体育锻炼中心率传感器无线中继设计*

张新贵, 王培勇, 傅兰英

(1.清华大学 体育部，北京 100084； 2.新乡医学院 体育部，河南 新乡453003；3.新乡医学院 三全学院 体育部，河南 新乡453003)

体育锻炼中心率传感器无线中继设计*

张新贵1, 王培勇1, 傅兰英2,3

(1.清华大学 体育部，北京 100084； 2.新乡医学院 体育部，河南 新乡453003；3.新乡医学院 三全学院 体育部，河南 新乡453003)

心脏是人体重要的器官之一，心脏的功能直接决定了人体全身的血、氧供应，已成为运动医学中最值得研究的器官。心率在体育运动、康复保健方面是确定运动强度的重要依据。而心率传感器是准确获取心率信号的前端关键部件。针对模拟和数字两种心率传感器无线信号传送距离短的状况，结合体育运动的实际需求，重点研究了数字心率传感器无线中继装置的工作原理，设计了针对Polar数字心率传感器的无线中继装置，为后续远端无线心率实时处理提供了硬件平台。

心率传感器； 无线中继； 无线传输

0 引 言

为了进一步研究心跳间期有节律的波动，人们定义了一系列的名词。医学中，将每分钟心脏的搏动次数称为心率，心率的波动变化称作心率变异性。心率变异性往往与人们的很多生理状态有关，可用于对人体体力、精神负荷的评价，心脏植物神经活动评定[1]，在运动医学方面的研究和应用还刚刚起步。副交感神经对心率的作用是导致心率减慢，传导减慢等抑制性效应，交感神经对心率的影响是由释放去甲肾上腺素所调节的。在安静状态下，迷走神经兴奋占优势，心率减慢，心率的变化主要受到迷走神经调节。而在运动、情绪紧张、疼痛等情况下，交感神经兴奋占优势，心脏窦房结自律性增快，传导加强，心率增快[2]。因此，心率是观察心脏功能的一个重要参数。

心率在体育运动、康复保健中同样具有重要意义，它是确定运动强度的重要依据[3],且通过心率还可以间接得到人体的最大摄氧量[4]。在实践中，通过测得的人体最大心率也可以确定运动时的心率，如美国运动医学会(ACSM)建议制定运动处方确定运动强度；也有结合安静时心率(HR rest)和心率储备(heart rate reserve，HRR,即最大心率和安静心率之差)来推算的，如荷兰的Karvonen认为在用持续训练法发展有氧耐力时应当选用的心率为：安静心率+(最高心率-安静心率)×60 %[5]。

由于心率在反映心脏功能中的重要作用，运用心率可控制运动强度，提高锻炼效果，目前已出现了多种心率传感器[6～8]。本文针对心率传感器的应用，设计了心率传感器无线中继装置，为远端无线心率实时采集与处理提供了平台。

1 无线心率传感器

目前，国际上有很多研究部门在研究运动中的心率采集传感器，Polar公司就是其中最著名的一家。Polar心率传感器的电极采用柔性导电的纺织物构成，传感器安置在胸廓外侧，运动中和胸部成为一体，减少了肢体运动对信号提取的干扰。同时，该传感器还具有体积小，功耗低和无线传输等特点。图1是柔性导电的纺织物构成的心率传感器外形[5,6,9]。

图1 柔性导电的纺织物构成的心率传感器外形Fig 1 Shape of heart rate sensor made of flexible electric textile

为了适应不同领域和场合的需要，心率传感器的无线信号输出分为模拟型、数字型、模拟+数字型三类。其中,模拟心率无线信号的发射频段为5 kHz，数字心率无线信号的发射频段为2.4 GHz。考虑到低耗电量和便携的特殊要求，模拟型心率传感器的无线信号有效接收距离设定为0.8 m，数字型心率传感器的有效接收距离设定为3 m(理论值为10 m)。通常，Polar公司默认的配套接收装置是心率表，将手表带在手腕上，就能接收到心率传感器发出的心率信号，见图2。

图2 Polar无线心率传感器和心率表接收器Fig 2 Polar wireless heart rate sensor and heart rate meter receiver

由于发射距离有限，教练员、教师、医生很难对运动者进行实时监控，Polar公司曾做过这方面的努力，推出团队系统，支持10人同时测试，但是价格昂贵，可移植性差，且不便于推广。本文提出的在体育运动中开发心率传感器无线中继解决了这一难题，并以很低的成本拓展了无线发射距离，同时实现了心率数据的透明化。在远端计算机上随时可以获得运动者的当前心率，每秒4次数据更新，完全覆盖每分钟240次的心率上限。

图3所示，整个无线运动心率采集系统由心率传感器、无线信号中继、远程无线信号接收器、笔记本电脑端软件部分构成。远程无线信号接收器接收到率数值后通过USB接口发送到笔记本电脑，笔记本电脑将心率信号以曲线的形式显示出来。最后计算机对训练数据进行存储、回放和分析等操作，并提供友好的人机界面[8～13]。

图3 无线运动心率采集系统整体结构框图Fig 3 Overall structure block diagram of wireless exercise heart rate acquisition system

2 心率传感器的无线中继

Polar模拟心率传感器和数字化心率传感器的无线发送有效半径分别是0.8 m和3 m，多数情况下，都需要远距离的记录和监控，延伸这一发射半径的办法是增加一个心率传感器的无线中继装置，即是无线心率信号接续转发器，将无线信号从中继点接力传递到150 m甚至更远的距离，最终达到延伸无线网络覆盖范围的目的。其原理框见图4。

图4 心率传感器的无线中继原理框图Fig 4 Principle block diagram of wireless relay of heart rate sensor

从原理框图可以看出，心率传感器的无线中继主要由三个部分组成:8051单片机模块、nRF2401无线收发模块和功率增强模块[14～16]。

8051 单片机模块主要是完成对nRF2401无线收发芯片内部寄存器的功能设置和数据帧识别，为了减小体积，可以使用16脚SOP封装的STC单片机，该单片机内置有RESET电路和晶体振荡器，在小体积下还能兼顾单片机自身工作的稳定性。8051单片机模块的软件系统用汇编语言编程，有效解决了程序的实时与高效两个环节。

nRF2401无线收发模块由nRF2401芯片为核心组成，nRF2401是由NORDIC公司推出的一种带有2.4 GHz无线收发器的无线收发芯片，是一种集无线数据接收和发送于一体, 并可对数据进行处理的片上系统(system on a chip，SoC) ，这使得nRF2401的应用系统更为简化, 并且大大增强了无线系统的稳定性和可靠性，该器件有125个频点，能够实现点对点、点对多点的无线通信，同时可采用改频和跳频来避免干扰。nRF2401的最大传输速率可达1 Mbit/s，室外传输距离最大可达30～60 m。

为了达到覆盖整个标准田径场地的目的，在nRF2401发射电路后端增加了一级功率增强模块，通过提高发射功率接续转发到有效接收150 m以外的距离。达到了无线中继的目的。这样，在半径为150 m的范围内，可以有效地接收到无线心率传感器发送的心率信号。

本文提出的心率传感器的无线中继装置外观，如图5。

图5 自制的心率传感器的无线中继装置外观Fig 5 Appearance of wireless relay device of self-made heart rate sensor

无线中继装置弥补了无线心率传感器信号发射距离近的不足，既保持了无线心率传感器的便携和低耗电量的特殊要求，同时又实现了远程数据记录。另外，在保持现有无线中继装置功能不变的情况下，心率传感器无线中继装置的体积还有进一步缩小的空间，达到火柴盒大小是有可能的。

nRF24E1是在nRF2401基础上增加了内置增强型8051内核的无线收发芯片。适用于各种无线设备的短距离互连应用场合，该器件工作电压为1.9～3.3 V，工作温度范围为-40～+80 ℃。在无线中继装置内部，如果用nRF24e1单芯片替代原设计的nRF2401模块和8051模块两个模块，就能达到进一步缩小无线中继装置空间体积的目的。同时由于nRF24E1内部将nRF2401和增强型8051内核集成在一起，无线中继装置的稳定性能还会得到稍许提升。nRF24E1的内部结构，见图6。

图6 nRF24E1的内部结构示意图Fig 6 Internal structure diagram of nRF24E1

心率无线中继装置，拓展了无线心率传感器的无线信号接收范围之后，为运动心率的实时采集和后续处理提供了便利。

3 运动心率数据的后处理

本研究使用了心率无线中继装置之后，在150 m范围内能够可靠地接收到锻炼者当前的心率数据，实验表明，对田径场上用铁质材料制作的投掷围网也具有较好的无线穿透能力[14～20]。接收到的数据通过USB接口送到上位机，然后经过软件的相应处理(包括滤波等操作)，就可以进行数据记录和相关分析，如图7、图8。

图7 跑步锻炼过程运动心率测试曲线图Fig 7 Curve of heart rate measurement in process of running exercise

图8 运动心率采集与动作图像视频叠加Fig 8 Exercise heart rate collection and motion image and video overlay

4 结 论

根据体育锻炼的特殊要求，本文研究并选取了Polar公司的无线心率传感器作为前端部件。针对无线心率传感器无线信号传输距离短的状况，设计并实现了心率传感器的无线中继，有效拓展了无线心率信号传输距离，满足了体育锻炼过程中心率数据无线传送和实时采集的要求。为后端进一步的分析研究提供了前提条件。

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傅兰英，通讯作者，E—mail：flanying@126.com。

Deign of wireless relay of heart rate sensor in physical training*

ZHANG Xin-gui1， WANG Pei-yong1， FU Lan-ying2,3

(1. Department of Sports,Tsinghua University，Beijing 100084,China;2. Department of Sports,Xinxiang Medical University,Xinxiang 453003,China;3.Department of Sports,Sanquan College,Xinxiang Medical University,Xinxiang 453003,China)

Heart is one of the important organs of human body,cardiac function directly determines human body's blood, oxygen supply, and therefore it becomes the most worthy of research in sports medicine.Heart rate is an important basis for determining intensity of exercise in athletic sports and rehabilitation.Heart rate sensor is the key component for accurate acquisition of heart rate signal. Aiming at problem of short transmission distance of wireless signal of analog and digital two kinds of heart rate sensor, combined with actual needs of athletic sports, focusing on working principle of wireless relay device of digital heart rate sensor, design a wireless relay device for Polar digital heart rate sensor, which provides a hardware platform for real-time processing of remote wireless heart rate.

heart rate sensor； wireless relay； wireless transmission

10.13873/J.1000—9787(2015)12—0101—03

2015—10—19

国家社会科学基金资助项目(BLA130104)

G 305

: A

: 1000—9787(2015)12—0101—03

张新贵(1970-)，男，江西南昌人，副教授，主要从事体育教育训练学方向的研究。