“運動員動態心率監測系統”設計、研發及應用

李鵬飛 呂永忠

（甘肅省體育科學研究所 甘肅 蘭州 730050）

本系統由四個部分組成,分別為腕式心率表、腕式智能手機、電信組網設備以及監測終端。腕式心率表由光波照射到皮膚表面，心率表光波通過照射和反射方式傳送到心率手表的光電接受裝置，相關數據與已有模型數據進行對比來分析運動員耗氧情況；腕式智能手機用于測試心率數據的接收和無線發送；組網設備用于數據在廣域網中的無線傳送；監測終端用于教練員實時觀察運動員心率，監測運動員生理狀態。在實際訓練過程中多名運動員手腕同時穿戴腕式心率表和智能手機，通過廣域網采集運動員的心率數據并發送到教練員手持監控終端。教練會通過觀察運動員的實時心率變化來分析訓練負荷。

1、研究對象與方法

1.1、研究對象

本研究以運動員動態心率監測系統的設計、研發及應用為研究對象。

1.2、研究方法

（1）文獻資料法。

通過中外文獻檢索數據庫了解基本的知識結構和建模理論,結合實際需要進行研發。

（2）實驗法。

根據運動員動態心率監測系統的可操作性進行試驗,通過重復試驗進行測試,從中不斷改進,最終形成本系統。

2、系統總體設計

2.1、系統硬件組成與特點

運動員動態心率監測系統硬件四方面組成。產品特點：（1）心率監測反應靈敏，測試結果準確、穩定；（2）可同時對多名重點隊員進行監控和評價，適用于大多數專業運動隊的訓練科目；（3）利用全國電信網絡進行數據傳送，做到無死角傳輸，監控訓練不受場地的影響；（4）體積小巧、便于攜帶；（5）產品能夠使教練員直觀地掌握運動員在實際訓練中的心率變化情況，對訓練過程的監控具有及時性和科學性，教練員可以根據具體情況對訓練計劃進行及時調整，減小訓練的盲目性，增加訓練的有效性。

（1）心率表。

選用量產國際知名品牌心率表，通用藍牙數據接口。選型注意事項：①能夠保證探測深色皮膚測量的準確性（即使運動員手臂上有紋身也能準確進行心率測量）；②為了減輕運動員負載，盡量選用低重量、小體積、方便穿戴的產品。

（2）數傳手機。

選用量產國產品牌手機，自主研發應用軟件。選型注意事項：為了減輕運動員負載，盡量選用低重量、小體積、方便穿戴的產品，如腕式手機。

（3）電信組網設備。

通過中國電信網絡進行數據傳輸。

（4）教練員終端。

選用量產國產知名品牌平板筆記本，自主研發應用軟件。選型注意事項：盡量選用高亮度、平板、輕便的產品。

2.2、系統軟件設計

運動員動態心率監測系統軟件由心率檢測軟件和教練員終端計算機軟件兩部分構成。

（1）心率檢測軟件設計。

①軟件需求

解決心率表和數傳手機藍牙配對、數據接收、運動隊名稱和運動員姓名輸入、映射端口域名及其端口號輸入、數據無線電信網絡發送。

a.數傳手機和心率表藍牙配對；

b.心率表數據藍牙接收。需分析心率表的藍牙數據格式，進行數據解析；

c.受測運動隊名稱及運動員姓名的輸入。軟件顯示界面上具有運動隊名稱和運動員姓名輸入欄，可以輸入6 個字符，支持漢字輸入；

d.映射端口域名及其端口號輸入。軟件顯示界面上具有映射端口域名輸入欄，可以輸入英文字符，例如“jiawei.ipqq.net”；具有端口號輸入欄，可以輸入數字字符，如“10076”；

e.數據無線電信網絡發送。把解析后的心率表有用信息、運動隊名稱、運動員姓名等數據打包成TCP 數據包，然后通過4G 網絡發送到指定的映射端口域名(指定了端口號)。

②主要功能

a.數據通信功能主要實現數據接收和數據解析。數據接收，用于從匹配的藍牙設備(心率表)中接收心率數據；數據解析，用于對接收到的數據按特定的協議進行解析處理；

b.數據顯示功能用于將解析的數據，包括運動員姓名、運動項目、實時心率，顯示在界面上；

c.網絡發送功能用于將運動員姓名、運動項目和實時心率數據，通過網絡發送到設置的服務器IP 地址上；

d.網絡狀態檢測功能實時檢測網絡的通信狀態，并將檢測到的狀態顯示出來。

③主要指標要求

a.軟件性能指標,采集數據率：約1 次/s；

b.環境指標要求,心率檢測軟件運行所需要的基本硬件環境標準(表1 所示)；

表1 硬件環境表

心率檢測軟件運行所需的軟件環境由操作系統、應用軟件、軟件具和編程語言組成，該軟件運行所需的軟件環境要求(表2所示)。

表2 軟件環境要求表

④軟件設計

心率檢測軟件由初始化單元、參數設置單元、藍牙接收單元、接收數據處理單元、網絡發送單元、網絡狀態檢測單元、顯示單元組成。

a.初始化單元。初始化單元是軟件的入口，完成全局變量賦值、界面初始化、網絡初始化，開啟軟件定時。界面初始化,對界面布局進行初始化，主要是初始化界面中各個控件的大小和位置。網絡初始化,對網絡發送服務套接字初始化。軟件定時,軟件主定時周期為200ms，通過主定時計數，生成1s 定時函數。在定時函數中，完成界面顯示的更新、狀態檢測等功能；

b.參數設置單元。參數設置單元用來設置以下參數：運動員姓名、運動項目、服務器IP 地址及端口、心率表藍牙設備。運動員姓名、項目：用來設置訓練人員姓名和訓練項目。心率表藍牙設備：心率檢測軟件通過藍牙與心率表連接，接收心率表的數據。軟件啟動后通過選擇藍牙設備，設置與哪個心率表連接；服務器IP 地址和端口：用來設置網絡接收端的IP 地址和端口；

c.藍牙接收單元,在藍牙接收服務線程中，實時檢測藍牙端口是否有數據。一旦有數據到來，首先判斷幀頭和數據長度是否滿足要求。只有滿足協議規定要求的數據幀才會記錄并進入到數據處理單元進行處理；

d.接收運動員心率數據處理單元對藍牙接收到的數據進行解析，并進行容錯處理。接收數據主要指瞬時心率。數據處理單元將瞬時心率、接收時的時間、設置的運動員姓名和運動項目打包成一幀待發送的數據；

e.心率檢測軟件網絡發送單元由接收數據處理單元調用。接收心率數據處理單元打包完一幀完整的數據后，調用網絡發送單元，將數據通過網絡發送出去。發送的目的IP 和端口由參數設置單元設置；

f.網絡狀態檢測單元由定時函數調用。在1s 的定時函數中，調用網絡狀態檢測單元，定時檢測網絡連接狀態。網絡狀態檢測單元采取定時ping 服務器IP 地址，如果有返回值，則網絡處于連接狀態；

g.顯示單元由定時函數調用。用來實時顯示運動員姓名、運動項目和接收到的心率數據。

⑤軟件實現

運行心率檢測軟件：在手機顯示界面上找到名稱為“運動員動態心率檢測系統”軟件圖標，點擊圖標運行軟件，出現下圖所示歡迎界面(圖1 所示)。

圖1 軟件歡迎界面

參數設置界面：約2s 后，軟件進入設置界面，在“運動隊”一欄中填寫運動隊名稱，如：“女子中長跑隊”、“男子自行車隊”、“摔跤隊”等；在“運動員”一欄中填寫運動員名字或代號，如：“張三”、“男隊員1”等，點擊“保存”按鍵，進入“輸入密碼以確認存儲”界面，輸入正確的密碼后保存設置。

和心率表的第一次匹配：保證心率表處于心率測量狀態，在“發現設備”欄就會出現“MIO GLOBAL-ALPHA2”的設備標識，點擊該標識，程序會自動連接該心率表，同時在“已知設備”欄顯示該設備的代碼。網絡通訊建立：如果手機的“移動數據”處于打開狀態，“設備狀態”欄會自動顯示“網絡通訊建立”，同時在心率顯示欄出現被測運動員的心率數值。心率顯示界面：設置界面完成后約兩秒，程序自動進入心率顯示界面，

⑥安裝和調整

將“心跳檢測手機版.apk”安裝包拷貝到手機上，運行后自動安裝心率檢測軟件；手機開啟藍牙，與心率表進行匹配連接。軟件自動接收心率表的數據，顯示在界面上，同時發送到服務器IP 地址。

（2）教練員終端計算機軟件。

①軟件需求

解決教練員終端計算機和nat123 端口映射軟件在內網啟動映射、多組心率數據接收、運動隊名稱和運動員姓名解析、瞬時心率解析、平均心率計算、心率數據圖形顯示。a.自動加載NAT123 軟件，完成nat123 端口映射軟件內網映射；b.多組心率數據接收。利用TCP 通訊協議，接收端口映射網站轉發的心率數據；c.受測運動隊名稱以及運動員姓名解析。軟件顯示界面上具有運動隊名稱和運動員姓名顯示欄，可以顯示6 個漢字的運動隊名稱和運動員姓名，可依據運動隊名稱把運動員自動歸類到多個運動組；d.瞬時心率解析。解析運動員瞬時心率值；e.平均心率計算。通過滑窗算法求取運動員平均心率值；f.心率數據圖形顯示。相關測試數據以相關圖表的形式進行呈現。

②主要功能

a.數據傳輸功能主要達到數據接收和數據解析。數據接收，用于從互聯網指定的服務器中接收心率數據；數據解析，用于對接收到的數據按特定的協議進行解析處理；

b.數據顯示功能用于將解析的數據，包括運動員姓名、運動項目、實時心率，顯示在終端上；

c.心率曲線繪制功能用于將心率數據以曲線形式顯示出來，并可以切換平均心率和瞬時心率；

d.數據表格顯示功能用于將數據以表格形式顯示出來。包括姓名、運動項目、瞬時心率、平均心率、采集時間；

e.網絡狀態檢測功能實時檢測網絡的通信狀態，并將檢測到的狀態顯示出來；

f.心率設備在線狀態檢測功能實時檢測心率設備是否在線，并將最多8 個心率設備的狀態顯示出來。

③主要指標要求

a.軟件性能指標

監測數據率：約1 次/s；監測心率設備數量：8 個。

b.環境指標

第一，硬件環境

監測終端軟件運行所需的硬件環境要求(表3 所示)。

表3 硬件環境表

第二，軟件環境

監測終端軟件運行所需的軟件環境由操作系統、應用軟件、軟件具和編程語言組成，該軟件運行所需的軟件環境要求(表4所示)。

表4 軟件環境要求表

④軟件設計

監測終端軟件由初始化單元、網絡接收單元、接收數據處理單元、網絡狀態檢測單元、曲線繪制單元、心率設備在線狀態檢測單元、顯示單元、數據存儲單元組成。

a.初始化單元,初始化單元是軟件的入口，完成全局變量賦值、界面初始化、網絡初始化，開啟軟件定時。界面初始化：對界面布局進行初始化，主要是初始化界面中各個控件的大小和位置。網絡初始化：對網絡接收服務套接字初始化，進行網絡接收服務線程的初始化。軟件定時：軟件主定時周期為200ms，通過主定時計數，生成1s 定時函數。在定時函數中，完成界面顯示的更新、狀態檢測等功能；

b.網絡接收單元在網絡接收服務線程中，實時檢測網絡端口是否有數據。一旦有數據到來，首先判斷幀頭和數據長度是否滿足要求。只有滿足協議規定要求的數據幀才會記錄并進入到數據處理單元進行處理；

c.接收數據處理單元對接收到的數據進行解析，并進行容錯處理。每一個有效數據幀長度40 字節，數據內容包括運動員姓名、項目名稱、采集時間和瞬時心率。數據處理單元對瞬時心率進行容錯處理，拋棄異常數據，以免影響統計數據的真實性；

d.網絡狀態檢測單元,當網絡接收單元中連續若干個周期都沒有接收到數據時，在1s 定時函數中開啟網狀態檢測。網絡狀態檢測單元采取定時ping 某外部網站，如果有返回值，則網絡處于連接狀態；

e.曲線繪制單元,曲線繪制單元由1s 定時函數調用。將解析后的心率和采集時間繪制在圖表中。最多支持8 路心率數據，以不同的顏色進行區別；

f.心率設備在線狀態檢測單元,用于檢測心率設備是否在線。當心率設備軟件啟動后，自動以每秒一幀的周期發送心率數據。監測終端軟件根據接收到的數據判斷心率設備是否在線。連續若干個周期都沒有接收到數據時，判定該路心率設備未連線；

g.顯示單元由定時函數調用。用來實時顯示每路心率設備的數據，包括運動員姓名、運動項目、瞬時心率、平均心率。并以表格形式顯示出來；

h.數據存儲單元由接收數據處理單元調用。當數據解析正確時，按照定義的數據格式，將解析數據存儲到本地磁盤中。

⑤軟件實現

監測終端開機后，自動加載NAT123 軟件，并自動運行終端軟件。終端軟件主界面(圖2 所示)。

圖2 監測終端軟件主界面

軟件按每2s 一次的周期檢測網絡狀，如果互聯網未連接時，以紅色文字顯示；當互聯網連接時，隱藏文字消息。軟件以1 次/s 的周期輪詢檢測8 個心率設備在線狀態，如果某個心率設備在線，則在界面中顯示該設備所屬的運動員名稱和心率數據。心率曲線顯示界面：點擊“曲線”欄，進入心率曲線顯示界面(圖3 所示)。

圖3 心率曲線顯示界面

測試結束后，點擊“關閉”按鈕，退出終端軟件。

3、正樣機試制

正樣機研制開始于2020 年1 月，于2020 年6 月完成產品試制、調試和驗證工作。

（1）正樣機研制充分考慮了實際需要提出的意見和建議，研制方案做了如下重大調整：

①心率表采用目前國際最準確可靠的美國邁歐心率表，該表采用腕式結構，測量精度和心電圖測量結果的相似度達到99%；

②心率數據傳輸采用電信廣域網，徹底解決了監測場地覆蓋范圍的問題，在全國電信網絡覆蓋范圍內均可使用，如果使用了國際漫游，在全世界電信網絡覆蓋范圍內也可正常使用；

（2）正樣機研制過程中主要解決的技術問題主要是軟件研制，有如下幾個方面：

①“運動員動態心率檢測系統”APP 軟件研制：該軟件解決了心率表數據藍牙接收、運動隊分組、運動員姓名輸入和心率數據無線電信網絡發送問題；

②8個心率表和心率顯示平板計算機組網及其軟件研制：這些工作解決了心率數據在電信廣域網內的通訊問題；

③終端顯示軟件的完善：通過軟件完善，增加了平均心率計算、心率數據曲線顯示、心率數據表格顯示、運動時心率數據自動存儲、存儲心率數據回放、運動員告警心率設定、運動隊組別區分和顯示、運動員姓名顯示等等功能，同時對顯示界面進行了系統的平面優化設計。

4、結語

現階段心率一直是競技體育中判定運動訓練強度的有效指標，由于人體的心率具有在不同的機能狀態下呈現出不同數值這一特征,且運動負荷不同,心率表現也會不同。所以心率指標在運動訓練過程中是動態波動的。同時，在訓練中心率還能側面反映出專項訓練方法和手段的合理性以及訓練恢復過程、恢復手段的效果。所以在現代競技體育訓練中,心率監測尤為廣泛,而動態的實時的心率監測在運動訓練中極為重要。在日常訓練中教練員可以根據運動員動態心率進行日常訓練負荷的調整,這樣訓練計劃更為合理客觀。傳統的心率監測手段都是通過訓練后進行測試,這樣的測試不能做到及時的監測數據,同時這種測試也會影響到訓練效果。本系統通過腕式心率表、腕式智能手機、電信組網設備和監測終端，實現了運動員遠程心率的實時監測，相比傳統心率測試系統表現得更為精確、直觀。心率動態監測系統對運動隊的數字化建設有著積極意義，同時也踐行了“科訓結合”這一理念。