔(dān)”才能更健康的鍛煉身體。心率檢測(cè)采用云電高科的MK0703智能穿戴脈搏波心率測(cè)試模塊。因其具有體積小巧、超低功耗、內(nèi)置心率算法以及輸出串口信號(hào)等優(yōu)勢(shì)，所以能很快地將使用者心率傳輸至MCU。再由設(shè)定的年齡、性別以及健康運(yùn)動(dòng)時(shí)的心率數(shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。判斷使用者是否處于合理的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。運(yùn)動(dòng)者可以根據(jù)“有效心率區(qū)”來(lái)控制自己的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷，選好了最大心率計(jì)算公式后得到一個(gè)初始最大心率，運(yùn)動(dòng)者按照這個(gè)最大心率劃分的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷等級(jí)開(kāi)始訓(xùn)練，并根據(jù)主觀體力感覺(jué)調(diào)整最大心率，每次調(diào)整可以加減5。本文選取的最大心率計(jì)算公式，見(jiàn)表1。

（3）LED提示。夜間視線不佳，本LED以向左向右箭頭提醒后方人群，并且能夠隨心率的改變而進(jìn)行相應(yīng)的變色，對(duì)后方行人更有警示作用。綜合色彩可變化，亮度強(qiáng)等因素，采用WS2812LED進(jìn)行夜間提示，其功耗小且輕便小巧，綜合性價(jià)高。

（4）環(huán)境溫度濕度檢測(cè)。溫濕度采用DHT11傳感器進(jìn)行檢測(cè)使用者后背的體表溫度以及濕度。用MCU控制檢測(cè)的時(shí)長(zhǎng)間隔。每隔10s進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)MCU判斷使用者體表溫濕度是否合乎使用者繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的條件后，在將結(jié)果及處理結(jié)果通過(guò)藍(lán)牙傳輸至手機(jī)APP中進(jìn)行顯示及提示。這樣能夠讓使用者及時(shí)地了解自身運(yùn)動(dòng)地出汗及體溫情況然后合理安排運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。

（5）智能終端接收APP。目前市場(chǎng)上的智能手機(jī)都內(nèi)置藍(lán)牙通信模塊。當(dāng)手機(jī)作為藍(lán)牙接受的終端時(shí)，通過(guò)手機(jī)應(yīng)用程序可以調(diào)用內(nèi)嵌的藍(lán)牙通信模塊。按規(guī)定通信協(xié)議接受數(shù)據(jù)并保存在緩存中，從而把接收到的心率，大氣壓，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)值。這些數(shù)值以數(shù)據(jù)流的方式顯示，并且實(shí)時(shí)保存記錄便于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)狀況。安卓智能終端實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)并判斷是否發(fā)生嚴(yán)重跌倒的情況。若發(fā)生該情況，手機(jī)調(diào)用內(nèi)嵌的GPS導(dǎo)航定位模塊，將用戶當(dāng)前的地理位置通過(guò)短信消息傳到特定聯(lián)系人，從而通知其前來(lái)救助。

3 可行性分析及性能優(yōu)勢(shì)

近年來(lái)我國(guó)戶外運(yùn)動(dòng)安全事件頻發(fā)，黑暗中夜跑被誤撞，慢跑跌倒猝死，獨(dú)自運(yùn)動(dòng)受傷無(wú)法得到及時(shí)治療等等?，F(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)外有很多的戶外運(yùn)動(dòng)設(shè)備，但它們主要功能是記步及簡(jiǎn)單的定位求助功能，并不具備通信救助及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)環(huán)境及運(yùn)動(dòng)者和環(huán)境的交互功能。同期很多公司研發(fā)的運(yùn)動(dòng)式手環(huán)能夠計(jì)量步數(shù)卻極易受晃動(dòng)影響導(dǎo)致數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)，功能較為單一，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的信息交互，存在很大改善空間。根據(jù)調(diào)查了解，國(guó)際上也有很多相似的課題正在推進(jìn)中，從信息交互、提供準(zhǔn)確性、功能完備等多個(gè)角度入手 ，其便攜性和靈活性不好，且測(cè)量結(jié)果有一定誤差，價(jià)格高昂?？梢?jiàn)我們的項(xiàng)目能與國(guó)際接軌，具有一定的研究?jī)r(jià)值。值得肯定的是，未來(lái)這類產(chǎn)品將不斷發(fā)展，并且將改善人們的健康保障。針對(duì)現(xiàn)在的缺點(diǎn)，我們的項(xiàng)目將技術(shù)更進(jìn)一步的引入現(xiàn)有的健康監(jiān)護(hù)設(shè)備：美觀便捷靈活；準(zhǔn)確性較高；加入夜跑指示方向功能；及時(shí)性好，可實(shí)現(xiàn)用戶信息實(shí)時(shí)交互；應(yīng)用人群廣綜合性強(qiáng)。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）戶外運(yùn)動(dòng)中引入智能穿戴設(shè)備，對(duì)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（心率、氣壓等）進(jìn)行自動(dòng)化分析管理，無(wú)須人工計(jì)算。各指標(biāo)可衡量運(yùn)動(dòng)者的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，有利于自身健身計(jì)劃的完善與提高。（2）對(duì)運(yùn)動(dòng)者進(jìn)行定位實(shí)時(shí)交互，及時(shí)更新數(shù)據(jù)。在心率異常時(shí)可進(jìn)行預(yù)警，實(shí)時(shí)通知運(yùn)動(dòng)者注意安全。若意外發(fā)生則可通過(guò)藍(lán)牙連接手機(jī)APP及時(shí)通知家人朋友。應(yīng)用人群廣，綜合性強(qiáng)，是在傳統(tǒng)計(jì)步測(cè)速等基礎(chǔ)功能上的一次突破。（3）對(duì)于運(yùn)動(dòng)者而言，該產(chǎn)品可拆卸可清洗，外表美觀，增加了顧客采購(gòu)的自主性和娛樂(lè)性，提高了人們的生活質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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