張新貴, 王培勇, 傅蘭英

(1.清華大學 體育部，北京 100084； 2.新鄉(xiāng)醫(yī)學院 體育部，河南 新鄉(xiāng)453003；3.新鄉(xiāng)醫(yī)學院 三全學院 體育部，河南 新鄉(xiāng)453003)

體育鍛煉中心率傳感器無線中繼設(shè)計*

張新貴1, 王培勇1, 傅蘭英2,3

(1.清華大學 體育部，北京 100084； 2.新鄉(xiāng)醫(yī)學院 體育部，河南 新鄉(xiāng)453003；3.新鄉(xiāng)醫(yī)學院 三全學院 體育部，河南 新鄉(xiāng)453003)

心臟是人體重要的器官之一，心臟的功能直接決定了人體全身的血、氧供應，已成為運動醫(yī)學中最值得研究的器官。心率在體育運動、康復保健方面是確定運動強度的重要依據(jù)。而心率傳感器是準確獲取心率信號的前端關(guān)鍵部件。針對模擬和數(shù)字兩種心率傳感器無線信號傳送距離短的狀況，結(jié)合體育運動的實際需求，重點研究了數(shù)字心率傳感器無線中繼裝置的工作原理，設(shè)計了針對Polar數(shù)字心率傳感器的無線中繼裝置，為后續(xù)遠端無線心率實時處理提供了硬件平臺。

心率傳感器； 無線中繼； 無線傳輸

0 引 言

為了進一步研究心跳間期有節(jié)律的波動，人們定義了一系列的名詞。醫(yī)學中，將每分鐘心臟的搏動次數(shù)稱為心率，心率的波動變化稱作心率變異性。心率變異性往往與人們的很多生理狀態(tài)有關(guān)，可用于對人體體力、精神負荷的評價，心臟植物神經(jīng)活動評定[1]，在運動醫(yī)學方面的研究和應用還剛剛起步。副交感神經(jīng)對心率的作用是導致心率減慢，傳導減慢等抑制性效應，交感神經(jīng)對心率的影響是由釋放去甲腎上腺素所調(diào)節(jié)的。在安靜狀態(tài)下，迷走神經(jīng)興奮占優(yōu)勢，心率減慢，心率的變化主要受到迷走神經(jīng)調(diào)節(jié)。而在運動、情緒緊張、疼痛等情況下，交感神經(jīng)興奮占優(yōu)勢，心臟竇房結(jié)自律性增快，傳導加強，心率增快[2]。因此，心率是觀察心臟功能的一個重要參數(shù)。

心率在體育運動、康復保健中同樣具有重要意義，它是確定運動強度的重要依據(jù)[3],且通過心率還可以間接得到人體的最大攝氧量[4]。在實踐中，通過測得的人體最大心率也可以確定運動時的心率，如美國運動醫(yī)學會(ACSM)建議制定運動處方確定運動強度；也有結(jié)合安靜時心率(HR rest)和心率儲備(heart rate reserve，HRR,即最大心率和安靜心率之差)來推算的，如荷蘭的Karvonen認為在用持續(xù)訓練法發(fā)展有氧耐力時應當選用的心率為：安靜心率+(最高心率-安靜心率)×60 %[5]。

由于心率在反映心臟功能中的重要作用，運用心率可控制運動強度，提高鍛煉效果，目前已出現(xiàn)了多種心率傳感器[6～8]。本文針對心率傳感器的應用，設(shè)計了心率傳感器無線中繼裝置，為遠端無線心率實時采集與處理提供了平臺。

1 無線心率傳感器

目前，國際上有很多研究部門在研究運動中的心率采集傳感器，Polar公司就是其中最著名的一家。Polar心率傳感器的電極采用柔性導電的紡織物構(gòu)成，傳感器安置在胸廓外側(cè)，運動中和胸部成為一體，減少了肢體運動對信號提取的干擾。同時，該傳感器還具有體積小，功耗低和無線傳輸?shù)忍攸c。圖1是柔性導電的紡織物構(gòu)成的心率傳感器外形[5,6,9]。

圖1 柔性導電的紡織物構(gòu)成的心率傳感器外形Fig 1 Shape of heart rate sensor made of flexible electric textile

為了適應不同領(lǐng)域和場合的需要，心率傳感器的無線信號輸出分為模擬型、數(shù)字型、模擬+數(shù)字型三類。其中,模擬心率無線信號的發(fā)射頻段為5 kHz，數(shù)字心率無線信號的發(fā)射頻段為2.4 GHz。考慮到低耗電量和便攜的特殊要求，模擬型心率傳感器的無線信號有效接收距離設(shè)定為0.8 m，數(shù)字型心率傳感器的有效接收距離設(shè)定為3 m(理論值為10 m)。通常，Polar公司默認的配套接收裝置是心率表，將手表帶在手腕上，就能接收到心率傳感器發(fā)出的心率信號，見圖2。

圖2 Polar無線心率傳感器和心率表接收器Fig 2 Polar wireless heart rate sensor and heart rate meter receiver

由于發(fā)射距離有限，教練員、教師、醫(yī)生很難對運動者進行實時監(jiān)控，Polar公司曾做過這方面的努力，推出團隊系統(tǒng)，支持10人同時測試，但是價格昂貴，可移植性差，且不便于推廣。本文提出的在體育運動中開發(fā)心率傳感器無線中繼解決了這一難題，并以很低的成本拓展了無線發(fā)射距離，同時實現(xiàn)了心率數(shù)據(jù)的透明化。在遠端計算機上隨時可以獲得運動者的當前心率，每秒4次數(shù)據(jù)更新，完全覆蓋每分鐘240次的心率上限。

圖3所示，整個無線運動心率采集系統(tǒng)由心率傳感器、無線信號中繼、遠程無線信號接收器、筆記本電腦端軟件部分構(gòu)成。遠程無線信號接收器接收到率數(shù)值后通過USB接口發(fā)送到筆記本電腦，筆記本電腦將心率信號以曲線的形式顯示出來。最后計算機對訓練數(shù)據(jù)進行存儲、回放和分析等操作，并提供友好的人機界面[8～13]。

圖3 無線運動心率采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig 3 Overall structure block diagram of wireless exercise heart rate acquisition system

2 心率傳感器的無線中繼

Polar模擬心率傳感器和數(shù)字化心率傳感器的無線發(fā)送有效半徑分別是0.8 m和3 m，多數(shù)情況下，都需要遠距離的記錄和監(jiān)控，延伸這一發(fā)射半徑的辦法是增加一個心率傳感器的無線中繼裝置，即是無線心率信號接續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)器，將無線信號從中繼點接力傳遞到150 m甚至更遠的距離，最終達到延伸無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的目的。其原理框見圖4。

圖4 心率傳感器的無線中繼原理框圖Fig 4 Principle block diagram of wireless relay of heart rate sensor

從原理框圖可以看出，心率傳感器的無線中繼主要由三個部分組成:8051單片機模塊、nRF2401無線收發(fā)模塊和功率增強模塊[14～16]。

8051 單片機模塊主要是完成對nRF2401無線收發(fā)芯片內(nèi)部寄存器的功能設(shè)置和數(shù)據(jù)幀識別，為了減小體積，可以使用16腳SOP封裝的STC單片機，該單片機內(nèi)置有RESET電路和晶體振蕩器，在小體積下還能兼顧單片機自身工作的穩(wěn)定性。8051單片機模塊的軟件系統(tǒng)用匯編語言編程，有效解決了程序的實時與高效兩個環(huán)節(jié)。

nRF2401無線收發(fā)模塊由nRF2401芯片為核心組成，nRF2401是由NORDIC公司推出的一種帶有2.4 GHz無線收發(fā)器的無線收發(fā)芯片，是一種集無線數(shù)據(jù)接收和發(fā)送于一體, 并可對數(shù)據(jù)進行處理的片上系統(tǒng)(system on a chip，SoC) ，這使得nRF2401的應用系統(tǒng)更為簡化, 并且大大增強了無線系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，該器件有125個頻點，能夠?qū)崿F(xiàn)點對點、點對多點的無線通信，同時可采用改頻和跳頻來避免干擾。nRF2401的最大傳輸速率可達1 Mbit/s，室外傳輸距離最大可達30～60 m。

為了達到覆蓋整個標準田徑場地的目的，在nRF2401發(fā)射電路后端增加了一級功率增強模塊，通過提高發(fā)射功率接續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)到有效接收150 m以外的距離。達到了無線中繼的目的。這樣，在半徑為150 m的范圍內(nèi)，可以有效地接收到無線心率傳感器發(fā)送的心率信號。

本文提出的心率傳感器的無線中繼裝置外觀，如圖5。

圖5 自制的心率傳感器的無線中繼裝置外觀Fig 5 Appearance of wireless relay device of self-made heart rate sensor

無線中繼裝置彌補了無線心率傳感器信號發(fā)射距離近的不足，既保持了無線心率傳感器的便攜和低耗電量的特殊要求，同時又實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)記錄。另外，在保持現(xiàn)有無線中繼裝置功能不變的情況下，心率傳感器無線中繼裝置的體積還有進一步縮小的空間，達到火柴盒大小是有可能的。

nRF24E1是在nRF2401基礎(chǔ)上增加了內(nèi)置增強型8051內(nèi)核的無線收發(fā)芯片。適用于各種無線設(shè)備的短距離互連應用場合，該器件工作電壓為1.9～3.3 V，工作溫度范圍為-40～+80 ℃。在無線中繼裝置內(nèi)部，如果用nRF24e1單芯片替代原設(shè)計的nRF2401模塊和8051模塊兩個模塊，就能達到進一步縮小無線中繼裝置空間體積的目的。同時由于nRF24E1內(nèi)部將nRF2401和增強型8051內(nèi)核集成在一起，無線中繼裝置的穩(wěn)定性能還會得到稍許提升。nRF24E1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，見圖6。

圖6 nRF24E1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig 6 Internal structure diagram of nRF24E1

心率無線中繼裝置，拓展了無線心率傳感器的無線信號接收范圍之后，為運動心率的實時采集和后續(xù)處理提供了便利。

3 運動心率數(shù)據(jù)的后處理

本研究使用了心率無線中繼裝置之后，在150 m范圍內(nèi)能夠可靠地接收到鍛煉者當前的心率數(shù)據(jù)，實驗表明，對田徑場上用鐵質(zhì)材料制作的投擲圍網(wǎng)也具有較好的無線穿透能力[14～20]。接收到的數(shù)據(jù)通過USB接口送到上位機，然后經(jīng)過軟件的相應處理(包括濾波等操作)，就可以進行數(shù)據(jù)記錄和相關(guān)分析，如圖7、圖8。

圖7 跑步鍛煉過程運動心率測試曲線圖Fig 7 Curve of heart rate measurement in process of running exercise

圖8 運動心率采集與動作圖像視頻疊加Fig 8 Exercise heart rate collection and motion image and video overlay

4 結(jié) 論

根據(jù)體育鍛煉的特殊要求，本文研究并選取了Polar公司的無線心率傳感器作為前端部件。針對無線心率傳感器無線信號傳輸距離短的狀況，設(shè)計并實現(xiàn)了心率傳感器的無線中繼，有效拓展了無線心率信號傳輸距離，滿足了體育鍛煉過程中心率數(shù)據(jù)無線傳送和實時采集的要求。為后端進一步的分析研究提供了前提條件。

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傅蘭英，通訊作者，E—mail：flanying@126.com。

Deign of wireless relay of heart rate sensor in physical training*

ZHANG Xin-gui1， WANG Pei-yong1， FU Lan-ying2,3

(1. Department of Sports,Tsinghua University，Beijing 100084,China;2. Department of Sports,Xinxiang Medical University,Xinxiang 453003,China;3.Department of Sports,Sanquan College,Xinxiang Medical University,Xinxiang 453003,China)

Heart is one of the important organs of human body,cardiac function directly determines human body's blood, oxygen supply, and therefore it becomes the most worthy of research in sports medicine.Heart rate is an important basis for determining intensity of exercise in athletic sports and rehabilitation.Heart rate sensor is the key component for accurate acquisition of heart rate signal. Aiming at problem of short transmission distance of wireless signal of analog and digital two kinds of heart rate sensor, combined with actual needs of athletic sports, focusing on working principle of wireless relay device of digital heart rate sensor, design a wireless relay device for Polar digital heart rate sensor, which provides a hardware platform for real-time processing of remote wireless heart rate.

heart rate sensor； wireless relay； wireless transmission

10.13873/J.1000—9787(2015)12—0101—03

2015—10—19

國家社會科學基金資助項目(BLA130104)

G 305

: A

: 1000—9787(2015)12—0101—03

張新貴(1970-)，男，江西南昌人，副教授，主要從事體育教育訓練學方向的研究。