服务于大学生科学体育锻炼的可穿戴系统设计

张晓萍，卢三妹，王跃亭，李玮琪

（1. 华南农业大学体育部，广东 广州 510642；2.华南农业大学电子工程学院，广东 广州 510642）

合理的运动量是科学体育锻炼的重要组成部分；过度运动将造成器官、内脏等损耗，对运动者造成不可逆的伤害；欠量运动则达不到运动效果，使得运动员运动效率低下。因此，科学体育锻炼需要监测运动量，并依此制订合理的运动规划。

运动量监测方式主要包括光学动作捕捉以及加速度计测量等方式。其中，光学动作捕捉利用高速摄像机记录锻炼过程，经过软件解析，最终将详尽的数据结果反馈给运动者。但因光学动作捕捉所需的高速相机、配套设备等价格昂贵、体积较大，在实际应用过程中存在携带不便、使用受限等问题，其推广、应用存在较多困难。

方便佩戴、科学记录等是体育锻炼过程运动量监测所要的关注的问题。随着电子信息技术的发展，芯片体积的不断变小、传感器数据采集多样化、计算速率的不断提升等，可穿戴式运动量监测设备逐渐走入到人们的视野。现阶段，可穿戴设备多以监测步数、睡眠时长为主要监测功能。本文则面向大学生体育锻炼，设计了一种服务于大学生科学体育锻炼的可穿戴系统，助力大学生科学体育锻炼。

1 系统设计

服务于大学生科学体育锻炼的可穿戴系统主要由运动手环、手机（App）和云服务器3部分组成。运动手环主要用于检测人体手臂挥动姿态和心率等数据，并采用蓝牙无线通信方式实时上传至短距离绑定的手机；手机App根据运动手环采集的数据，识别各项体育锻炼的基本肢体动作，推算各项肢体动作对应的能量消耗，并实时显示；用户可以设定将手机App输入的原始信息和推算信息通过3G/4G通信方式上传至云服务器，实现云存储和远程客户端访问，如图1所示。

图1 系统框架图

2 运动手环设计

运动手环主要由脉搏心率传感模块、惯性传感模块、蓝牙通信单片机和电源组成。电源直接采用锂电池供电，经过LDO模块输出稳定的电压给惯性传感模块供电，如图2所示。

图2 运动手环框图和PCB板

2.1 嵌入式及通信模块

为适应实际应用需求，系统选用TI公司的CC2541芯片作为主控芯片。芯片具有高性价比、功耗低等特点，同时支持低功耗、外设扩展等，是目前应用较广的蓝牙片上系统（SOC）。CC2541的BLE协议栈将使其适用于低功耗应用，对可穿戴设备的实现提供了便利；快速连接功能将大大地缩短时间成本。

2.2 脉搏心率传感模块

脉搏心率测量模块用于获取运动者实时运动脉搏、心率等信息，本文设计的脉搏心率测量模块利用实现简单、结果可靠的光电容积法（photoplethysmography，PPG）进行测量，其框图如图3所示。目前PPG脉搏心率测量主要有反射和投射两种模式，透射触点压力较大、信噪比较高，不适于可穿戴实际应用场景。对此，本文利用PPG反射模式，同时采用滤波电路提高信号的信噪比，保证信号质量。

为能够穿透皮肤、脂肪、肌肉、血管壁等组织，同时不对人体细胞等造成损伤，脉搏心率模块选用波长为650nm的绿光LED作为光源。但通常光敏元件输出的电流很低，通过光电转换得到的包含脉搏信息的电信号比较微弱，容易受到外界电磁信号的干扰。为此，模块选用带有外界电磁信号抑制的Avago公司的ADPS-9008作为光敏器件。

实际应用过程中，脉搏信号的频带一般在0.05～200Hz之间，信号幅度均很小，属于毫伏级水平；同时，测量心率也是在运动中进行的，感受器传递过来的信号干扰比较大。为获取稳定、可靠脉搏心率信息，本文采用RC低通滤波器对ADPS-9008输出的信号进行滤波，并采用运放MCP6001将信号放大331倍后，传输至嵌入式单片机进行AD转换。

2.3 惯性传感模块

本文采用整合性6轴运动MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）IMU传感器模块MPU6050采集手臂角度、速度和加速度等运动姿态数据。模块MPU6050工作电压宽为3.3～5V，功耗低，工作电流小于10mA，非常适合与可穿戴设计。MPU6050模块量程宽，加速度为±16g，角速度为±2 000°/s，角度为 ±180°；精度高，加速度为 0.001g，角速度为 0.02°/s，角度的0.01°，满足体育运动时手臂加速度、速度和角度等姿态的检测要求。MPU6050模块通过IIC接口与嵌入式单片机通信，最高传输频率可达400kHz。

图3 脉搏心率测量框图

3 实验及分析

运动热身是将身体从静止状态快速切换到运动状态的最好方式，常见的热身方式有慢跑、准备活动等。为了了解大学生进行体育锻炼前的热身效果，选定20岁在校大三男生作为被测者，在标准400m跑道上进行1000m长跑测试。测试时，被测者手腕处运动监测手环，随身携带移动智能设备，实际佩戴图如图4所示，实验结果如图5所示。

图4 运动监测手环佩戴图

图5 长跑热身运动心率图

由图5可知，被测者由静止状态切换至运动状态，其运动强度迅速增大，心率在短暂延时之后升高；被测者进入匀速跑阶段，运动强度维持稳定，心率略有降低、波动，但范围较小；跑步过程中被测者加速，其运动强度增加，心率升高。跑步结束后，被测者心率比跑步前高，且维持稳定。

综合测试记录，系统能够反映：（1）被测者的运动心率会跟随运动强度大小对应变化，但其变化并非为瞬时变化，且此变化延时会随运动强度的变化而变化；（2）被测者由静止进入运动、运动切换为平稳状态时，其心率变化较大；运动后心率比运动前心率平均水平高。

4 结 语

本文设计了一种由运动手环、手机App和云服务器组成的服务于大学生科学锻炼的可穿戴系统，设计充分体现了多学科交叉与融合的特点，既涉及网络通信、数据采集等计算机技术，又涉及体育健康、运动人体科学等方面。系统对服务于大学生科学锻炼具有较高的实际应用价值和拓展性。本文开展了长跑运动的姿态采集与心率采集实验，后续需要进一步拓展到别的体育项目，为进一步构建准确的大学生体育锻炼运动能量消耗模型提供基础数据。