高校“陽光體育長跑教學活動”心率與速度同步實時監控裝置

□ 傅蘭英 付強 翟少紅 王培勇（.鄭州升達經貿管理學院運動與健康研究所 河南 鄭州 59；.新鄉醫學院三全學院 河南 新鄉 559；.西安體育學院 陜西 西安 70068；.清華大學 北京 0008）

近年來，高校“陽光體育長跑教學活動”中的受傷、甚至猝死的情況不斷出現，使人們對長跑活動的監控、科學健身給予了高度重視。然而，高校“陽光體育長跑教學活動”的運動負荷監測體系尚未形成。雖然以往只在專業訓練中使用的運動負荷監測方法逐漸在全民健身中得到運用和普及，各種監測手段不斷豐富，手環、心率表等監測裝置不斷出現，但這些監控設備都只對個體進行運動負荷的自我監測，且監測指標單一。而高校“陽光體育長跑教學活動”人數眾多，監控環境復雜，需要對參加的眾多學生進行實時監測，單一的運動負荷監測裝置已無法勝任高校集群長跑監測的需求。本研究從集群監控的角度出發，通過短距離無線傳輸技術，不僅能監測運動心率，同時能監測運動速度、距離，并且可以進行二者間的相關分析，實現了心率與運動速度的實時檢測與數據發送，有效的解決了對高校長跑教學和眾多長跑鍛煉者進行實時集群監測、預警的問題。

1、運動心率與速度監測設備的構成

系統以高校田徑場范圍內的長跑監控為目的，建立了一個局域網絡。基于POLAR心率傳感器，設計實現了長跑過程心率和速度的同步監測；繼而通過無線中繼，達到了實時遠程監控的目的。這套微系統對于長跑過程的安全監控、合理調配運動量、控制運動強度以及科學鍛煉具有較強的實用價值。

1.1、Polar心率傳感器的特點

目前國際上有很多公司在研究運動過程中的心率采集，其中Polar公司就是其中最著名的一家。該公司有心率傳感器的成熟產品。這款心率傳感器主要有以下特點：（1）具有舒適、輕便、柔韌性好的彈性繃帶；（2）無線發射的信號采用編碼加密技術，使得信號在無線發射過程中的可靠性大為提高；（3）傳感器的電池可以更換，使用CR2032型號3伏鋰電池，平均工作使用壽命可達300個小時（平時處于睡眠狀態，耗電量極小，只有在工作狀態下才被激活）；（4）整體防水，可用于30m水下；（5）彈性繃帶部分可以卸下進行清洗；（6）前端連接的鎖扣使得裝卸傳感器都比較容易；（7）價格優勢。

正是由于Polar Wear Link傳感器在這些環節上的優點，因此，在運動心率采集和無線發射系統中采用它作為心率傳感器，這樣有效節省了開發時間，這種成熟的傳感器產品在使用中的一致性也比較好，保證后續的開發工作能夠順利進行。

1.2、標準田徑場地與接收器的安放地點

按照田徑規則，標準田徑場地的內道，也就是第一跑道，每圈長度為400m，分別由兩個直道和兩個彎道組成，也可以理解為由四個等分的100m組成。

心率傳感器佩戴在跑步者的身上，心率無線中繼需要自己設計，將四個心率無線中繼安放在直道與彎道的銜接點處，當跑步者經過每個無線中繼時，自動完成信息傳送。無線中繼將心率傳感器發送來的心率信號和當前時間信息實時轉發給遠端的PC計算機進行處理，PC機通過心率、距離、時間三個主要參數實現對跑步者的實時監控，并計算出當前的運動量、運動負荷、運動刺激強度、能量消耗、心臟血液輸出量、心率變異等多種指標。

2、高校“陽光體育長跑教學活動”過程監控相關設備的設計與工作原理

2.1、Polar心率傳感器無線信號傳送特點

Polar心率傳感器的功能是檢測心電信號并通過心電信號計量出R波的間期（兩個鄰近心電R波的時間），從而計算出對應每分鐘的心率值，這個每分鐘心率值反映的是即刻心率值。用軟件濾波方法，對即刻心率數據序列進行處理后獲得平均心率數據。

Polar心率傳感器的數據發送是通過無線方式進行的，以NRF2401無線芯片為核心，工作于2.4GHz ISM頻段的射頻收發心率采集處理裝置。無線頻率范圍2400-2524MHz。

無線發送的數據幀，在ShockBurstTM收發模式下，會自動的處理字頭和CRC校驗編碼。在數據接收時，會把字頭和CRC校驗碼自動移去。在數據發送時，會自動加上字頭和CRC校驗編碼。

無線數據幀，每幀數據的有效字節有26個，在這26個字節中包含有兩個關鍵數據，8bit的即刻心率和8bit的平均心率信息。

芯片最高通信速率1Mbps，具有125個頻道，滿足跳頻通信和多點通信的需要。芯片軟件配置字120bit（15Byte）。配置字是通過軟件設置實現的，具有很大的靈活性。

在120bit的配置字中，bit7-bit1為通道選擇位，允許在125個頻道范圍內進行選擇其一，頻道間距1MHz。無線工作頻率的計算方法為：Channel Frequency=2400MHz+RF_CH#×1MHz。Bit0 是 RXEN選擇位：置1為無線接收數據模式；置0為無線數據發射模式。

POLAR心率傳感器的功率配置，為我們在測試心率數據的同時又能實現距離檢測的設想提供了實現的可能性，最佳的設置是讓跑步者在到達各個100m銜接點4m之內時，接收裝置能夠撲捉到心率傳感器的數據幀。而跑步者在到達各個100m銜接點4m之外時，接收裝置與心率傳感器失聯。通俗的講，跑步者在到達100m銜接點時，會對放置在銜接點處的接收裝置（無線中繼）刷新，以表示自己在某一時刻經過了此處。

2.2、用Polar心率傳感器同時實現測距的原理

如前所述，將四個心率無線中繼安放在直道與彎道的銜接點處（也是四個100m的銜接點處），當跑步者經過每個無線中繼時，中繼就會接收到心率傳感器發出的心率數據幀，同時中繼也就獲得了跑步者到達中繼的時間信息。從節電的角度出發，POLAR心率傳感器的無線發射功率設置在最低檔次，實際可靠傳送距離為3-4m，這樣，在中繼上獲得的時間延遲誤差會很小，足以滿足長跑監控的要求。

2.3、心率傳感器的無線中繼和實時后續處理

需要說明的是對于中繼的功率設計要全面考慮，因為中繼是放置在田徑場內的，多為電池供電。過大的無線發射功率是一個浪費，無線發射功率過小，會導致后端PC計算機數據接收失敗。因此，中繼的發射功率要兼顧供電電源、中繼放置的高度、天線的性能，更重要的是中繼后續遠端處理設備的距離，環境因素等等，進行全面考慮。

目前，市場上以Nrf2401為核心的無線模塊種類很多，使用靈活。從通訊距離上區分，有10m到200m，甚至更遠距離的模塊，這給使用者提供了較大的選擇性。有些模塊還固化有單片機或者留有計算機端口，可以直接使用。

微系統中數據的后續處理可以使用一個筆記本電腦或者臺式PC計算機，接收到四個中繼發送的數據幀后，在屏幕上以數據和曲線方式顯示跑步者當前的運動狀況。包括即刻心率、平均心率、速度、距離等。如果建立一個數據庫，涵蓋年齡、性別、健康狀況、運動能力等計算出能量消耗、縱向運動能力對比、橫向運動能力對比、有效心率控制范圍等與健康和運動效果相關的多種參數。這樣，就可以實時優化鍛煉計劃，達到安全監控和科學鍛煉的目的。

3、心率與速度監測設備的應用實驗

3.1、實驗對象

為驗證系統的基本性能，我們招聘了8名本校在校學生自愿者為實驗對象（其中男生6名，女生2名），對該系統進行了應用測試。同時使用“傳統的人工秒表計時”和研制成功的中長跑過程心率與運動速度的同步實時監控裝置進行測試實驗。

3.2、實驗設備

手動計時秒表4塊，長跑過程心率與運動速度的同步實時監控裝置一套，將四個無線中繼平均分布在400m田徑場第一跑道內側場地上，200m起點處（B點）、200m中點處(C點)、300m起點處（A點）、終點處（D點）各放一個，每個中繼間距100m。

3.3、實驗方法

4名計時員分別站在每個中繼的相同位置。（1）人工秒表計時：發令員發令時，4名計時員同時開表。當測試者到達每個100m計時位置時，該位置上的計時員記錄下當時的成績。800m結束時，A記錄員記錄下測試者跑完100m、500m所用的成績，B記錄員記錄下測試者跑完200m、600m所用的成績，C記錄員記錄下測試者跑完300m、700m所用的成績，D記錄員記錄下測試者跑完400m、800m所用的成績。對8名測試者分別進行測試，記錄下他們每個100m所用時間；（2）設備自動計時：根據Polar心率傳感器無線信號傳送特點，當測試者佩戴心率傳感器到達中繼附近時，中繼就會接收到心率傳感器發出的每秒4幀的心率數據幀，同時中繼也獲得了跑步者到達中繼的即刻時間。當測試者遠離中繼3-4m時，心率傳感器超出了無線發射半徑的范圍，中繼無法接收到數據幀。因此當測試者經過中繼時，中繼會傳送1到幾個數據幀給后端的PC計算機。為了實驗的統一性和準確性，我們在多個數據中選取當跑步者經過每個中繼時中繼接收的最后一個數據為設備計時成績。將數據整理，得到兩種測試方法的計時結果。

4、結果與分析

實驗得知，設備計時和人工秒表計時有一定的延遲。分別以男2和女1為例，以秒表計時的成績為標準，將得到的設備計時結果與人工秒表計時結果相減，得到男2兩種計時方法間的差值和女1兩種計時方法間的差值。而男2和女1每100m的人工秒表計時和設備計時的差值均在0-0.25秒內。根據心率傳感器每秒傳送4次數據幀的特點，中繼每0.25秒接收1幀數據，差值在0.25秒以內符合數據傳送的特點，因此可以認為，設備的計時精度滿足長跑監控的需要。

5、結語

實踐證明，高校“陽光體育長跑教學活動”是一項能有效促進大學生身心健康的活動。但是，要使每一位個體都達到有效的運動效果，科學運動是一個重要的環節，運動量過小，達不到合理有效的運動刺激強度，而過量的刺激則有可能損傷機體。科學的、合理有效的長跑體育活動，是我們追求的目的。因此，用心率實時監控長跑者的運動負荷，用速度、距離實時監控中長跑這的運動軌跡，對長跑者的運動過程進行全方位的在線科學指導和安全監控尤為重要。

本研究從集群監控與指導的角度出發，基于微系統設計的應用層面，針對POLAR心率傳感器無線信號傳送的特點、同步實現了對長跑運動者的測速、測距；對心率傳感器的無線中繼和實時后續處理諸方面進行了深入研究，設計實現了長跑過程心率和速度的同步監測并通過無線中繼，達到了實時遠程監控的目的。應用實驗表明，這套微系統方法簡單、設計合理，可以滿足長跑鍛煉的要求。對于長跑過程的安全監控、合理調配運動量、控制運動強度以及科學鍛煉具有較強的實用價值，為高校“陽光體育長跑教學活動”提供了有效的參考依據。