海勤人员运动量监测记录装置的设计

吴岩印，徐宏伟，骆芝英，刘俊松，张　舜，王　群

海勤人员运动量监测记录装置的设计

吴岩印，徐宏伟，骆芝英，刘俊松，张舜，王群

目的：研究一种用于监测海勤人员体能训练运动量情况的便携式装置。方法：该装置由控制组件、晶振时钟、按钮、3D加速度传感器和有机发光二极管（organic light-emitting diode，OLED）显示屏组成。数据监测包括与健身器械配套使用和单独使用2个模式，通过USB接口与个人计算机（personal computer，PC）端传输数据。结果：样机完成后经过反复测试，基本达到了设计要求，成功实现了参训人员运动量的采集与监测。结论：该装置能够对海勤人员的体能训练目标执行情况进行有效记录与评估，提升其体能训练的质量及军事作业的完成能力。

海勤人员；运动量监测；体能训练

0　引言

活跃在航空航天和航海领域的军事飞行、潜艇与潜水人员面临着复杂而特殊的作业环境，繁重而多变的军事任务要求他们不但要具备较强的体能，而且还要具有适应航空航天和航海水下作业环境及武器装备要求的专项体能，这种能力形成的最佳途径为训练[1]。海勤人员在海上作业时间过长、运动量不足、受训条件限制等方面的问题，是执行长远航任务面临的主要挑战。因此，结合海勤人员体能训练的特点，研制一种准确、便携、低成本的运动量监测装置，实现在运动或训练现场进行实时监测，随时记录官兵每日的运动量，从而将运动化整为零，且使运动在多个地点都可以进行，再将相应的记录数据通过网络传递到专业后勤保障机构，由专家对官兵进行个性化指导和考核，很好地解决海勤人员的正常身体锻炼问题。

1　记录装置设计

本研究硬件要解决的技术问题是提供一种海勤人员运动量监测记录装置，该装置不但具有加速度传感器计步器的功能，还可以方便地识别运动器械，采集运动数据，并能将数据上传到个人计算机（personal computer，PC）。样机设计外形如图1所示。

图1　样机外观

1.1结构设计

为了解决上述技术问题，海勤人员运动量监测记录装置设计包括控制组件、晶振时钟、按钮、3D加速度传感器和有机发光二极管（organic light-emitting diode，OLED）显示屏。

控制组件包括与电源模块相连的数据存储器、中央处理器、A/D转换模块、滤波模块和驱动模块。中央处理器与数据存储器、A/D转换模块和驱动模块相连；滤波模块的一端与A/D转换模块相连，另一端与3D加速度传感器相连；OLED显示屏与驱动模块相连；晶振时钟和按钮均与中央处理器相连。控制组件还包括接口电路模块，其与中央处理器、电源模块和USB接口相连。

1.2硬件组成

装置的连接关系如图2所示，包括控制组件、晶振时钟、按钮、3D加速度传感器、OLED显示屏和USB接口。

图2　装置连接关系示意图

1.3重要部件

该装置选用3D加速度传感器，其为一种能够测量三维空间（X、Y、Z）加速度的电子设备，能最大程度地避免各种信号干扰，从而获得三维空间上的加速度数据。实际使用时，可将3D加速度传感器随意放置在人体任何位置。人体在运动过程中产生的3轴（X、Y、Z）上的运动或倾斜会引起3D加速度传感器内的活动硅结构少量位移，之后3D加速度传感器会将检测到的上述位移传递到控制组件，最终在OLED显示屏进行相应的显示。

在本装置中，晶振时钟、按钮、3D加速度传感器、OLED显示屏、USB接口均能通过市购的方式获得，控制组件内的各项模块也能通过市购的方式获得，例如：3D加速度传感器采用Analog Devices Inc的A DXL345BCCZ型号；中央处理器采用深圳宏晶科技有限公司生产的STC12C5A60S；接口电路模块采用Cypresssemiconductorcorporation生产的CY7C68013。

2　装置应用

实际使用时，将3D加速度传感器置于人体上，可对中央处理器发出各种指令，例如“检测”或“传输数据”；晶振时钟负责向中央处理器提供相应的时间信息，例如各种运动的起始和结束时间。每个不同的健身器械插座设置不同的电阻值，相对应的，在数据存储器内预先存储有不同健身器械插座电阻所对应的电压值。可通过USB接口实现与健身器械插座相连。

2.1数据监测

2.1.1与其他健身器械配套使用

当USB接口插入健身器械插座时，健身器械插座上的电阻和接口电路模块中的固定电阻串联，不同的电阻会形成不同的电压，中央处理器内的A/D端将此电压值转化为数字信号，并调取数据存储器内的电压值进行比对，从而识别出是什么健身器械，然后自动进入该器械的测量模式。

人体在运动过程中产生的3轴（X、Y、Z）上的运动或倾斜会引起3D加速度传感器内的活动硅结构少量位移。3D加速度传感器将监测到的关于位移量的信息传递给滤波模块，经过滤波模块滤波处理后的信号进一步传递给A/D转换模块，A/D转换模块负责将模拟信号转化为数字信号；中央处理器根据接收到的该信号和从晶振时钟处获得的时间信息，计算出关于人体的实时运动强度、速度的数据，并将上述数据保存在数据存储器内的相应健身器械名下。数据存储器以天为单位存储上述数据。

中央处理器通过驱动模块使OLED显示屏工作，从而将上述计算所得的数据（包括所对应的健身器械的名称）在OLED显示屏上进行显示，显示内容包括步数、能量消耗量、有效锻炼时间、目标完成率、健身器械名称和运动量等。

2.1.2单独使用

由于USB接口不外接健身器械，因此接口电路模块不传递相应的信息给中央处理器，中央处理器自动默认此时进行的是加速度传感器计步器的工作。单独使用和与健身器械配套使用的工作流程大体相同，只是最后OLED显示屏上显示的内容有变，主要为人体的有效步数、能量消耗、运动时间、运动速度和行走距离等。

2.2数据传输

当中央处理器收到相应的传输数据指令且USB接口插入PC后，中央处理器负责调取数据存储器内的数据，并通过相互配套的接口电路模块和USB接口将数据向外传输，例如传输至PC端软件，再进一步上传到网络服务器。

3　讨论

军事体能训练效果评定在国内外虽有很多研究报道，但运用到实际工作中有较多的缺陷，也没有统一的方法及标准，如前苏联最常见的C JletyHoB氏法负荷量大、检查时间长，评定标准不易控制，不能确切反映身体功能状况和训练效果。目前，国内的研究主要着眼于常规条件下的体能运动方法，对特殊条件下的体能训练方法研究较少。体能训练监测效果主要采取血液指标监测，存在有创性[2-3]。研究主要基于人工测量，以问卷调查推测身体活动中消耗的能量（physical activity energy expenditure，PAEE）的方法准确性较低，需要配合客观准确的PAEE测量方法使用，应用有一定的局限性，不适合大样本人群的使用[4]。与上述PAEE测量方法相比，较为简便的人体运动测量一般是用加速度计实现的，兼具准确性高、携带方便、性价比高等优点[5]。加速度计在

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）能量代谢检测中已被广泛使用[6]，对日常体力活动的测量效度较高[7]。国内已有以加速度计为运动量采集模式的野战作训体能消耗测试仪的研制[8]，但是针对海勤人员体能训练特点的监测装置设计还未有报道。

海勤人员运动量监测记录装置样机完成后，选取了来我院疗养的3个批次共311人次的海勤人员，在其1个月疗养期间内的继续体能训练过程中对该装置进行了应用测试。利用该装置记录下官兵疗养期间的每日运动量，实现了运动量的采集、储存和传输的要求，完成了院内疗养期间体能训练数据的监测和保存，为下一步海勤人员体能训练量的量化管理提供了科学依据。

未来该装置可与其他体能训练生理、生化参数监测[9-10]配合使用，将相应的记录数据通过网络传递到专业的部队后勤保障机构，成为部队健康管理大数据平台的体能监测项目数据之一，由专家结合官兵的健康档案，进行个性化指导和考核，实现官兵正常身体锻炼的记录及效果评估问题。

[1]高永喜，张明月.海勤人员军事体能训练教程[M].北京:人民军医出版社，2010:350.

[2]呼文亮，雷志勇.平原和高原战士耐力跑后部分生化指标的改变[J].解放军预防医学杂志，2007，25（3）:190-191.

[3]张建平，彭朋.血氨在士兵体能训练监控中的应用[J].武警医学，2013，24（9）:741-743.

[4]屈宁宁，李可基．国际体力活动问卷中文版的信度和效度研究[J]．中华流行病学杂志，2004，25（3）:265-268．

[5]张虎军，张楠楠.人体运动监测技术的发展与应用[J].医疗卫生装备，2011，32（8）:83-85.

[6]吉喆，崔玉鹏.加速度计在能量代谢检测中的应用现状[J].中国运动医学杂志，2012，31（9）:839-843.

[7]刘爱玲，李艳平，宋军，等.加速度计对成人日常体力活动测量效度的研究[J].中华流行病学杂志，2005，26（3）:197-200.

[8]吴强辉，田学隆.野战作训体能消耗测试仪的研制[J].医疗卫生装备，2004，25（9）:10-12.

[9]蒋科，葛宏.多人运动实时生理参数监测系统的设计与实现[J].医疗卫生装备，2013，34（7）:21-23.

[10]程洪海，宋立新，张磊，等.武警战士新训期体能训练课生理负担量及尿蛋白评测[J].武警医学院学报，2009，18（6）:481-483.

（收稿：2014-05-22修回：2014-09-13）

Design of exercise quantity monitoring and recording device for navy serviceman

WU Yan-yin,XU Hong-wei,LUO Zhi-ying,LIU Jun-song,ZHANG Shun,WANG Qun
(Naval Convalescent Section,Hangzhou Sanatorium of Nanjing Military Area Command,Hangzhou 310002,China)

Objective To develop a portable device to monitor and record the exercise quantity of navy serviceman. Methods The device was composed of control components,a oscillator clock,buttons,3D acceleration sensor and a organic light-emitting diode(OLED)screen.The monitoring involved in two modes of exclusive use and use combined with exercise apparatus.The device could be connected with PC for data transmission through USB interface.Results Trials proved that the device met the desired requirements and could be used for the data acquisition and monitoring of the exercise quantity of the serviceman.Conclusion The device can record and evaluate the physical fitness training of navy serviceman.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（5）：47-48，69]

navy serviceman;exercise quantity monitoring;physical fitness training

[中国图书资料分类号]R318；TS736.2；R821A

1003-8868（2015）05-0047-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.047

南京军区医药卫生科研项目面上课题（MS147）

专利：国家实用新型专利（ZL 201220511857.6）

吴岩印（1966—），男，主任医师，主要从事特勤疗养管理方面的研究工作。

310002杭州，南京军区杭州疗养院海勤疗养区（吴岩印，徐宏伟，骆芝英，刘俊松，张舜，王群）

徐宏伟，E-mail:364494760@qq.com