運(yùn)動(dòng)員遠(yuǎn)程監(jiān)控之軟件設(shè)計(jì)、編譯，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及主要技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算分析＊

呂永忠，張慧珍，李鵬飛

（甘肅省體育科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730050）

運(yùn)動(dòng)員遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件由心率數(shù)據(jù)編碼軟件、數(shù)據(jù)分析軟件以及終端計(jì)算機(jī)三部分構(gòu)成。采用綠光心率傳感器技術(shù)、無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)等，對(duì)主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析。后期對(duì)產(chǎn)品的擴(kuò)展給予展望。

1 軟件設(shè)計(jì)

1.1 心率數(shù)據(jù)編碼軟件

BMD101數(shù)據(jù)輸出采用標(biāo)準(zhǔn)UART接口，配置1位起始，8位數(shù)據(jù)字節(jié)和1位停止，數(shù)據(jù)包格式如圖1所示。數(shù)據(jù)格式如圖2所示。

圖1 BMD101數(shù)據(jù)包格式

圖2 BMD101數(shù)據(jù)行格式

1.2 數(shù)據(jù)分析軟件

主要內(nèi)容包括：心率變化與心肌消耗的關(guān)系及數(shù)學(xué)模型，心電圖分析等。此部分內(nèi)容有待依據(jù)體育科研成果進(jìn)行后續(xù)開(kāi)發(fā)。

1.3 終端計(jì)算機(jī)軟件

1）終端人機(jī)界面軟件：采用Delphi7.0圖形編輯器軟件，主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）運(yùn)動(dòng)員名字錄入：能夠錄入不少于8個(gè)運(yùn)動(dòng)員名字，依次顯示在運(yùn)動(dòng)員心率數(shù)據(jù)選擇按鈕上。

（2）運(yùn)動(dòng)員選擇：通過(guò)觸摸屏上的8個(gè)選擇按鈕選擇運(yùn)動(dòng)員，每次只能選擇1名運(yùn)動(dòng)員，同時(shí)只顯示和分析該名運(yùn)動(dòng)員的心率數(shù)據(jù)。

（3）心電圖顯示：在電腦顯示屏心電圖顯示框內(nèi)畫(huà)出運(yùn)動(dòng)員心電圖，心電圖數(shù)據(jù)率約為512Hz，顯示要平滑，必要時(shí)采取濾波算法。

（4）實(shí)時(shí)心率顯示：在電腦顯示屏實(shí)時(shí)心率顯示框內(nèi)畫(huà)出顯示運(yùn)動(dòng)員實(shí)時(shí)心率，心率數(shù)據(jù)率約為1Hz。

（5）平均心率顯示：在電腦顯示屏實(shí)時(shí)平均心率顯示框內(nèi)畫(huà)出顯示運(yùn)動(dòng)員平均心率，平均心率計(jì)算有兩種方式：一是通過(guò)對(duì)心電圖數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)每分鐘過(guò)門(mén)限的脈沖數(shù)，進(jìn)行1位滑窗處理得到數(shù)據(jù)率約為1Hz的平均心率；二是統(tǒng)計(jì)每分鐘內(nèi)實(shí)時(shí)心率上報(bào)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，通過(guò)滑窗得到平均心率。建議采用第一種方式，但第二種方式更為簡(jiǎn)單。

（6）麥克風(fēng)按鍵：通過(guò)觸摸顯示屏上的麥克風(fēng)按鍵，打開(kāi)平板電腦的語(yǔ)音發(fā)送功能，以WIFI形式發(fā)送教練員語(yǔ)音指導(dǎo)指令，發(fā)送完畢后再次按下該鍵語(yǔ)音發(fā)送停止，此時(shí)如果需要可以自動(dòng)發(fā)送電腦上預(yù)先儲(chǔ)存的適合于體育鍛煉的音樂(lè)。

（7）消息顯示功能：在電腦顯示屏消息顯示框內(nèi)依次顯示整個(gè)系統(tǒng)的各種狀態(tài)，內(nèi)容包括：運(yùn)動(dòng)員心肌消耗分析結(jié)果、設(shè)備無(wú)線通訊狀態(tài)、設(shè)備電池電量等。

2)心率表數(shù)據(jù)解析。心率表數(shù)據(jù)采用異步串行鏈，數(shù)據(jù)格式和定義如下列圖3所示。

圖3 心率表數(shù)據(jù)格式和定義

3)語(yǔ)音采集及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。該部分軟件的功能為依據(jù)界面命令打開(kāi)電腦麥克風(fēng)并對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采集及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，另外能夠打開(kāi)音頻播放器并對(duì)進(jìn)行音頻網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 腕式心率表結(jié)構(gòu)

腕式心率表的組成和表面尺寸比例如圖4所示；

心率表芯（不含天線）結(jié)構(gòu)如圖5所示；

5)研究開(kāi)發(fā)元數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)中評(píng)估打分指標(biāo)及權(quán)重賦值體系(AHP層次分析法、多層次模糊綜合評(píng)價(jià)法、統(tǒng)計(jì)平均法)、打分策略算法(綜合評(píng)分法、功效系數(shù)法、綜合指數(shù)法)以及安全推理知識(shí)體系的定義、描述、管理維護(hù)。

心率表外形如圖6所示。

圖4 心率表組成和表面尺寸比例

圖5 心率表芯結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 心率表側(cè)視圖

心率表外殼需要進(jìn)行外形美觀設(shè)計(jì)和鑄模設(shè)計(jì)。

2.2 無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器結(jié)構(gòu)

1)無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器采用便攜廂式結(jié)構(gòu)，外形尺寸如圖7所示。

圖7 無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器俯視圖

2)無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器構(gòu)成單元及其平面尺寸比例如圖8所示。

圖8 無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器構(gòu)成單元及其平面尺寸比例

3)無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器布局如圖9所示。

圖9 無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器布局

2.3 終端顯示器結(jié)構(gòu)

采用10.1吋屏平板電腦，外加皮質(zhì)保護(hù)罩。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 綠光心率傳感器技術(shù)

綠光心率傳感器的原理是：根據(jù)郎伯－比爾（lamber－beer）定律，物質(zhì)在一定波長(zhǎng)處的吸光度和他的濃度成正比，當(dāng)恒定波長(zhǎng)的光照射到人體組織上時(shí)，通過(guò)人體組織吸收、反射衰減后測(cè)量到的光強(qiáng)在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。

綠光心率傳感器使用了最適合測(cè)量脈搏用的發(fā)光波長(zhǎng)，即570nm發(fā)光波長(zhǎng)的綠光，心率測(cè)量靈敏度更高，由它做成的腕式心率即使是手臂做劇烈晃動(dòng)，對(duì)于心率測(cè)量也沒(méi)有影響。

由綠色波長(zhǎng)的發(fā)光LED和一個(gè)光敏傳感器組成，利用血液中的血紅蛋白容易吸收綠色等特定波長(zhǎng)的光的特性，用LED照射腕部皮膚，通過(guò)捕捉皮膚表面綠色成分的亮度變化來(lái)檢測(cè)脈搏。

3.2 無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)

通過(guò)無(wú)線組網(wǎng)解決多名運(yùn)動(dòng)員心率數(shù)據(jù)向教練員監(jiān)測(cè)終端的傳輸，以及教練員訓(xùn)練指導(dǎo)指令向運(yùn)動(dòng)員廣播的雙向通訊。

無(wú)線組網(wǎng)由心率表無(wú)線數(shù)傳、無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器和教練員監(jiān)測(cè)終端的WIFI設(shè)備構(gòu)成，心率表與無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器之間采用2.4GHz多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)的無(wú)線數(shù)傳模式，無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器與教練員監(jiān)測(cè)終端之間采用5.8GHz無(wú)線AP。另外在無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器中裝置了2.4GHz遠(yuǎn)距離藍(lán)牙發(fā)射器，與運(yùn)動(dòng)員佩戴的藍(lán)牙耳機(jī)配對(duì)后進(jìn)行教練員訓(xùn)練指導(dǎo)指令的傳輸。

無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器要求放置在訓(xùn)練場(chǎng)的中心地帶。

4 主要技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算分析

4.1 傳感器測(cè)量精度估算

由于采用心電圖數(shù)據(jù)采集方式，數(shù)據(jù)率高達(dá)512Hz，假設(shè)被測(cè)心率為60次/min，則平均心率的理論測(cè)量誤差為3×10-5次/min，實(shí)時(shí)心率的理論測(cè)量誤差為 2×10-3次/min。

4.2 無(wú)線傳輸能力估算

1）心率表與無(wú)線中轉(zhuǎn)器之間的傳輸能力。無(wú)線數(shù)傳模塊的實(shí)測(cè)傳輸距離為170m，無(wú)線中轉(zhuǎn)器的天線增益為12dB，比原模塊配置的天線增益至少增加6dB，則傳輸距離增加到340m。

2）無(wú)線中轉(zhuǎn)器與監(jiān)測(cè)終端之間的傳輸能力。ARG1220型WIFI路由器的傳輸距離大于3000m。

3）藍(lán)牙傳輸耳機(jī)接聽(tīng)距離。采用BLK-BTD-6610型超遠(yuǎn)距離藍(lán)牙發(fā)射器，連接普通Class2藍(lán)牙設(shè)備實(shí)測(cè)距離可達(dá)到500m。

5 產(chǎn)品系列化展望

5.1 探測(cè)功能的擴(kuò)展

1)增加運(yùn)動(dòng)員血氧飽和度監(jiān)測(cè)功能：血氧飽和度的測(cè)量方法與本方案采用的綠光心率測(cè)量類(lèi)同，通過(guò)分析ECG數(shù)據(jù)就可以同時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員心率和血氧飽和度的變化情況，血氧飽和度的軟件分析和血氧飽和度的標(biāo)定方法需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)。

2)增加運(yùn)動(dòng)員體溫監(jiān)測(cè)功能：通過(guò)增加體溫傳感器，利用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和無(wú)線組網(wǎng)功能，可以比較方便地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員體溫監(jiān)測(cè)。

3)增加運(yùn)動(dòng)員體血壓測(cè)功能：目前的血壓傳感器體積較大，未來(lái)如果出現(xiàn)微型血壓傳感器，就可以增加運(yùn)動(dòng)員體血壓測(cè)功能。

5.2 通訊功能的擴(kuò)展

1)擴(kuò)大被測(cè)運(yùn)動(dòng)員的數(shù)量：通過(guò)對(duì)無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)的深一步研究，在不改變現(xiàn)有硬件的情況下，有望實(shí)現(xiàn)數(shù)十名運(yùn)動(dòng)員的生理數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2)教練員異地訓(xùn)練指導(dǎo)：采用電信通訊介入方式，實(shí)現(xiàn)教練員異地對(duì)運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練指導(dǎo)。

3）運(yùn)動(dòng)員活動(dòng)軌跡記錄和顯示：采用電信通訊介入方式和增加GPS功能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員活動(dòng)軌跡的記錄和顯示。