基于心率血氧模糊控制的智能跑步機研究

岳海峰 劉胤池 錢妮妮 隋修武

摘 要：本文設計了一款基于心率血氧模糊控制的智能跑步機。與傳統跑步機相比，該跑步機使用Android平臺和人機交互界面與微處理器進行數據交互，具有更好的普遍適用性與個人運動信息反饋功能。

關鍵詞：智能跑步機;模糊控制算法;心率-血氧飽和度

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）28-0042-03

Research on Intelligent Treadmill Based on Fuzzy Control

of Heart Rate and Blood Oxygen

YUE Haifeng1 LIU Yinchi2 QIAN Nini1 SUI Xiuwu1

（1.School of Mechanical Engineering， Tianjin Polytechnic University，Tianjin? 300387;2.School of Electronics and Information Engineering， Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387）

Abstract： This paper designed an intelligent treadmill based on fuzzy control of heart rate and blood oxygen. Compared with the traditional treadmill， the treadmill used Android platform and human-computer interface to interact with microprocessor， which had better universal applicability and personal motion information feedback function.

Keywords： intelligent treadmill;fuzzy control algorithm;heart rate-blood oxygen saturation

1 研究背景

1.1 國內外跑步機研究現狀

隨著中國經濟的不斷發展以及人民物質生活水平的日益提高，人民群眾對自身的健康狀況也愈加關注，尤其是伴隨著不可逆轉的人口老齡化趨勢，健康問題正成為一個社會持續關注的問題，人們對于運動器材尤其是跑步機的需求也越來越高。目前，人們普遍使用的是電動跑步機，這類跑步機以電能為動力，通過驅動電機以帶傳動的方式帶動底架上滾筒的轉動。鍛煉者以與跑步帶大小相等、方向相反的速度在跑步帶上運動，由于其速度一定且突發狀況下不易調節，給用戶的安全埋下了隱患。針對這些問題，智能跑步機已經成為各國研究的重點[1]。

1.2 當前電動跑步機存在的問題

①操作性：手動進行運動模式和速度切換，存在操作僵硬、不夠靈活的問題[2]。

②舒適性：用戶基于主觀感知后進行速度調節，鍛煉時的舒適性差。

③安全性：運動負荷較大時，存在一定程度的安全隱患，難以確保心肺功能脆弱的用戶在使用跑步機時的安全性。

④高效性：缺乏對運動過程中生理參數的檢測與反饋，不能保證用戶運動過程中的高效性。

1.3 課題研究的目的及意義

本課題創新了其閉環的控制方式，首先在手機端為不同用戶設定合適的目標心率和臨界血氧飽和度，通過用戶運動過程中心率血氧的變化對跑步機的運行速度進行自動調節，區別于其他跑步機運動時視覺反饋后的手動調速，使用戶在運動過程中能維持正常的生理體征，很大程度上提高了跑步的舒適性和安全性。此外，跑步機與手機端相結合，能直觀有效地了解到用戶自身的運動健身狀況，進而可以有針對性地為用戶設計運動目標和計劃。

2 跑步機總體系統設計

2.1 總體技術概括

研究表明，在一定運動速度范圍內，運動時的心率和血氧濃度與運動速度呈現不完全的線性關系。基于此，本課題提出將模糊控制算法應用于跑步機的速度調節中，并針對不同用戶在運動全過程中的血氧濃度進行實時采樣檢測反饋給微處理器，確保血氧濃度處于正常范圍，提高用戶運動中的舒適性。

本課題對跑步機的研究優化主要包括：心率血氧的采集及處理;運動過程中速度的自我調節;多種控制方式，如實體按鍵、觸摸屏幕及APP遠程控制。

基于上述需求，本課題將從五個方面實現，分別是Android應用平臺、心率血氧采集模塊、微處理器控制板、人機交互界面以及跑步機動力系統[3]。總體技術路線如圖1所示。

2.2 Android應用平臺

本課題所設計的Android終端基于JAVA語言。此APP主要有三個線程：其一是根據用戶輸入的性別、年齡、身高、體重等信息設計不同的訓練方式并根據實際運動情況進行調整[4];其二是將用戶參數與預先置入的理想生理參數進行匹配，通過藍牙傳回微處理器控制板;其三是將一段時間內從微處理器控制板傳回的心率和血氧濃度值繪制成曲線（如圖2所示）。

2.3 心率血氧采集模塊設計

心率血氧采集模塊的核心傳感器為MAX30102，它是一個集成的脈搏血氧儀和心率監測儀生物傳感器的模塊[5]。如圖3所示，傳感器本身具有完整的發光LED及驅動部分、光感應和AD轉換部分、環境光干擾消除及數字濾波部分。

考慮到本課題中的數據精度和體積需求，結合目前流行的智能手環測量心率的方法，研究者對市面上已有模塊進行了優化。在其硬件電路中加入儀表放大和模擬濾波等信號調理電路，并在模塊的布局布線中采用雙面布件，大大提高了信號精度，減小了模塊體積。

數據傳輸方式上，研究者沿用了市面上的已有設計，采用I2C串行通信接口與微處理器進行數據傳輸，通過微處理器的模擬I2C接口來讀取MAX30102傳感器自身的FIFO，就可以獲取轉換后的光強度數值。

2.4 模糊控制器設計

2.4.1 主控板設計。課題中選用STM32F103作為主控芯片。該芯片擁有廣闊的資源，其中包括64KB SRAM、512KB FLASH、3個SPI、2個I2C、5個串口等，符合本課題對于通信接口以及通信速度方面的要求?？紤]到本課題的應用場景，研究者采用傳統的USB供電方式作為主控板的供電來源，并在PCB設計中預留出各個模塊所需接口。STM32主控板除了進行光強度數值與心率和血氧飽和值的轉換之外，還在模糊控制算法中充當著模糊控制器的角色，可對所采集到的心率值進行模糊算法處理，從而得到速度調節信號。

2.4.2 模糊控制算法。模糊控制算法是以模糊集合理論、模糊語言及模糊邏輯為基礎的控制，它是模糊數學在控制系統中的應用，是一種非線性智能控制，通常用于無法以嚴密的數學表示的控制對象模型。一個完整的模糊控制算法主要包括輸入變量、模糊控制器和輸出變量。模糊控制器的結構如圖4所示。

本課題中的控制對象為電機速度，因而本課題中將跑步機速度作為模糊控制器的輸出量，調速系數[y跑步機的速度∈Y=0，12]，將心率的預測值與實際采樣值的誤差作為模糊控制器的主要參考輸入量，其中[y心率誤差∈X1=[-90，90]]。

假設[y心率]所對應模糊論域[A]的取值范圍與物理論域[X1]一致，選取7個模糊子集，所對應的語言為{NB，NM，NS，0，PS，PB，PB}。其隸屬函數選用三角函數。

假設[y跑步機的速度]所對應的模糊論域[C]的取值范圍與物理論域[Y]一致，選用5個模糊子集，所對應的語言值為{VS，S，M，B，VB}，其隸屬函數選用三角函數，最后對模糊推理的結果采用最大隸屬度法去模糊化（F/D），去模糊化后的變量是清晰值，其取值范圍由模糊推理得到的所有模糊子集確定。

2.5 人機交互界面設計

人機交互界面同Android端應用功能類似，主要完成信息管理與傳輸、實時運動狀況顯示等功能，與之不同的是，人機交互界面直接搭載在跑步機機身上，并與微控制器端口直接相連，方便用戶在運動過程中實時掌握運動情況，是連接用戶和跑步機的橋梁。考慮到屏幕大小、簡潔性及通信速度，本課題選用EZUIH的電阻觸摸屏。心率血氧采集模塊將所采集到的數據傳入微控制器，由微控制器對心率、血氧飽和度及運行速度的數據進行處理，通過串口將處理過的數據傳遞給人機交互界面呈現給用戶，用戶在運動時可以通過界面上所顯示的數據了解自己的生理參數。

2.6 跑步機動力系統設計

跑步機動力系統設計的核心是實現跑步帶轉動速度調節。該系統主要由電機驅動板和直流電機組成。在本課題中，研究者通過實時測量用戶運動過程中的心率和血氧飽和度，運用模糊控制算法后得出電機控制信號并將其傳送給電機驅動板，由其對電機進行加減速控制[6]。

鑒于直流電機具有維護周期較長、噪聲小、輸出穩定等特點，且在傳統跑步機上已有應用并未出現安全隱患，考慮到本課題的研究特點，也選用無刷直流電機帶動傳送帶。

3 結論

本課題提出了一種能在Android平臺和人機交互界面實現的心率血氧飽和度-速度關系的跑步機速度調控方法。與傳統跑步機相比，使用Android平臺和人機交互界面與微處理器進行數據交互，具有更好的普遍適用性與個人運動信息反饋功能。同時，本課題引入了模糊控制算法，根據運動過程中的心率和血氧飽和度變化，有效地對跑步機速度進行調控，使用戶在運動過程中保持良好的生理體征，大大提高了系統的安全性。

參考文獻：

[1]朱梁.健康監測跑步機的研發[D].杭州：浙江理工大學，2013.

[2]曹新星.智能型數字化跑步機控制系統的研究[D].杭州：浙江大學，2011.

[3]汪文博.基于Android跑步機運動處方系統的設計與實現[D].南昌：南昌大學，2018.

[4]李永斌.可穿戴式智能血氧運動指環設計與研究[D].廣州：華南理工大學，2015.

[5]黃偉榮.可穿戴式健康參數監測方法與系統設計[D].西安：西安理工大學，2018.

[6]賈劍平，汪文博，劉國平.基于線性回歸的跑步機強度控制方法[J].南昌大學學報（工科版），2019（1）：76-79，84.