苗子蕊　吉麗娜

摘要：步行或者跑步等健身運動是一種大眾健身和鍛煉身體的很好方式，研究證明在合適的步數和步頻參數下，健身效果比較明顯。目前主流的記錄步數和步頻的工具就是健身計步器，包括可穿戴式運動手環(huán)、基于智能手機的運動APP等，本文分析了計步器的多個方面研究成果并提出一些需要改進的建議加以研究。

關鍵詞：跑步；健身；計步器

中圖分類號：G819 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）11-0263-02

Overview of Fitness Pedometer Research

MIAO Zi-rui， JI Li-na

（School of Physical Education， ZunyiNormal College， Zunyi 563006， China）

Abstract：Exercise such as walking or running is a great way to get fit and exercise.The results show that the fitness effect is obvious in the appropriate number of steps and frequency parameters.Currently， the main tools for recording steps and steps are fitness pedometers， including wearable sports bracelets and mobile apps based on smart phones.This paper analyzes several aspects of the pedometer and puts forward some suggestions for improvement.

Key words： running； fitness； pedometer

隨著社會的不斷進步發(fā)展，人們生活水平和質量要求的逐漸提高，身體健康和健身運動的問題越來越受到普通大眾的關注。然而在快節(jié)奏的生活和工作壓力以及激烈的社會競爭下，很多人都呈現出亞健康狀態(tài)并且沒有太多的時間去專業(yè)健身房參加健身運動或訓練。長距離步行或者跑步等健身運動是一種大眾健身和鍛煉身體的很好方式，記步器在這種流行運動方式下應運而生，然而計步器的數值對運動效果的相關性以及不同的計步器效果差距較大，本文對此展開研究。

1 步數與運動量的關系

國際著名的德國醫(yī)學專家赫爾曼教授的研究成果表明：走路或者慢跑運動能夠有效地提高供氧能力，數據顯示能夠比靜坐時多8至12倍，因此，慢跑是保持健康的最好手段之一，特別是運動條件和氛圍不是太理想的普通大眾。近幾年的科學研究已證明，跑步運動對身體健康具有諸多的有益作用，例如可以增加人體血液流動，氧氣的在血液中的輸送能力得到提高；可以增強肺部功能，提高肺活量以及吸入氧氣的能力；能夠改善心臟活動功能，預防心臟病等突發(fā)癥狀，強大心肌的力量，提高心肌血液的供應能力；可以增加人體骨質的密度，預防骨質疏松等常見疾病[1]。

針對每天步行多少步數的研究問題，日本學者Hatano博士提出的10000步參考數值，國內戴劍松等學者的應用計步器測量日常體力活動的研究論文表明30分鐘/天的中等強度體力活動基本能實現10000步的目標，達到良好的運動效果。美國運動醫(yī)學會（ASCM）和美國疾控中心（CDC）早期的研究成果也表明，跑步運動對于糖尿病的康復具有一定的效果，因此建議具有糖尿病的患者能夠做到日行萬步的運動量[2，3]。

因此，只要在合適的運動步數和步頻參考數值下進行走路或者跑步，可以達到良好的運動量和能耗效果，從而各種智能計步器應運而生。

2 計步器國內外研究現狀

跑步計步器一種計量工具，主要作用是運用科學的技術手段來計算運動量的有效數值，避免少量或者過量的運動，除了單一的統(tǒng)計步數外，還有統(tǒng)計和計算行走距離、速度、時間、步頻等數據，擴展功能有測算卡路里或熱量消耗。

2.1計步器的發(fā)展

意大利的倫納德·達芬奇醞釀的計步器是有史記載的最早的計步器，而現存最早的計步器則是在他之后的1667年制造的。在亞洲，最早的計步器是由日本的Gcn.naiHiraga于1755年制造而成。在很長的一段時間內，由于很多人并不清楚計步器的功能和用途，所以它并未被廣泛使用，這說明軟硬件的發(fā)明創(chuàng)造只有能夠被人們所使用才能發(fā)揮其作用。日本人使用計步器已經50多年的歷史，主要用于體育運動和分析記錄行走步調。1965年，計步器正式進入日本商用市場，并被命名為manpo-meter（manpo的日語含義是10000步）。此時的計步器設計原理較為簡單，通過機械原理和構造而成，利用擺鐘原理作為記步的主要方法，采取加重的機械開關來檢測是否邁動步伐，裝置內附加了一個簡單的計數器。之后的很多年，取代機械式計步器的是電子式裝置。目前已經流行智能計步器，包括可穿戴式的計數設備或基于智能手機的一些應用，除了步數的數值之外還提供其他體質參數的運算和估計參考值，極大地增添了運動帶來的科學和樂趣。

2.2 計步器的分類

2.2.1 可穿戴式手環(huán)

目前市場上廣為使用的可穿戴式手環(huán)主要是腕帶式，保留了傳統(tǒng)的計步功能外，很多額外的體質參數監(jiān)測模塊被嵌入到設備中，這類產品的研究和生產主要集中于國內外的一些運動科技公司。國外的智能手環(huán)品牌如Basis Carbon steel、Fitbit、Magellan Echo、Jawbone、Runtastic Orbit、Garmin Vivofit、Misfit Shine、Nike+ fuelband等，可以監(jiān)測心率、汗水率、睡眠狀況以及皮膚溫度，同時可以自動判斷用戶是在走路、跑步、停止或是騎行，實時分析用戶運動水平并進行提醒，功能比較齊全。國內的智能手環(huán)主要有IT科技巨頭公司如華為、小米等公司的科技產品，包括計步、行走或跑動距離、步頻、行走速度、睡眠監(jiān)測和久坐提醒等功能，除此之外，由于通過藍牙模塊連接了智能手機，因而增加了諸如來電提醒、配用手機屏幕解鎖、振動鬧鐘和免密支付等特色功能?？纱┐魇绞汁h(huán)的基本功能實現硬件原理圖如圖1所示[4，5]。

2.2.2 智能手機APP

基于智能手機操作系統(tǒng)和軟硬件設計的APP已經占據了跑步計步工具的大部分市場。耐克作為國外的知名運動品牌，旗下所開發(fā)的Nike+ Running智能手機應用軟件，能夠將跑步線路、目標完成進度等參數顯示在界面上，提升運動者跑步的樂趣。同時，該應用軟件使用 GPS 定位技術記錄時間、距離、速度和卡路里的消耗值，并且提供語音播報和反饋功能，自動上傳到公司云平臺存儲，供使用者瀏覽自己的跑步記錄、路線和所在地的海拔數值。

國內的有咕咚智能運動、春雨計步器、動動計步器、樂動力和去運動等，這些基于Android、iOS或者Windows phone等智能手機操作系統(tǒng)的APP幾乎都會以手機內置的很多傳感器等硬件模塊開發(fā)應用功能，基于GPS和北斗衛(wèi)星定位技術，可以在室外環(huán)境下精確追蹤運動路線?？梢詫崟r監(jiān)測時速、配速、完成運動用時、界面顯示實時的運動情況、查閱歷史記錄、數據統(tǒng)計，同時將這些信息分享到自己的朋友圈或者社交網絡。

2.2.3 運動品牌公司智能鞋

國外諸如耐克和阿迪達斯運動品牌公司都曾做過相關的研究和制造，最早的智能鞋由阿迪達斯北美總部的科學家克里斯琴.帝本內托領導一個小組從2001年初開始研制，這種智能鞋內置微處理器芯片和智能模塊，具有調整適應襯墊的作用。阿迪達斯公司的產品Adidas 1是世界上第一款采用傳感器的運動鞋，傳感器能夠對鞋子的避震系統(tǒng)進行精確的檢測，檢測精度很高，檢測范圍較大。智能鞋內嵌的單片機以10000次/s的運算速度計算分析檢測到的模擬數據，根據計算結果驅動微型電機來實時調節(jié)鞋內的避震系統(tǒng)，提供最佳的緩沖效果，內置微型電池模塊可以保證100小時電量供應。另一家耐克公司的Nike+智能運動鞋則結合內置的傳感器和Nike+同名應用軟件，能夠追蹤用戶的運動數據和運動路線等，早期只開發(fā)了基于iPhone手機的iOS APP，目前已經擴展有Android 的APP。

國內如運動品牌公司李寧和IT科技公司小米聯合推出的智能概念運動鞋，鞋內配置了軍用級運動傳感器芯片，能夠記錄用戶的運動時間、步數、速度、路徑軌跡、消耗卡路里等，具有超高的防水級別和超長的電池使用時間。該產品的特色之處是采用了基于小米手環(huán)的大數據分析算法，可以實時連接到小米運動APP進行記錄和顯示。

3 計步器精確性研究

3.1 計步器的算法

目前大多數的穿戴式手腕計步器均使用加速度傳感器來感知和測量步數（有的產品會配備重力感應器作為補充協作），算法根據三軸加速度傳感器的空間位置變化，計算并模擬出各自的空間曲線，依照加速度傳感器感應到的兩次波峰波谷之間的時間間隔來判定是行走狀態(tài)或是其他狀態(tài)。如果在較短的時間內出現了連續(xù)波峰，就可以判斷為行走狀態(tài)，如果是兩次波峰出現的時間間隔超出一定的數值就判斷為靜止狀態(tài)。通過濾波處理，屏蔽輕微和初始狀態(tài)的一些干擾可以提升數據的準確性。同時，可以調整參數來適配不同硬件的傳感器差異，提升魯棒性[6，7]。

基于智能手機的APP應用開發(fā)而言，Google公司推Step Counter Sensor接口，由內置的硬件或操作系統(tǒng)程序計算步數的變化，簡化了應用程序的開發(fā)工作。程序開發(fā)人員只需要遵照已實現的算法讀取計步傳感器的參數值， 與本地緩存數值匹配，判斷步數的增加與否。在屏幕關閉時，啟動Batch Mode模式，配合協處理器，延遲獲取數值，節(jié)約電量。該算法可以自適應地在加速度傳感器和計步傳感器兩種狀態(tài)間進行切換，以適應斷電和關屏幕關閉時的問題。

3.2 存在的一些問題

問題1：基于GPS的距離計算只適用于室外信號良好的路段，對于建筑物或者室內等地方不能計算出運動距離，更談不上精確度的問題。

問題2：因為跑步者在某些時間段并沒有甩手動作或者有甩手動作但是并沒有邁腿動作，基于加速度傳感器或者重力傳感器等硬件的設備很難精確記錄運動的步數，從而導致社交圈內很多曬記錄的人有作假行為，這也變相的說明步頻精準度差的問題。

4 總結

綜上所述，走路或者跑步適合大部分人們的體育健身活動，智能計步器可以客觀有效地記錄人們的步數、行走距離、行走速度和步頻等數據，根據計步器的目標設置，提醒和監(jiān)督人們參加體育運動對大眾健康意義深遠，下一步的研究內容應該關于步數和步頻的精確計算和記錄工作上。

參考文獻：

[1] 蔡雪. 計步器干預對2型糖尿病患者運動量、久坐時間以及體重的影響[D].東南大學，2016.

[2] 姚鴻恩，體育保健學[M]. 北京：人民體育出版社，2001.

[3] 戴劍松，李靖，顧忠科，孫飆.步行和日常體力活動能量消耗的推算[J].體育科學，2006（11）：91-95.

[4] Light-intensity activities are important for estimating physical activity energy expenditure using uniaxial and triaxial accelerometers[J] . Yosuke Yamada，Keiichi Yokoyama，Risa Noriyasu，Tomoaki Osaki，Tetsuji Adachi，Aya Itoi，Yoshihiko Naito，Taketoshi Morimoto，Misaka Kimura，Shingo Oda. European Journal of Applied Physiology，2008 （1）

[5] 徐斌，裴曉芳，李太云.穿戴式智能計步器設計[J].電子科技，2016，29（3）：178-182.

[6] 晏勇，雷航，周相兵，梁潘.基于三軸加速度傳感器的自適應計步器的實現[J].東北師大學報：自然科學版，2016，48（3）：79-83.

[7] Gait posture estimation using wearable acceleration and gyro sensors[J] . Ryo Takeda，Shigeru Tadano，Akiko Natorigawa，Masahiro Todoh，Satoshi Yoshinari. Journal of Biomechanics，2009 （15）