运动员远程监控之软件设计、编译，结构设计以及主要技术指标的计算分析＊

吕永忠，张慧珍，李鹏飞

（甘肃省体育科学研究所，甘肃 兰州 730050）

运动员远程监控系统的软件由心率数据编码软件、数据分析软件以及终端计算机三部分构成。采用绿光心率传感器技术、无线组网技术等，对主要技术指标进行计算分析。后期对产品的扩展给予展望。

1 软件设计

1.1 心率数据编码软件

BMD101数据输出采用标准UART接口，配置1位起始，8位数据字节和1位停止，数据包格式如图1所示。数据格式如图2所示。

图1 BMD101数据包格式

图2 BMD101数据行格式

1.2 数据分析软件

主要内容包括：心率变化与心肌消耗的关系及数学模型，心电图分析等。此部分内容有待依据体育科研成果进行后续开发。

1.3 终端计算机软件

1）终端人机界面软件：采用Delphi7.0图形编辑器软件，主要实现的功能如下：

（1）运动员名字录入：能够录入不少于8个运动员名字，依次显示在运动员心率数据选择按钮上。

（2）运动员选择：通过触摸屏上的8个选择按钮选择运动员，每次只能选择1名运动员，同时只显示和分析该名运动员的心率数据。

（3）心电图显示：在电脑显示屏心电图显示框内画出运动员心电图，心电图数据率约为512Hz，显示要平滑，必要时采取滤波算法。

（4）实时心率显示：在电脑显示屏实时心率显示框内画出显示运动员实时心率，心率数据率约为1Hz。

（5）平均心率显示：在电脑显示屏实时平均心率显示框内画出显示运动员平均心率，平均心率计算有两种方式：一是通过对心电图数据进行分析统计每分钟过门限的脉冲数，进行1位滑窗处理得到数据率约为1Hz的平均心率；二是统计每分钟内实时心率上报数据的个数，通过滑窗得到平均心率。建议采用第一种方式，但第二种方式更为简单。

（6）麦克风按键：通过触摸显示屏上的麦克风按键，打开平板电脑的语音发送功能，以WIFI形式发送教练员语音指导指令，发送完毕后再次按下该键语音发送停止，此时如果需要可以自动发送电脑上预先储存的适合于体育锻炼的音乐。

（7）消息显示功能：在电脑显示屏消息显示框内依次显示整个系统的各种状态，内容包括：运动员心肌消耗分析结果、设备无线通讯状态、设备电池电量等。

2)心率表数据解析。心率表数据采用异步串行链，数据格式和定义如下列图3所示。

图3 心率表数据格式和定义

3)语音采集及网络数据转换。该部分软件的功能为依据界面命令打开电脑麦克风并对语音信号进行采集及网络数据转换，另外能够打开音频播放器并对进行音频网络数据转换。

2 结构设计

2.1 腕式心率表结构

腕式心率表的组成和表面尺寸比例如图4所示；

心率表芯（不含天线）结构如图5所示；

5)研究开发元数据库管理系统，实现专家知识库中评估打分指标及权重赋值体系(AHP层次分析法、多层次模糊综合评价法、统计平均法)、打分策略算法(综合评分法、功效系数法、综合指数法)以及安全推理知识体系的定义、描述、管理维护。

心率表外形如图6所示。

图4 心率表组成和表面尺寸比例

图5 心率表芯结构示意图

图6 心率表侧视图

心率表外壳需要进行外形美观设计和铸模设计。

2.2 无线转发器结构

1)无线转发器采用便携厢式结构，外形尺寸如图7所示。

图7 无线转发器俯视图

2)无线转发器构成单元及其平面尺寸比例如图8所示。

图8 无线转发器构成单元及其平面尺寸比例

3)无线转发器布局如图9所示。

图9 无线转发器布局

2.3 终端显示器结构

采用10.1吋屏平板电脑，外加皮质保护罩。

3 关键技术

3.1 绿光心率传感器技术

绿光心率传感器的原理是：根据郎伯－比尔（lamber－beer）定律，物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比，当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织吸收、反射衰减后测量到的光强在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。

绿光心率传感器使用了最适合测量脉搏用的发光波长，即570nm发光波长的绿光，心率测量灵敏度更高，由它做成的腕式心率即使是手臂做剧烈晃动，对于心率测量也没有影响。

由绿色波长的发光LED和一个光敏传感器组成，利用血液中的血红蛋白容易吸收绿色等特定波长的光的特性，用LED照射腕部皮肤，通过捕捉皮肤表面绿色成分的亮度变化来检测脉搏。

3.2 无线组网技术

通过无线组网解决多名运动员心率数据向教练员监测终端的传输，以及教练员训练指导指令向运动员广播的双向通讯。

无线组网由心率表无线数传、无线转发器和教练员监测终端的WIFI设备构成，心率表与无线转发器之间采用2.4GHz多点对一点的无线数传模式，无线转发器与教练员监测终端之间采用5.8GHz无线AP。另外在无线转发器中装置了2.4GHz远距离蓝牙发射器，与运动员佩戴的蓝牙耳机配对后进行教练员训练指导指令的传输。

无线转发器要求放置在训练场的中心地带。

4 主要技术指标的计算分析

4.1 传感器测量精度估算

由于采用心电图数据采集方式，数据率高达512Hz，假设被测心率为60次/min，则平均心率的理论测量误差为3×10-5次/min，实时心率的理论测量误差为 2×10-3次/min。

4.2 无线传输能力估算

1）心率表与无线中转器之间的传输能力。无线数传模块的实测传输距离为170m，无线中转器的天线增益为12dB，比原模块配置的天线增益至少增加6dB，则传输距离增加到340m。

2）无线中转器与监测终端之间的传输能力。ARG1220型WIFI路由器的传输距离大于3000m。

3）蓝牙传输耳机接听距离。采用BLK-BTD-6610型超远距离蓝牙发射器，连接普通Class2蓝牙设备实测距离可达到500m。

5 产品系列化展望

5.1 探测功能的扩展

1)增加运动员血氧饱和度监测功能：血氧饱和度的测量方法与本方案采用的绿光心率测量类同，通过分析ECG数据就可以同时监测运动员心率和血氧饱和度的变化情况，血氧饱和度的软件分析和血氧饱和度的标定方法需要进行进一步的研究和开发。

2)增加运动员体温监测功能：通过增加体温传感器，利用系统的数据采集和无线组网功能，可以比较方便地进行运动员体温监测。

3)增加运动员体血压测功能：目前的血压传感器体积较大，未来如果出现微型血压传感器，就可以增加运动员体血压测功能。

5.2 通讯功能的扩展

1)扩大被测运动员的数量：通过对无线组网技术的深一步研究，在不改变现有硬件的情况下，有望实现数十名运动员的生理数据动态监测。

2)教练员异地训练指导：采用电信通讯介入方式，实现教练员异地对运动员的训练指导。

3）运动员活动轨迹记录和显示：采用电信通讯介入方式和增加GPS功能，实现运动员活动轨迹的记录和显示。