阳光体育运动学生心率负荷的实时监控系统构建

　　随着信息技术和传感器技术的不断发展,使用数字化手段进行人体运动相关数据的采集、存储和分析是体育信息化发展的必然趋势,加快了学生体质健康监测工作科学化、现代化的步伐.本论文使用单片机和心率传感器技术采集学生运动过程中的实时心率,并对数值进行存储、传输和分析,以此探索学生阳光体育运动负荷的实时监控方法和理论,进而形成一套完整的监控系统.

　　运动负荷包含负荷强度和负荷量两个方面,负荷强度是指 身体应激水平或反应水平的单位量,负荷量是这种单位量在时间上的累积,其中负荷强度无疑是运动负荷的核心内容.对于负荷强度的评价目前主要采用心率作为评价的生理学指标,大量研究证实心率负荷强度反映的内容并不局限于单纯的外部负荷强度,它可能包含运动的具体形式、节奏变化和运动员的情绪、对运动的适应程度等多方面的因素,能够反映出身体活动的外部物理刺激和心理刺激的最终效果,其本质就是运动引发的生理应激水平.因此,本论文采用心率作为阳光体育运动负荷强度的主要监测指标,通过对学生心率的实时采集和分析,实现对运动强度和运动效果的客观性评价.

　　1 系统硬件设计

　　1.1 系统功能分析

　　心率负荷实时监测系统的核心部分是心率的采集和数据的处理,系统需实现如下功能:

　　1.在腰部进行信号采集,采集器佩戴方便,不影响正常运动;2. 正确采集心率信号,误差小于±5次/min;3.每 2 s 采集 1 次心率值,每 3 个值计算并存储 1 次平均值;4.断电后数据不丢失;5.在手腕上实时显示心率值;6.教师能够通过无线方式收集所有学生心率值,且发射距离大于 50 m;7.采集数据采用 FAT32 格式存储,方便计算机直接读取;8.体积小,功耗低,能满足 45 min 教学需要.

　　1.2 系统整体结构设计

　　根据以上功能需求,将系统分为了学生心率采集、手腕心率显示和教师数据收集三个模块,其结构如图 1 所示.整个系统选用 STC12LE5A60S2 单片机,它具有 1 个时钟/机器周期、2 路 PWM、8 路 10 位高速 A/D 转换、2.5×105 次/s、管脚直接兼容传统 89C52、36~44 个 I/O 口、内部 R/C 时钟、解密难度高等特点.首先学生心率采集模块中得单片机 1 采集心率传感器的数据,并存储到数据存储器中,单片机 2 读取数据存储器中的数据,并利用无线传输模块将其实时发送到学生手腕心率显示模块,通过显示器实时显示学生心率值.运动结束后,学生将整个阳光体育运动采集到的心率值集中使用无线方式发送到教师数据收集模块中.

　　1.3 心率传感器选择

　　目前心率传感器主要分为压电式、光电式和心电式 3 种.其中,压电式传感器通过感受脉动处压力的变化来采集心率,其采集点通常设在手腕处,并且对于采集点的位置要求比较高,如果采集点偏离则丢失信号,学生自己佩戴难度较大,另外,在运动过程中,信号扰动较大,导致数据不准确,因此,这种传感器通常用于静止状态下心率采集;光电式传感器通过感受脉管容积的变化来采集心率,其采集点通常设在指尖处,而且不便于佩戴,一般不适用于运动状态下心率采集;心电式传感器通过感受人体生物电的变化来采集心率,通过多点检测能够获得较为准确的心率信号,而且在运动过程中信号扰动较小,所以该系统对学生心率的采集选用心电式传感器.

　　但是,心电式传感器也有其自身的缺点,其电极通常使用导电硅胶粘在身体上,运动过程中学生会分泌大量汗液,导致电极脱落或接触不良,而且这种电极多为一次性产品、易损坏、易受污染,不利于长期使用.为克服以上困难,系统尝试采用两块金属电极片作为导电电极,与主控电路板一起封装在一条束带中,使用时将束带直接接触皮肤系于腰间,其示意图如图 2 所示.使用金属电极片能有效提高电极导电性能,不易产生脱落现象,克服了导电硅胶在使用过程中的缺陷,经测试信号稳定性较强.

　　心电式传感器的采集点在心脏附近信号强度较其他位置强,束带系于胸上信号质量最好,但是电极需要直接接触皮肤,佩戴过程则存在一定的不便,尤其是女生,若将束带系于腰间,则一定程度上减弱了生物电信号,这就给传感器的性能提出了更高的要求.在各种不同型号的心电传感器中,经过实验效果分析和对比,系统选用了华科公司生产的 HKX-08A 集成化数字心率传感器,该传感器集成了信号调理电路、A/D 转换、数字信号处理和比较电路,能够输出同步于心脏搏动的脉冲信号,其制造工艺有效解决了在运动过程中检测微弱生物电信号的有效性和准确性,能够很好的满足系统需求.

　　1.4 数据存储方式选择

　　单片机自身携带的存储空间有限,每 6 s 存储一个心率值,则 45 min 运动共需存储 450 个心率值,为了达到断电数据不丢失、方便计算机读取数据的功能要求,系统采用 Mini SD 存储卡作为内置可插拔式存储设备,在学生心率采集模块和教师数据收集模块中分别使用了 Mini SD 存储卡.为了与计算机存储文件格式兼容,系统采用了 FAT32 文件系统格式,其优点是在一个不超过 8 GB 的分区中,该格式的每个簇容量都固定为 4 KB,与 FAT16 相比避免磁盘空间的浪费,提高磁盘利用率.

　　Mini SD 卡支持 SD 方式与 SPI 方式两种总线方式.其中 SD 方式采用 6 线制,使用 CLK、CMD、DAT0-DAT3 引脚进行数据通信;而 SPI 方式采用 4 线制,使用 CS、CLK、DataIn 和 DataOut 引脚进行数据通信.SPI 方式的数据传输速度较慢,能与单片机工作,因此单片机对 SD 卡的读写操作一般采用 SPI 模式.

　　1.5 无线数据传输方式选择

　　目前,无线数据传输普遍采用蓝牙模块和 2.4 G 无线模块两种方案,两者都以 2.4 G 为载波,工作在全球免申请 ISM 频道 2400 M~2483 M 范围内,区别在于使用的协议不同.2.4 G 无线模块能实现开机自动扫频,具有 50 个工作信道,且无需人工协调和配置,相对于蓝牙模块来说功耗更低,在相同的传输距离下价格也更低,传输质量相差无几,而且技术是免费使用的.因此,本系统三个子模块均采用 2.4 G 无线模块实现心率值的无线传输.

　　NRF24 L01 是挪威 NORDIC 公司生产的一款高性能 2.4 G 无线数据收发模块,采用 GFSK 调制,最高调制速率可达 2 MBPS,集成了所有与 RF 协议相关的高速信号处理能力,自动重发丢失数据包,自动产生应答信号,其 SPI 接口可与单片机的 I/O 接口对接,可实现收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式四种工作模式.

　　2 系统软件设计

　　根据心率采集模块、手腕心率显示模块、教师数据收集模块实现的功能要求,各模块中单片机的程序流程图如图 3 所示.

　　3 系统应用效果

　　系统开发完成后,为了测试系统应用效果,分别选取了山东省泰安市小学 5 年级学生 10 名、初中 1 年级和 2 年级学生各 10 名、高中 1 年级和 2 年级学生各 10 名、大学 1 年级和 2 年级学生各 10名共计 70 人,分别进行了 7 次体育课教学心率监测实验,每次课 45 min.上课前学生佩戴采集束带,教师检测设备工作状态无误后开始上课,上课过程中学生能够实时查看自己的心率值,下课后采用无线方式将数据传输到教师数据收集模块中,使用 SD 卡将数据导入到计算机,整个监测过程设备运行稳定,数据存储和传输准确,佩戴设备没有对学生运动造成干扰.

　　无论有氧运动,还是无氧运动,都需要保持最佳的运动心率负荷才能达到较好的运动效果,如果心率过高,则导致身体负荷加重,产生恶心、头晕、胸闷等副作用,影响身体健康;如果心率偏低,则达不到一定的运动效果.如图 4 所示是实验选取的一名 17 岁高中一年级男生 45 min 公体课的心率变化曲线图,教学内容分为准备活动、素质练习、足球比赛和整理放松 4 个环节,该生整堂课的平均心率为 134,能够达到有氧运动的心率要求,从图中可以看出,从准备活动开始心率逐渐增强,在素质练习的游戏和 1000 m 耐力跑两个阶段分别出现两个心率增强的波峰,并且在 1000 m跑中产生最大心率,经过 5 min 的休息后,在 10 min 的足球比赛中出现第 3 个持续的心率高峰期,经过整理放松阶段后心率逐渐恢复正常值.按照年龄减算法,该生运动的最大心率等于 220 减去年龄,适宜心率等于 180 减去年龄,从图中可以看出足球比赛的运动强度和密度对该生来说比较适宜,而 1000 m 跑的运动强度对该生来说偏大.
　　4 结 论

　　综上所述,学生心率负荷监测系统的应用对提高教师的工作效率,加快阳光体育运动的科学化管理进程,在不断完善的基础上,进一步发展成为集监测和分析于一体、由多种监测指标组成的综合性阳光体育运动分析评价平台.可以预见,随着信息技术的不断发展,应用现代传感器技术和计算机技术进行系统、科学的运动监控,必将成为学校体育发展的新趋势.

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