可穿戴式运动健康监护系统的研制

简婧 彭岚 付伟 叶俪玮 葛雨

摘 要：当今社会，亚健康已经成为越来越多人群的状态。为保障运动安全，需要使用一定的方法对运动进行安全保障。可穿戴运动健康监护系统利用51单片机，对各个功能进行控制；结合多种传感器，对身体体征进行数据监控；配有LED夜间提示，使夜间活动这一方式更为安全便捷；总体装置采用魔术贴对其实现可拆卸，实现衣服可清洗、多种多样风格任意切换。综合提高运动者的运动健康。

关键词：运动；安全；便捷

中图分类号：TP274 文献标志码：A

现今，中国亚健康人数已达到76%。运动时频发问题，该不该运动、应如何保障运动安全已逐渐成为热门问题。

1 产品概述

随着社会经济的不断发展，越来越多的人加入到户外运动的行列，在户外运动中如何有效地保障运动者安全这一问题日益凸显。现今运动发生危险状况频发，如：马拉松猝死、夜行横遭危险等。因此在未来可穿戴式健康监护产品将成为主流发展趋势。本项目利用魔术贴使其可拆卸易携带，结合心率监测、环境监测、摔倒提醒、GPS定位、LED提示等功能，提高运动的安全性，保护运动人员的身体健康。衣服背后的LED灯可以有效地提醒运动人员后方车辆与行人并增加趣味性，并且随心率改变变换颜色。以此实现及时提醒运动者修正运动强度。

2 设计方案

整体系统如图1所示，下文对其进行细节描述：

（1）检测跌倒。采用MPU6050测量使用者跑步的步数以及检测使用者在使用过程中是否因为运动及其身体原因发生跌倒甚至晕倒。跌倒后，使用者自身的姿势将由直立变为卧躺。此时，MPU6050的三轴姿态解算将解算出卧躺时的航向角、俯仰角、横滚角。显然，此时的3个角度数值与站立时是不一样的。通过实验，可以在程序中设定一个跌倒阈值，当3个角度的某一角度或者三者的计算结果低于该值一定时长（比如10s），便可认定使用者已经跌倒。然后将结果传送至手机APP，再由其设定条件及程序做出下一步的运行情况。

（2）检测心率。心率可以反映使用者心跳的次数。当一个人在运动时，由于人体消耗做功增加，需要的氧气量也随之增加。所以作为动力泵的心脏跳动次数也随之增加。而人体运动时，只有在合理的范围内增加心脏的“负担”才能更健康的锻炼身体。心率检测采用云电高科的MK0703智能穿戴脉搏波心率测试模块。因其具有体积小巧、超低功耗、内置心率算法以及输出串口信号等优势，所以能很快地將使用者心率传输至MCU。再由设定的年龄、性别以及健康运动时的心率数值进行数据处理分析。判断使用者是否处于合理的运动强度。运动者可以根据“有效心率区”来控制自己的运动负荷，选好了最大心率计算公式后得到一个初始最大心率，运动者按照这个最大心率划分的运动负荷等级开始训练，并根据主观体力感觉调整最大心率，每次调整可以加减5。本文选取的最大心率计算公式，见表1。

（3）LED提示。夜间视线不佳，本LED以向左向右箭头提醒后方人群，并且能够随心率的改变而进行相应的变色，对后方行人更有警示作用。综合色彩可变化，亮度强等因素，采用WS2812LED进行夜间提示，其功耗小且轻便小巧，综合性价高。

（4）环境温度湿度检测。温湿度采用DHT11传感器进行检测使用者后背的体表温度以及湿度。用MCU控制检测的时长间隔。每隔10s进行检测数据，经MCU判断使用者体表温湿度是否合乎使用者继续运动的条件后，在将结果及处理结果通过蓝牙传输至手机APP中进行显示及提示。这样能够让使用者及时地了解自身运动地出汗及体温情况然后合理安排运动强度。

（5）智能终端接收APP。目前市场上的智能手机都内置蓝牙通信模块。当手机作为蓝牙接受的终端时，通过手机应用程序可以调用内嵌的蓝牙通信模块。按规定通信协议接受数据并保存在缓存中，从而把接收到的心率，大气压，运动状态等数据转化为数值。这些数值以数据流的方式显示，并且实时保存记录便于检测运动状况。安卓智能终端实时接收数据并判断是否发生严重跌倒的情况。若发生该情况，手机调用内嵌的GPS导航定位模块，将用户当前的地理位置通过短信消息传到特定联系人，从而通知其前来救助。

3 可行性分析及性能优势

近年来我国户外运动安全事件频发，黑暗中夜跑被误撞，慢跑跌倒猝死，独自运动受伤无法得到及时治疗等等。现如今，国内外有很多的户外运动设备，但它们主要功能是记步及简单的定位求助功能，并不具备通信救助及实时监测运动环境及运动者和环境的交互功能。同期很多公司研发的运动式手环能够计量步数却极易受晃动影响导致数据不够精准，功能较为单一，不能实现实时的信息交互，存在很大改善空间。根据调查了解，国际上也有很多相似的课题正在推进中，从信息交互、提供准确性、功能完备等多个角度入手 ，其便携性和灵活性不好，且测量结果有一定误差，价格高昂。可见我们的项目能与国际接轨，具有一定的研究价值。值得肯定的是，未来这类产品将不断发展，并且将改善人们的健康保障。针对现在的缺点，我们的项目将技术更进一步的引入现有的健康监护设备：美观便捷灵活；准确性较高；加入夜跑指示方向功能；及时性好，可实现用户信息实时交互；应用人群广综合性强。

4 创新点

（1）户外运动中引入智能穿戴设备，对运动的实时数据（心率、气压等）进行自动化分析管理，无须人工计算。各指标可衡量运动者的运动质量，有利于自身健身计划的完善与提高。（2）对运动者进行定位实时交互，及时更新数据。在心率异常时可进行预警，实时通知运动者注意安全。若意外发生则可通过蓝牙连接手机APP及时通知家人朋友。应用人群广，综合性强，是在传统计步测速等基础功能上的一次突破。（3）对于运动者而言，该产品可拆卸可清洗，外表美观，增加了顾客采购的自主性和娱乐性，提高了人们的生活质量。

参考文献

[1]宋海永.基于户外运动的便携式生命健康系统开发[D].山东：山东大学，2014.

[2]曾斌.运动心率监测系统的研究与实现[D].江西：江西师范大学，2016.