可穿戴式運動健康監護系統的研制

簡婧 彭嵐 付偉 葉儷瑋 葛雨

摘 要：當今社會，亞健康已經成為越來越多人群的狀態。為保障運動安全，需要使用一定的方法對運動進行安全保障?？纱┐鬟\動健康監護系統利用51單片機，對各個功能進行控制；結合多種傳感器，對身體體征進行數據監控；配有LED夜間提示，使夜間活動這一方式更為安全便捷；總體裝置采用魔術貼對其實現可拆卸，實現衣服可清洗、多種多樣風格任意切換。綜合提高運動者的運動健康。

關鍵詞：運動；安全；便捷

中圖分類號：TP274 文獻標志碼：A

現今，中國亞健康人數已達到76%。運動時頻發問題，該不該運動、應如何保障運動安全已逐漸成為熱門問題。

1 產品概述

隨著社會經濟的不斷發展，越來越多的人加入到戶外運動的行列，在戶外運動中如何有效地保障運動者安全這一問題日益凸顯?，F今運動發生危險狀況頻發，如：馬拉松猝死、夜行橫遭危險等。因此在未來可穿戴式健康監護產品將成為主流發展趨勢。本項目利用魔術貼使其可拆卸易攜帶，結合心率監測、環境監測、摔倒提醒、GPS定位、LED提示等功能，提高運動的安全性，保護運動人員的身體健康。衣服背后的LED燈可以有效地提醒運動人員后方車輛與行人并增加趣味性，并且隨心率改變變換顏色。以此實現及時提醒運動者修正運動強度。

2 設計方案

整體系統如圖1所示，下文對其進行細節描述：

（1）檢測跌倒。采用MPU6050測量使用者跑步的步數以及檢測使用者在使用過程中是否因為運動及其身體原因發生跌倒甚至暈倒。跌倒后，使用者自身的姿勢將由直立變為臥躺。此時，MPU6050的三軸姿態解算將解算出臥躺時的航向角、俯仰角、橫滾角。顯然，此時的3個角度數值與站立時是不一樣的。通過實驗，可以在程序中設定一個跌倒閾值，當3個角度的某一角度或者三者的計算結果低于該值一定時長（比如10s），便可認定使用者已經跌倒。然后將結果傳送至手機APP，再由其設定條件及程序做出下一步的運行情況。

（2）檢測心率。心率可以反映使用者心跳的次數。當一個人在運動時，由于人體消耗做功增加，需要的氧氣量也隨之增加。所以作為動力泵的心臟跳動次數也隨之增加。而人體運動時，只有在合理的范圍內增加心臟的“負擔”才能更健康的鍛煉身體。心率檢測采用云電高科的MK0703智能穿戴脈搏波心率測試模塊。因其具有體積小巧、超低功耗、內置心率算法以及輸出串口信號等優勢，所以能很快地將使用者心率傳輸至MCU。再由設定的年齡、性別以及健康運動時的心率數值進行數據處理分析。判斷使用者是否處于合理的運動強度。運動者可以根據“有效心率區”來控制自己的運動負荷，選好了最大心率計算公式后得到一個初始最大心率，運動者按照這個最大心率劃分的運動負荷等級開始訓練，并根據主觀體力感覺調整最大心率，每次調整可以加減5。本文選取的最大心率計算公式，見表1。

（3）LED提示。夜間視線不佳，本LED以向左向右箭頭提醒后方人群，并且能夠隨心率的改變而進行相應的變色，對后方行人更有警示作用。綜合色彩可變化，亮度強等因素，采用WS2812LED進行夜間提示，其功耗小且輕便小巧，綜合性價高。

（4）環境溫度濕度檢測。溫濕度采用DHT11傳感器進行檢測使用者后背的體表溫度以及濕度。用MCU控制檢測的時長間隔。每隔10s進行檢測數據，經MCU判斷使用者體表溫濕度是否合乎使用者繼續運動的條件后，在將結果及處理結果通過藍牙傳輸至手機APP中進行顯示及提示。這樣能夠讓使用者及時地了解自身運動地出汗及體溫情況然后合理安排運動強度。

（5）智能終端接收APP。目前市場上的智能手機都內置藍牙通信模塊。當手機作為藍牙接受的終端時，通過手機應用程序可以調用內嵌的藍牙通信模塊。按規定通信協議接受數據并保存在緩存中，從而把接收到的心率，大氣壓，運動狀態等數據轉化為數值。這些數值以數據流的方式顯示，并且實時保存記錄便于檢測運動狀況。安卓智能終端實時接收數據并判斷是否發生嚴重跌倒的情況。若發生該情況，手機調用內嵌的GPS導航定位模塊，將用戶當前的地理位置通過短信消息傳到特定聯系人，從而通知其前來救助。

3 可行性分析及性能優勢

近年來我國戶外運動安全事件頻發，黑暗中夜跑被誤撞，慢跑跌倒猝死，獨自運動受傷無法得到及時治療等等。現如今，國內外有很多的戶外運動設備，但它們主要功能是記步及簡單的定位求助功能，并不具備通信救助及實時監測運動環境及運動者和環境的交互功能。同期很多公司研發的運動式手環能夠計量步數卻極易受晃動影響導致數據不夠精準，功能較為單一，不能實現實時的信息交互，存在很大改善空間。根據調查了解，國際上也有很多相似的課題正在推進中，從信息交互、提供準確性、功能完備等多個角度入手 ，其便攜性和靈活性不好，且測量結果有一定誤差，價格高昂?？梢娢覀兊捻椖磕芘c國際接軌，具有一定的研究價值。值得肯定的是，未來這類產品將不斷發展，并且將改善人們的健康保障。針對現在的缺點，我們的項目將技術更進一步的引入現有的健康監護設備：美觀便捷靈活；準確性較高；加入夜跑指示方向功能；及時性好，可實現用戶信息實時交互；應用人群廣綜合性強。

4 創新點

（1）戶外運動中引入智能穿戴設備，對運動的實時數據（心率、氣壓等）進行自動化分析管理，無須人工計算。各指標可衡量運動者的運動質量，有利于自身健身計劃的完善與提高。（2）對運動者進行定位實時交互，及時更新數據。在心率異常時可進行預警，實時通知運動者注意安全。若意外發生則可通過藍牙連接手機APP及時通知家人朋友。應用人群廣，綜合性強，是在傳統計步測速等基礎功能上的一次突破。（3）對于運動者而言，該產品可拆卸可清洗，外表美觀，增加了顧客采購的自主性和娛樂性，提高了人們的生活質量。

參考文獻

[1]宋海永.基于戶外運動的便攜式生命健康系統開發[D].山東：山東大學，2014.

[2]曾斌.運動心率監測系統的研究與實現[D].江西：江西師范大學，2016.