服務于大學生科學體育鍛煉的可穿戴系統設計

張曉萍，盧三妹，王躍亭，李瑋琪

（1. 華南農業大學體育部，廣東 廣州 510642；2.華南農業大學電子工程學院，廣東 廣州 510642）

合理的運動量是科學體育鍛煉的重要組成部分；過度運動將造成器官、內臟等損耗，對運動者造成不可逆的傷害；欠量運動則達不到運動效果，使得運動員運動效率低下。因此，科學體育鍛煉需要監測運動量，并依此制訂合理的運動規劃。

運動量監測方式主要包括光學動作捕捉以及加速度計測量等方式。其中，光學動作捕捉利用高速攝像機記錄鍛煉過程，經過軟件解析，最終將詳盡的數據結果反饋給運動者。但因光學動作捕捉所需的高速相機、配套設備等價格昂貴、體積較大，在實際應用過程中存在攜帶不便、使用受限等問題，其推廣、應用存在較多困難。

方便佩戴、科學記錄等是體育鍛煉過程運動量監測所要的關注的問題。隨著電子信息技術的發展，芯片體積的不斷變小、傳感器數據采集多樣化、計算速率的不斷提升等，可穿戴式運動量監測設備逐漸走入到人們的視野。現階段，可穿戴設備多以監測步數、睡眠時長為主要監測功能。本文則面向大學生體育鍛煉，設計了一種服務于大學生科學體育鍛煉的可穿戴系統，助力大學生科學體育鍛煉。

1 系統設計

服務于大學生科學體育鍛煉的可穿戴系統主要由運動手環、手機（App）和云服務器3部分組成。運動手環主要用于檢測人體手臂揮動姿態和心率等數據，并采用藍牙無線通信方式實時上傳至短距離綁定的手機；手機App根據運動手環采集的數據，識別各項體育鍛煉的基本肢體動作，推算各項肢體動作對應的能量消耗，并實時顯示；用戶可以設定將手機App輸入的原始信息和推算信息通過3G/4G通信方式上傳至云服務器，實現云存儲和遠程客戶端訪問，如圖1所示。

圖1 系統框架圖

2 運動手環設計

運動手環主要由脈搏心率傳感模塊、慣性傳感模塊、藍牙通信單片機和電源組成。電源直接采用鋰電池供電，經過LDO模塊輸出穩定的電壓給慣性傳感模塊供電，如圖2所示。

圖2 運動手環框圖和PCB板

2.1 嵌入式及通信模塊

為適應實際應用需求，系統選用TI公司的CC2541芯片作為主控芯片。芯片具有高性價比、功耗低等特點，同時支持低功耗、外設擴展等，是目前應用較廣的藍牙片上系統（SOC）。CC2541的BLE協議棧將使其適用于低功耗應用，對可穿戴設備的實現提供了便利；快速連接功能將大大地縮短時間成本。

2.2 脈搏心率傳感模塊

脈搏心率測量模塊用于獲取運動者實時運動脈搏、心率等信息，本文設計的脈搏心率測量模塊利用實現簡單、結果可靠的光電容積法（photoplethysmography，PPG）進行測量，其框圖如圖3所示。目前PPG脈搏心率測量主要有反射和投射兩種模式，透射觸點壓力較大、信噪比較高，不適于可穿戴實際應用場景。對此，本文利用PPG反射模式，同時采用濾波電路提高信號的信噪比，保證信號質量。

為能夠穿透皮膚、脂肪、肌肉、血管壁等組織，同時不對人體細胞等造成損傷，脈搏心率模塊選用波長為650nm的綠光LED作為光源。但通常光敏元件輸出的電流很低，通過光電轉換得到的包含脈搏信息的電信號比較微弱，容易受到外界電磁信號的干擾。為此，模塊選用帶有外界電磁信號抑制的Avago公司的ADPS-9008作為光敏器件。

實際應用過程中，脈搏信號的頻帶一般在0.05～200Hz之間，信號幅度均很小，屬于毫伏級水平；同時，測量心率也是在運動中進行的，感受器傳遞過來的信號干擾比較大。為獲取穩定、可靠脈搏心率信息，本文采用RC低通濾波器對ADPS-9008輸出的信號進行濾波，并采用運放MCP6001將信號放大331倍后，傳輸至嵌入式單片機進行AD轉換。

2.3 慣性傳感模塊

本文采用整合性6軸運動MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）IMU傳感器模塊MPU6050采集手臂角度、速度和加速度等運動姿態數據。模塊MPU6050工作電壓寬為3.3～5V，功耗低，工作電流小于10mA，非常適合與可穿戴設計。MPU6050模塊量程寬，加速度為±16g，角速度為±2 000°/s，角度為 ±180°；精度高，加速度為 0.001g，角速度為 0.02°/s，角度的0.01°，滿足體育運動時手臂加速度、速度和角度等姿態的檢測要求。MPU6050模塊通過IIC接口與嵌入式單片機通信，最高傳輸頻率可達400kHz。

圖3 脈搏心率測量框圖

3 實驗及分析

運動熱身是將身體從靜止狀態快速切換到運動狀態的最好方式，常見的熱身方式有慢跑、準備活動等。為了了解大學生進行體育鍛煉前的熱身效果，選定20歲在校大三男生作為被測者，在標準400m跑道上進行1000m長跑測試。測試時，被測者手腕處運動監測手環，隨身攜帶移動智能設備，實際佩戴圖如圖4所示，實驗結果如圖5所示。

圖4 運動監測手環佩戴圖

圖5 長跑熱身運動心率圖

由圖5可知，被測者由靜止狀態切換至運動狀態，其運動強度迅速增大，心率在短暫延時之后升高；被測者進入勻速跑階段，運動強度維持穩定，心率略有降低、波動，但范圍較小；跑步過程中被測者加速，其運動強度增加，心率升高。跑步結束后，被測者心率比跑步前高，且維持穩定。

綜合測試記錄，系統能夠反映：（1）被測者的運動心率會跟隨運動強度大小對應變化，但其變化并非為瞬時變化，且此變化延時會隨運動強度的變化而變化；（2）被測者由靜止進入運動、運動切換為平穩狀態時，其心率變化較大；運動后心率比運動前心率平均水平高。

4 結 語

本文設計了一種由運動手環、手機App和云服務器組成的服務于大學生科學鍛煉的可穿戴系統，設計充分體現了多學科交叉與融合的特點，既涉及網絡通信、數據采集等計算機技術，又涉及體育健康、運動人體科學等方面。系統對服務于大學生科學鍛煉具有較高的實際應用價值和拓展性。本文開展了長跑運動的姿態采集與心率采集實驗，后續需要進一步拓展到別的體育項目，為進一步構建準確的大學生體育鍛煉運動能量消耗模型提供基礎數據。