２０１７年第４期 安徽电子信息职业技术学院学报 Ｎｏ．４ ２０１７ 第１６卷（总第９１塑）ＪＯ ！ ！ ！ ！ 皇翌宝 ２：２ ２ ： 鱼 ［文章编号］ｌ６７１—８０２Ｘ（２０１７）０４—００ｌ７一Ｏ５ 基于单片机的运动者生理数据实时监控系统设计 陆佳斌 ， 吴飞青 ， 吴成玉 ， 谢２．宁波工程学院体育部， 浙江 宁波颖 ， 李３１５２１１； 庆。 ３１５１００； ｆ１．浙江大学宁波理工学院信息科学与工程学院， 浙江 宁波３．宁波市鄞州区第二人民医院， 浙江 宁波３１５１００） 摘要：长跑是大学生体质测试项目，对运动者的心血管机能有较大挑战，对于长期不参与耐力锻炼的 Ａ．．－Ｊ－能存在一定危险性。所以对长跑运动的生理数据实时监测是十分重要的。设计一套基于Ａｒｄｕｉｎｏ单片机 的穿戴式设备，采用心率、加速度等模块采集运动者的实时生理参数，单片机对采集到的这些参数进行数据 融合并显示，然后对其身体状况进行实时评估，一旦出现特殊情况会及时提醒运动者，同时把结果无线传输 到指导教师的终端上，以便教师及时处置。 关键词：Ａｒｄｕｉｎｏ；生理监测；穿戴式设备；数据融合；无线传输 中图分类号：ＴＰ３９９ 文献标识码：Ｂ 圜因囱囫 陆佳斌★吴飞青★吴成玉★谢颖女李庆——基于单片机的运动者生理数据实时监控系统设计 第４期 一、引言 数据，然后对渎取到的生 数抛信息通过融合算法 进行数据处胂及分析，根据数据分析结果对运动者 的Ｆ｛身身体状况进行客观 ｉ，最后根据评估结果 做ｊ｛Ｉ实时响应。根据系统功能町分为 大模块：数据 随着人们健康意｝只的逐渐增强，户外运动越来 越受到重视，跑步是大多人选择的健身方式。为提 高大学生的吁体素质，长跑被教育部列为高校大学 生体质测酞项¨．但长跑对运动肯的心血管机能具 有极大挑战．对下长期不参与耐力锻炼的人突然进 采集模块、数据的分析与处理模块、数据的传输与 永模块和数据异常处理模块～ ．行高强度长跑，尤其是对于缺乏运动的大学生，町能 存在一定危险性，近些年不时出现猝死的情况，所以 对长跑运动的，ｌ 理数据的实时监测羽１及时预警是十 分必要的 国 外埘运动者的生理信号监测的卡Ｈ关文献 不多，主要足针埘人体牛理数据的Ｉ监测及热量消耗 计算等功能，根据这些牛理参数的信息融合来评估 运动者的』身体状况艾献极少 国外Ａｐｐｌ 公司推 的一款智能丁・表Ａｐｐｌｔ－Ｗａｔｃｈ， 健康监测疗面采 用了光电式心牢ｍ氧监测技术检测并 录实时的心 率血氧，此外还Ｉ¨『以通过配合ｉＰｈｏｎｅ的ＧＰＳ实现测 量热量消耗、步数、锻炼时间及距离的功能… 、国内 吴健康首次捉…利用有情景信息融合方法实时监测 人体健康状 ，开发了罔内第一套可穿戴健康监护 原型系统，ｒ Ｊ’以实时采集到人体的＝ 维加速度信息 以及心电 数据，通过蓝牙将数据发送到手机端，一 旦发生异常，ｎ丁以及时发｝ｆＪ警报ｉ Ａｐｐｌ￣ 、、’ ｔｈ－ｈ存心率异常监测及判断比较单 一，没有针ｔ埘特定情况心率异常变化做…反应；吴教 授研发的町穿戴监洲器在人体运动状态的监测上略 静态，不能反心』一ｆＪ户的运动动态如步伐情况，是否 摔倒等 【大Ｉ Ｉｎｉ开发一套实用的生理数据 测系统是 十分必要的，能实时监测分析运动者的心率、【血氧、 步伐数据 系统 数据异常会给 测没备和远程终 端发ｆ十｛预警响， 一定稃度上提高ｒ运动者对Ａ身 身体状况的预划能力，也大大缩短＿ｒ对 突发状况 的抢救时问，埘于运动者的生命起到 障作用 二、系统设计 本系统分两部分，第一部分运动行携带。另一部 分巾指导教师携带．如陶ｌ所示 ．运动者把第一部 分系在手畹Ｉ ，指导教师手持另一部分 、系统通过 Ｌ实时渎取运动者身Ｊ 传感器的生理 ２０Ｉ７．８．２Ｏ 图１ 系统结构框图 （一）数据采集 系统功能的实现关键之・ 实时准确的生理数 据采集，其ｒｆ１最酉要的足上耋动行的心率数据和步伐 数掘， 而＿本系统采片Ｊ心率传感器和步伐传感器融 合 适度的体育运动可以锻炼心肌来增强心脏和心 ｍ臀系统的功能，但是运动过度则是对心血管的一 种负担，严重的会引起猝死等危险情况 在运动中对 心率进行实时监测能反映身体的真实情况，对于应 对心牢异常能及时做Ⅲ｝７ｆ施束缓斛心 管的负扣， 甚至可以在一定程度避免缝险发牛．．ｆ＝｝前脉搏测量 方法主要有■种１ ｉ：一是从心『乜信号中提取；二是从 测艟 Ｌ压时压力传感器测到的波动来计算脉率；ｉ 是光电容积法．．前两种方法提取信号都会病人 的活动 所以本项日选 ｊ的心率传感器ＰｕｌｓｅＳｅｎｓｏｒ （如 ２）是甚于光电容币Ｊ！法的原理，只需同定在于 指或足耳垂就能进行榆洲， 会对运动背造成 零 图２心率模块 传感器卜ｈ光源卡¨光电变换器两部分组成， 囝困固囫 陆佳斌女吴飞青★吴成玉★谢颖★李庆——基于单片机的运动者生理数据实时监控系统设计 第４期 传感器的光源一般采用对动脉血中氧和血红蛋白有 选择性的一定波长（５００ｎｍ～７００ｎｍ）的发光二极管。 动脉搏动充血容积变化将透过人体外周血管的光束 的透光率发生改变，与此同时光电变化器采集被人 体组织反射的光线转变成电信号并且实现放大和输 出。脉搏是随心脏的跳动而发生周期变化的信号， 动脉血管容积也会发生周期变化，所以光电变换器 个可扩展的数字运动处理器ＤＭＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｏｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ），在功耗上也优化的很好，所以在同类产 品中ＭＰＵ６０５０优势更为突出。 ＭＰＵ６０５０对陀螺仪和加速度计分别采用了三个 １６位的ＡＤＣ，将其测量的模拟量转化为可输出的数 字量。通过ＭＰＵ６０５０加速度模块来采集运动者的ｘ， Ｙ，Ｚ方向的加速度及角加速度作为初始数据［５１，通过 Ｉ２Ｃ总线与单片机进行数据通信。 （二）数据的分析与处理 借助手机ＡＰＰ可以绘制运动者在进行长跑时 的实时心率波形图，这也是本项目分析与处理的数 据基础。由图３实时心率图可知，运动者在剧烈运动 一的电信号变化周期就是脉搏率 ，与单片机的模拟 口进行数据通信。 在运动中，步伐是一个重要的参考依据，能间接 反映出运动者的身体状况，因此步伐数据也作为系 统的重要数据。步伐数据由人体姿态、步数及步频 组成，再与心率数据实现数据融合，由内及外更全面 段时间后心率几乎稳定在一个小区间之内并且接 的分析出运动者的身体状况。步伐数据采集采用的 是ＭＰＵ一６０５０是６轴运动处理传感器，是全球首例 集成了３轴陀螺仪，３轴加速度计的６轴处理组件， 相较于其他加速度计、陀螺仪的多组件方案，免去了 近心率的最大值，且不同的人有不同的心率极限值， 根据这个特征，本项目在心率数据处理上运用的算 法原理就是采集运动者剧烈运动过程中连续稳定的 一组心率，并从中选取最大值作为该运动者的心率 圜因固囫 陆佳斌★吴飞青★吴成玉★谢颖★李庆——基于单片机的运动者生理数据实时监控系统设计 第４期 值，１６３８４．００是加速度比例系数，Ａｎｇｌｅ—ａｃｃＸ、 ＡｎｇｌｅａｃｃＹ、Ａｎｇｌｅ—＿心率数据的监测分成两部分：心率极限判断和心率 动态异常变化监测。根据医学研究发表的数据，确定 本项目的两个心率极限值（上极限和下极限），超过 上极限或是低于下极限都属于心率异常。研究表明 ａｃｃＺ分别是三轴的姿态角度。 ／ 图４ ＭＰＵ６０５０三轴方向示意图 图５是通过Ｍａｔｌａｂ软件接收步伐传感器检测 到的运动者的实时加速度绘制的曲线图，并由此图 显示的加速度变化情况再结合相关的算法实现了计 步的功能。在计步功能的基础上，通过定时计步的 算法实现了步频计算的功能，能更客观地反映运动 者运动的实时情况［６１。 图５ 实时加速度曲线图 （三）数据的传输与显示 考虑到有线传输的局限性和蓝牙传输距离十分 有限的前提下，采用ｎＲＦ２４Ｌ０１就能有效解决此问 题，可以将运动者佩戴的监测设备监测的数据实时 无线传输到指导教师手持终端，其理论传输距离在 １００米左右，并且具有１２５个通信通道和６个数据 通道满足了多点通讯［７１。在指导教师手持终端还配 备一块ＯＬＥＤ显示屏，能将接受到的数据实时显示 出来的同时，还以动态曲线图的形式显示在显示屏 上。在指导教师手持终端上还装有一个蓝牙模块， 教师可以通过智能手机上的ＡＰＰ来实时接收并显 示数据。 （四）数据异常的监测与处理 本项目在数据异常的处理上采用了“以心率为 主，以步伐为辅，实现数据融合”的思路。在异常的 运动猝死前的征兆是心率异常上升（高于长时间运 动状态时正常的最高心率值），再急剧下降至０［８１。据 此，本项目针对心率高出由心率传感器检测出来的 正常心率极限值并且持续上升和高出上极限值的心 率持续下降的两种异常情况都归属于心率异常。 步伐数据是一个辅助的参数，由人体姿态和步 数步频两类参数组成，步伐数据异常要结合心率数 据来判断运动者的身体状况是否异常，同时步数步 频数据能让教练能客观地了解到运动者的运动情 况。由于长时间剧烈运动中发生摔倒的的情况，运动 者在一定程度上会引起猝死的现象，因而本项目设 计了人体姿态算法。若运动者自身与水平面的倾角 持续增大，则说明运动者可能处于摔倒的状态；若大 于一定角度且接近０。（即与水平面平行）则说明运 动者可能已经摔倒。监测到这类异常数据都属于步 伐数据的异常，会直接将预警信号反馈给教练机终 端。本项目也加入了目前比较热门的计步功能，主要 是为了通过步数和定时器来推导出步频，步频数据 主要传送给教练机终端让教练了解运动者的运动情 况。但是步频数值过低，且心率偶有高出由心率传感 器检测到的心率极限值则也属于步伐异常。 当监测到心率或步伐异常时，运动者佩戴的穿 戴式设备会及时发出预警，并且将异常信号发送到 教练机终端，提醒教师及时采取应急措施。 三、结果分析与讨论 本项目参考有关生理数据医学研究的基础上， 初步了解造成运动猝死的因素和运动猝死前的一些 征兆（以生命体征数据为主），从而为科学客观设计 本系统实现相关的功能提供理论基础。 为了验证本系统的可行性，项目组邀请测试者 戴上本系统的穿戴式监测设备绕操场慢跑一圈以及 模拟摔倒的情景，系统流程如图６，其中６ａ为运动 者携带监测设备的流程图，６ｂ为指导教师手持终端 的流程图。实测表明，运动者生命体征数据能实时传 圜豳固囫 陆佳斌★吴飞青女吴成玉六谢颖★李庆——基于单片机的运动者生理数据实时监控系统设计 第４期 输到终端设备上，除了实时显示当前心率值（右边） 的同时绘出运动者的心率变化曲线（如图７），让指 厂 ６９．１１．￣ｇｌｅ＿Ｙ：５．３１．￣ｇｌｅ—Ｚ：一２０．１９ ６８．３９Ａｎｇｌｅ Ｙ：５．５４Ａｎｇ１ｅＺ：一２０．８６ ＿导教师能更加详细的了解运动者的心率情况并做出 准确判断。图８中的步数和步频这两个数据会在心 率曲线触碰到边框，软件上做出清屏操作后显示在 ＯＬＥＤ显示屏上，供教练 解运动者的运动情况。由 ６８．２４ＡｎｇｌｅＹ：５．９４ＡｎｇｌｅＺ：一２０．９０ —于项目ＭＰＵ６０５０特殊的安装方式，ｘ轴与水平面成 ９０ｏ，Ｙ、ｚ轴处在水平面上，当ｚ轴偏离水平面一定 角度且角度持续增加时，系统将发出预警。如图８ 模拟摔倒的的情况所示，运动者与水平面的倾角 （Ａｎｇｌｅ—ｚ）持续增大时，本系统发ｆ ｝Ｊ的模拟的预警信 号“Ａｎｇｌｅ ｅｒｒ０ｒ”。本系统除了在体积上有点大，系统 基本满足设计要求，说明系统是可行的。 加ｎ ．． ｅｅｅ— — 一∞ ｆ～Ｃｎ一ｒｐｅｔ Ａ３６Ｘｌ一：ｅｇｎ．一 Ａ８Ｘ１一：ｅｇｎ． 一Ａ６３Ｘｌ一．ｅｇｎ 一７～ｌ一ＡＸ，ｅｇｎ．一 Ａ～Ｘ１一．ｅｇｎ ｎ一 ｌ～ｒｅｇｎ Ａ３７Ｘ１一．ｅｇｎ 一Ａ８～Ｘ１一．ｅｇｎ—一 ＪＡ８～Ｘｌ一：ｅｇｎ一 －Ａ５９一一Ｘｌ一．ｅｇｎ １ 一 ＿一． 一攀槿目ｉｌ删 ■＿ｌ－一 态鞑时、鲥目日，霉８层 圣～＞－五Ｌ－＿、 ｌｏ ｅｅｅ本系统基本实现实时采集运动者的心率、步伐 数据；将采集的数据通过相关的融合算法进行分析 处理；通过无线模块实时传输数据，并显示在指导教 师手持终端上，也能通过手机连接指导教师终端的 ＿ ： ｅｅ——— —一Ｙ Ｙ Ｙ｜—Ｙ ．．Ｙ：．．．．ｍ 蓝牙来读取显示数据；能对心率异常上升（远高于人 ｉＡ Ａ Ａ ８ｅ 【、ｇ ｎ ｅ ４ ｇ ｇ ｎ ｅ ３ ６ ｎ ！Ａ Ａ ｅ ｎ ｇ ｎ ｅ ｇ Ａ ｌ ｅ ８ ３ ３ ｇ ｇ ｎ ｉＡ Ａ Ａ ｅ ｎ ｎ ｅ ｎ ｇ ｅ ｇ 体正常的最高心率），心率骤停，步伐异常，摔倒等可 能引起猝死的异常，在监测的佩戴设备和指导教师 手持终端上同时发出预警响应。 ．潺－ ，Ｄ－｝ 一晡ｉ１ ＿ ｉ－ 每瞄津● ＿ ．一－｜ ～～～～～ ～～～～．一一～ ｆ２ ２ ９—、８ ９ ２ ５ ３ ３ ． ． ． ． ． ｌｏ ６ ６ ４ ．． ． ． ７ ４ ８ ｌ ６ ９ ２ ４ ４ ３ ８ ７ ９ ５ ３ 参考文献： ６ ８ ９ 南一 （ｂ） 图６ 系统流程图 【１】罗倩倩．浅谈智能可穿戴设备中的心率检测及其衍生应 ｅ［ｒＪ］．电脑知识与技术，２０１６，１３（１）：ｌ９６一ｌ９７． 【２】张虎军，顾建文，等．个人健康监测技术的发展与应用【Ｊ１． 医疗卫生装备．２０１ １．３２（８）：８３—８５． Ｉ３】兰羽．一种便携式脉搏测量系统的设计ｆＪ】＿电子测量技 术，２０１３，３６（７）：７１—７４． 【４】刘广伟，毛陆虹，等．一种光电反射式脉搏血氧监测方法ｆＪ１． 光电子・激光，２０１４，２５（３）：６２ｔ一６２４． 【５】徐斌，裴晓芳，等．穿戴式智能计步器设计【ＪＪ．电子科技， ２０１６，２９（３）：１７８－１８２． 『６１邵字古．吴其林，等．一种新型腰带计步器的设汁研究【Ｊ】＿电 子测试，２０１５，（１９）：１ ｌ１—１ １２． 【７】朱慧彦，林林．基于ＭＣＵ和ｎＲＦ２４Ｌ０１的无线通讯系统 设计【Ｊ１．电子科技，２０１２，２５（４）：８ｌ一８４． 图７ 实时心率图 【８毛振华，８１包丽芳，等．心脑性猝死的动态心电冈分析田．中国心 血管研究杂志，２００４。２（２）：１３３—１３４． （责任编辑：魏树峰） ＿ＸＵ耶Ａｏ ２０ｌ７．８．！（）
