基于自适应运动处方的智能运动助手的设计

引 言

随着社会发展速度的加快，人们的生活、工作压力越来 越大，以致人们的身体负担越来越重，拥有健康的身体便成为 了大家共同的期望。经常锻炼身体便是众所周知的方法。凡 事都需要有合适的度，健身也不例外。20 世纪 50 年代美国著 名的生理学家卡波维奇提出了运动处方的概念。运动处方是针 对人的身体状况而采用的一种科学的、定量化的体育锻炼方法。 运动处方就像药物处方，是医师结合人体的健康状况、身体机 能状况、运动项目特点进行研究，开出适合人体的运动项目 [1]。 该处方因人而异，其最终目的是避免锻炼者不合理的健身，在 锻炼者进行体育运动时更好的进行辅助作用。运动处方种类 繁多，健身运动处方是其中之一。根据健身、体育从事者的身 心条件和特点，以处方的形式确定体育锻炼的内容、生理负荷 量、运动强度、持续时间、锻炼频率等，以发展身体，增强体质。 但影响健身者锻炼的重要因素是人的毅力，所以规律性的提 醒比一套完整的健身设备、充足的锻炼时间都重要 [2]。

运动处方具有 5 个要素，即安全性、运动方式、运动强 度、运动时间和运动频率 [3]。在如今经济化、智能化的时代， 智能电子设备在很多领域都发挥了关键性作用，特别是各种传 感器技术以及微型计算机的广泛应用使得运动数据的测量变 得简单方便。但由于每个人的身体素质不同，所以还没有一种 “地毯式”运动处方，可适用于各年龄段、各种身体状况的人群。 因此，结合单片机技术设计一种基于自适应运动处方的方案并 结合单片机和计算机技术制作一个可穿戴式智能健身电子设 备前景广阔。

1 智能电子设备架构及模块

智能电子设备主要包括主控 MCU、电源、无线通信、传感器和人机交互部分。传感器部分包括光电式心率传感器以及加速度传感器，这些是获取锻炼者运动数据的重要器件。智能电子设备架构图如图 1 所示。

（1）光电式心率传感器具有结构简单、无损伤、可重复性好等优点，通过光电传感器对脉搏信号进行检测，并用单片机技术加以处理，从而实现智能化的心率监测已经成为应用较为广泛的技术方案[4]。

（2）3 轴加速度传感器可感知运动中锻炼者重心位置的变化，还可作为计步器，结合锻炼者的身高等信息得到运动距离，是运动处方制定准确性的关键[5]。

  (3) 无线模块选用ZigBee无线通信。ZigBee具有低功耗、自组织、低复杂度的特点，在低功耗待机模式下，2节 5号干电池可支持一个节点工作 6～24个月，相比较之下，蓝牙只能工作几周，而 WiFi只能工作几个小时[6]。

  (4) 人机交互模块采用TFT-LCD触摸屏实现，薄膜晶体管式液晶显示器是一类有源矩阵液晶显示设备。该显示屏具有响应度高、亮度高、对比度高等优点。用于实时显示锻炼者的锻炼数据、实现人机交互操作等。

  (5) MSP430F5529单片机集成了 USB层和物理层，支持USB2.0，有 4个 16位定时器，1个高性能 12位模拟数字转换器（ADC）。主要用于锻炼者锻炼数据的发送和监测。

2 智能电子设备工作流程

MCU 片内ADC 采集光电式心率传感器输出信号，实时反馈锻炼者的心率信息；同时采集 3 轴加速度传感器输出信号， 根据锻炼者的身高等因素转换为运动距离数据。然后通过ZigBee 模块将采集的数据发送到PC 端，PC 端软件对数据进行拟合得到锻炼者的运动成长曲线，由此制定锻炼者的运动处方。智能电子设备工作流程如图 2 所示。

3 自适应运动处方的设计

运动量由三个因素决定，即运动强度、运动持续时间和 运动频率，运动强度的安排是体现运动处方科学性、针对性 和安全性的重要部分，一般用耗氧量的绝对值或相对值来表 示，但耗氧量需要专业的设备来检测，而心率容易通过脉搏 测量获得，所以选择心率作为运动强度的指标。靶心率（运 动最佳心率）=（最大心率－休息心率）×70%+ 休息心率，但 由于最大心率的检测非常危险，所以现在多用推算法，即最大 心率 =210 －年龄。根据年龄和安静时的心率就可以计算出靶 心率 [7]。每次锻炼的持续时间不能少于 15 min，并且每次锻 炼心率达到靶心率以上 10 min 较为适宜。可以以此为标准 [8]， 每天锻炼者锻炼心率达到靶心率以上且持续时间约 10 min， 就完成了每日目标，然后通过 3 轴加速度传感器数据的转化得 到锻炼者的运动距离与运动距离和锻炼天数的对应数据，通 过 PC 端拟合运动距离和锻炼天数就可以得到运动距离和锻 炼天数之间的方程式，即适宜该锻炼者的运动处方。由于每 个人的身体素质不同，因此，仅由靶心率获取的运动数据并不 一定适用于每一位锻炼者，需要锻炼者根据自身的疲劳反应 再对依据靶心率安排的运动量做出反馈修改。人体的疲劳反 应可以通过自我感觉和生理指标测定法来评定，生理指标测量 可根据心率及血乳酸评定，其中心率是评定运动性疲劳最简易 的指标 [9] ；可通过自我感觉评定运动性疲劳，运动可以使锻炼 者出现心率加快、呼吸量增加等生理指标的变化，同时也会有 主观身体感觉的变化。根据锻炼者运动时主观感受的疲劳程 度，可以判定运动强度大小是否适宜，分为“较轻、稍累、累、 很累、非常累”五个等级，适宜的疲劳状态应当为：当心率在 运动结束后数分钟内恢复至安静时心率，且次日锻炼前，安静 心率稳定则说明运动量稳定，设定的靶心率较为合适，否则 需要修改靶心率，调整运动处方 [10]。智能电子设备训练数据 流向图如图 3 所示。

4 综合训练分析

数据拟合的可靠性与数据量的大小有关，要得到可靠的 运动处方，就需要锻炼者完成锻炼指标，坚持锻炼 1 个月以上， 每周 3 ～5 次 [11]，且锻炼者锻炼时按照自身疲劳情况，通过 智能电子设备对 PC 端进行实时反馈，以便实时调整运动处方 内容，使得到的运动处方更加适合锻炼者。

由于该设备并未设置疾病检测功能，所以，只适用于需 要维持体型、减肥及处于一些亚健康状态的普通人群，制定 的处方为健身性的运动处方。

5 结 语

随着时代的发展，人们的生活水平亦逐步提高，运动处方 作为预防疾病的方法，将出现在将信息技术与医疗技术相结 合的医疗保健领域，满足人们对于健康生活的关注以及锻炼 的需求 [12]。该系统的设计结合靶心率及锻炼者的主观疲劳分 级反馈，其他更多相关因素的利用比如摄氧量、血氧量以及血 乳酸等都属于该设计的研究范围，随着测量方法的不断发展， 不断改进该系统的测量方案，并且结合更多相关因素以建立 更好的数据处理方法来制定运动处方，使系统得出的运动处 方更加适合锻炼者，使锻炼者能够得到更加科学有效的锻炼。