基于自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)處方的智能運(yùn)動(dòng)助手的設(shè)計(jì)

引 言

隨著社會(huì)發(fā)展速度的加快，人們的生活、工作壓力越來(lái) 越大，以致人們的身體負(fù)擔(dān)越來(lái)越重，擁有健康的身體便成為 了大家共同的期望。經(jīng)常鍛煉身體便是眾所周知的方法。凡 事都需要有合適的度，健身也不例外。20 世紀(jì) 50 年代美國(guó)著 名的生理學(xué)家卡波維奇提出了運(yùn)動(dòng)處方的概念。運(yùn)動(dòng)處方是針 對(duì)人的身體狀況而采用的一種科學(xué)的、定量化的體育鍛煉方法。 運(yùn)動(dòng)處方就像藥物處方，是醫(yī)師結(jié)合人體的健康狀況、身體機(jī) 能狀況、運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行研究，開(kāi)出適合人體的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目 [1]。 該處方因人而異，其最終目的是避免鍛煉者不合理的健身，在 鍛煉者進(jìn)行體育運(yùn)動(dòng)時(shí)更好的進(jìn)行輔助作用。運(yùn)動(dòng)處方種類 繁多，健身運(yùn)動(dòng)處方是其中之一。根據(jù)健身、體育從事者的身 心條件和特點(diǎn)，以處方的形式確定體育鍛煉的內(nèi)容、生理負(fù)荷 量、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、鍛煉頻率等，以發(fā)展身體，增強(qiáng)體質(zhì)。 但影響健身者鍛煉的重要因素是人的毅力，所以規(guī)律性的提 醒比一套完整的健身設(shè)備、充足的鍛煉時(shí)間都重要 [2]。

運(yùn)動(dòng)處方具有 5 個(gè)要素，即安全性、運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)強(qiáng) 度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間和運(yùn)動(dòng)頻率 [3]。在如今經(jīng)濟(jì)化、智能化的時(shí)代， 智能電子設(shè)備在很多領(lǐng)域都發(fā)揮了關(guān)鍵性作用，特別是各種傳 感器技術(shù)以及微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用使得運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的測(cè)量變 得簡(jiǎn)單方便。但由于每個(gè)人的身體素質(zhì)不同，所以還沒(méi)有一種 “地毯式”運(yùn)動(dòng)處方，可適用于各年齡段、各種身體狀況的人群。 因此，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)一種基于自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)處方的方案并 結(jié)合單片機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)制作一個(gè)可穿戴式智能健身電子設(shè) 備前景廣闊。

1 智能電子設(shè)備架構(gòu)及模塊

智能電子設(shè)備主要包括主控 MCU、電源、無(wú)線通信、傳感器和人機(jī)交互部分。傳感器部分包括光電式心率傳感器以及加速度傳感器，這些是獲取鍛煉者運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的重要器件。智能電子設(shè)備架構(gòu)圖如圖 1 所示。

（1）光電式心率傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)損傷、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)光電傳感器對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并用單片機(jī)技術(shù)加以處理，從而實(shí)現(xiàn)智能化的心率監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)方案[4]。

（2）3 軸加速度傳感器可感知運(yùn)動(dòng)中鍛煉者重心位置的變化，還可作為計(jì)步器，結(jié)合鍛煉者的身高等信息得到運(yùn)動(dòng)距離，是運(yùn)動(dòng)處方制定準(zhǔn)確性的關(guān)鍵[5]。

  (3) 無(wú)線模塊選用ZigBee無(wú)線通信。ZigBee具有低功耗、自組織、低復(fù)雜度的特點(diǎn)，在低功耗待機(jī)模式下，2節(jié) 5號(hào)干電池可支持一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作 6～24個(gè)月，相比較之下，藍(lán)牙只能工作幾周，而 WiFi只能工作幾個(gè)小時(shí)[6]。

  (4) 人機(jī)交互模塊采用TFT-LCD觸摸屏實(shí)現(xiàn)，薄膜晶體管式液晶顯示器是一類有源矩陣液晶顯示設(shè)備。該顯示屏具有響應(yīng)度高、亮度高、對(duì)比度高等優(yōu)點(diǎn)。用于實(shí)時(shí)顯示鍛煉者的鍛煉數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作等。

  (5) MSP430F5529單片機(jī)集成了 USB層和物理層，支持USB2.0，有 4個(gè) 16位定時(shí)器，1個(gè)高性能 12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）。主要用于鍛煉者鍛煉數(shù)據(jù)的發(fā)送和監(jiān)測(cè)。

2 智能電子設(shè)備工作流程

MCU 片內(nèi)ADC 采集光電式心率傳感器輸出信號(hào)，實(shí)時(shí)反饋鍛煉者的心率信息；同時(shí)采集 3 軸加速度傳感器輸出信號(hào)， 根據(jù)鍛煉者的身高等因素轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)距離數(shù)據(jù)。然后通過(guò)ZigBee 模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC 端，PC 端軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到鍛煉者的運(yùn)動(dòng)成長(zhǎng)曲線，由此制定鍛煉者的運(yùn)動(dòng)處方。智能電子設(shè)備工作流程如圖 2 所示。

3 自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)處方的設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)量由三個(gè)因素決定，即運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間和 運(yùn)動(dòng)頻率，運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的安排是體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)處方科學(xué)性、針對(duì)性 和安全性的重要部分，一般用耗氧量的絕對(duì)值或相對(duì)值來(lái)表 示，但耗氧量需要專業(yè)的設(shè)備來(lái)檢測(cè)，而心率容易通過(guò)脈搏 測(cè)量獲得，所以選擇心率作為運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的指標(biāo)。靶心率（運(yùn) 動(dòng)最佳心率）=（最大心率－休息心率）×70%+ 休息心率，但 由于最大心率的檢測(cè)非常危險(xiǎn)，所以現(xiàn)在多用推算法，即最大 心率 =210 －年齡。根據(jù)年齡和安靜時(shí)的心率就可以計(jì)算出靶 心率 [7]。每次鍛煉的持續(xù)時(shí)間不能少于 15 min，并且每次鍛 煉心率達(dá)到靶心率以上 10 min 較為適宜?？梢砸源藶闃?biāo)準(zhǔn) [8]， 每天鍛煉者鍛煉心率達(dá)到靶心率以上且持續(xù)時(shí)間約 10 min， 就完成了每日目標(biāo)，然后通過(guò) 3 軸加速度傳感器數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化得 到鍛煉者的運(yùn)動(dòng)距離與運(yùn)動(dòng)距離和鍛煉天數(shù)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，通 過(guò) PC 端擬合運(yùn)動(dòng)距離和鍛煉天數(shù)就可以得到運(yùn)動(dòng)距離和鍛 煉天數(shù)之間的方程式，即適宜該鍛煉者的運(yùn)動(dòng)處方。由于每 個(gè)人的身體素質(zhì)不同，因此，僅由靶心率獲取的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并不 一定適用于每一位鍛煉者，需要鍛煉者根據(jù)自身的疲勞反應(yīng) 再對(duì)依據(jù)靶心率安排的運(yùn)動(dòng)量做出反饋修改。人體的疲勞反 應(yīng)可以通過(guò)自我感覺(jué)和生理指標(biāo)測(cè)定法來(lái)評(píng)定，生理指標(biāo)測(cè)量 可根據(jù)心率及血乳酸評(píng)定，其中心率是評(píng)定運(yùn)動(dòng)性疲勞最簡(jiǎn)易 的指標(biāo) [9] ；可通過(guò)自我感覺(jué)評(píng)定運(yùn)動(dòng)性疲勞，運(yùn)動(dòng)可以使鍛煉 者出現(xiàn)心率加快、呼吸量增加等生理指標(biāo)的變化，同時(shí)也會(huì)有 主觀身體感覺(jué)的變化。根據(jù)鍛煉者運(yùn)動(dòng)時(shí)主觀感受的疲勞程 度，可以判定運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度大小是否適宜，分為“較輕、稍累、累、 很累、非常累”五個(gè)等級(jí)，適宜的疲勞狀態(tài)應(yīng)當(dāng)為：當(dāng)心率在 運(yùn)動(dòng)結(jié)束后數(shù)分鐘內(nèi)恢復(fù)至安靜時(shí)心率，且次日鍛煉前，安靜 心率穩(wěn)定則說(shuō)明運(yùn)動(dòng)量穩(wěn)定，設(shè)定的靶心率較為合適，否則 需要修改靶心率，調(diào)整運(yùn)動(dòng)處方 [10]。智能電子設(shè)備訓(xùn)練數(shù)據(jù) 流向圖如圖 3 所示。

4 綜合訓(xùn)練分析

數(shù)據(jù)擬合的可靠性與數(shù)據(jù)量的大小有關(guān)，要得到可靠的 運(yùn)動(dòng)處方，就需要鍛煉者完成鍛煉指標(biāo)，堅(jiān)持鍛煉 1 個(gè)月以上， 每周 3 ～5 次 [11]，且鍛煉者鍛煉時(shí)按照自身疲勞情況，通過(guò) 智能電子設(shè)備對(duì) PC 端進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，以便實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)處方 內(nèi)容，使得到的運(yùn)動(dòng)處方更加適合鍛煉者。

由于該設(shè)備并未設(shè)置疾病檢測(cè)功能，所以，只適用于需 要維持體型、減肥及處于一些亞健康狀態(tài)的普通人群，制定 的處方為健身性的運(yùn)動(dòng)處方。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們的生活水平亦逐步提高，運(yùn)動(dòng)處方 作為預(yù)防疾病的方法，將出現(xiàn)在將信息技術(shù)與醫(yī)療技術(shù)相結(jié) 合的醫(yī)療保健領(lǐng)域，滿足人們對(duì)于健康生活的關(guān)注以及鍛煉 的需求 [12]。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)合靶心率及鍛煉者的主觀疲勞分 級(jí)反饋，其他更多相關(guān)因素的利用比如攝氧量、血氧量以及血 乳酸等都屬于該設(shè)計(jì)的研究范圍，隨著測(cè)量方法的不斷發(fā)展， 不斷改進(jìn)該系統(tǒng)的測(cè)量方案，并且結(jié)合更多相關(guān)因素以建立 更好的數(shù)據(jù)處理方法來(lái)制定運(yùn)動(dòng)處方，使系統(tǒng)得出的運(yùn)動(dòng)處 方更加適合鍛煉者，使鍛煉者能夠得到更加科學(xué)有效的鍛煉。