呂永忠，張慧珍，李鵬飛

（甘肅省體育科學研究所，甘肅 蘭州 730050）

運動員遠程監(jiān)控系統的軟件由心率數據編碼軟件、數據分析軟件以及終端計算機三部分構成。采用綠光心率傳感器技術、無線組網技術等，對主要技術指標進行計算分析。后期對產品的擴展給予展望。

1 軟件設計

1.1 心率數據編碼軟件

BMD101數據輸出采用標準UART接口，配置1位起始，8位數據字節(jié)和1位停止，數據包格式如圖1所示。數據格式如圖2所示。

圖1 BMD101數據包格式

圖2 BMD101數據行格式

1.2 數據分析軟件

主要內容包括：心率變化與心肌消耗的關系及數學模型，心電圖分析等。此部分內容有待依據體育科研成果進行后續(xù)開發(fā)。

1.3 終端計算機軟件

1）終端人機界面軟件：采用Delphi7.0圖形編輯器軟件，主要實現的功能如下：

（1）運動員名字錄入：能夠錄入不少于8個運動員名字，依次顯示在運動員心率數據選擇按鈕上。

（2）運動員選擇：通過觸摸屏上的8個選擇按鈕選擇運動員，每次只能選擇1名運動員，同時只顯示和分析該名運動員的心率數據。

（3）心電圖顯示：在電腦顯示屏心電圖顯示框內畫出運動員心電圖，心電圖數據率約為512Hz，顯示要平滑，必要時采取濾波算法。

（4）實時心率顯示：在電腦顯示屏實時心率顯示框內畫出顯示運動員實時心率，心率數據率約為1Hz。

（5）平均心率顯示：在電腦顯示屏實時平均心率顯示框內畫出顯示運動員平均心率，平均心率計算有兩種方式：一是通過對心電圖數據進行分析統計每分鐘過門限的脈沖數，進行1位滑窗處理得到數據率約為1Hz的平均心率；二是統計每分鐘內實時心率上報數據的個數，通過滑窗得到平均心率。建議采用第一種方式，但第二種方式更為簡單。

（6）麥克風按鍵：通過觸摸顯示屏上的麥克風按鍵，打開平板電腦的語音發(fā)送功能，以WIFI形式發(fā)送教練員語音指導指令，發(fā)送完畢后再次按下該鍵語音發(fā)送停止，此時如果需要可以自動發(fā)送電腦上預先儲存的適合于體育鍛煉的音樂。

（7）消息顯示功能：在電腦顯示屏消息顯示框內依次顯示整個系統的各種狀態(tài)，內容包括：運動員心肌消耗分析結果、設備無線通訊狀態(tài)、設備電池電量等。

2)心率表數據解析。心率表數據采用異步串行鏈，數據格式和定義如下列圖3所示。

圖3 心率表數據格式和定義

3)語音采集及網絡數據轉換。該部分軟件的功能為依據界面命令打開電腦麥克風并對語音信號進行采集及網絡數據轉換，另外能夠打開音頻播放器并對進行音頻網絡數據轉換。

2 結構設計

2.1 腕式心率表結構

腕式心率表的組成和表面尺寸比例如圖4所示；

心率表芯（不含天線）結構如圖5所示；

5)研究開發(fā)元數據庫管理系統，實現專家知識庫中評估打分指標及權重賦值體系(AHP層次分析法、多層次模糊綜合評價法、統計平均法)、打分策略算法(綜合評分法、功效系數法、綜合指數法)以及安全推理知識體系的定義、描述、管理維護。

心率表外形如圖6所示。

圖4 心率表組成和表面尺寸比例

圖5 心率表芯結構示意圖

圖6 心率表側視圖

心率表外殼需要進行外形美觀設計和鑄模設計。

2.2 無線轉發(fā)器結構

1)無線轉發(fā)器采用便攜廂式結構，外形尺寸如圖7所示。

圖7 無線轉發(fā)器俯視圖

2)無線轉發(fā)器構成單元及其平面尺寸比例如圖8所示。

圖8 無線轉發(fā)器構成單元及其平面尺寸比例

3)無線轉發(fā)器布局如圖9所示。

圖9 無線轉發(fā)器布局

2.3 終端顯示器結構

采用10.1吋屏平板電腦，外加皮質保護罩。

3 關鍵技術

3.1 綠光心率傳感器技術

綠光心率傳感器的原理是：根據郎伯－比爾（lamber－beer）定律，物質在一定波長處的吸光度和他的濃度成正比，當恒定波長的光照射到人體組織上時，通過人體組織吸收、反射衰減后測量到的光強在一定程度上反映了被照射部位組織的結構特征。

綠光心率傳感器使用了最適合測量脈搏用的發(fā)光波長，即570nm發(fā)光波長的綠光，心率測量靈敏度更高，由它做成的腕式心率即使是手臂做劇烈晃動，對于心率測量也沒有影響。

由綠色波長的發(fā)光LED和一個光敏傳感器組成，利用血液中的血紅蛋白容易吸收綠色等特定波長的光的特性，用LED照射腕部皮膚，通過捕捉皮膚表面綠色成分的亮度變化來檢測脈搏。

3.2 無線組網技術

通過無線組網解決多名運動員心率數據向教練員監(jiān)測終端的傳輸，以及教練員訓練指導指令向運動員廣播的雙向通訊。

無線組網由心率表無線數傳、無線轉發(fā)器和教練員監(jiān)測終端的WIFI設備構成，心率表與無線轉發(fā)器之間采用2.4GHz多點對一點的無線數傳模式，無線轉發(fā)器與教練員監(jiān)測終端之間采用5.8GHz無線AP。另外在無線轉發(fā)器中裝置了2.4GHz遠距離藍牙發(fā)射器，與運動員佩戴的藍牙耳機配對后進行教練員訓練指導指令的傳輸。

無線轉發(fā)器要求放置在訓練場的中心地帶。

4 主要技術指標的計算分析

4.1 傳感器測量精度估算

由于采用心電圖數據采集方式，數據率高達512Hz，假設被測心率為60次/min，則平均心率的理論測量誤差為3×10-5次/min，實時心率的理論測量誤差為 2×10-3次/min。

4.2 無線傳輸能力估算

1）心率表與無線中轉器之間的傳輸能力。無線數傳模塊的實測傳輸距離為170m，無線中轉器的天線增益為12dB，比原模塊配置的天線增益至少增加6dB，則傳輸距離增加到340m。

2）無線中轉器與監(jiān)測終端之間的傳輸能力。ARG1220型WIFI路由器的傳輸距離大于3000m。

3）藍牙傳輸耳機接聽距離。采用BLK-BTD-6610型超遠距離藍牙發(fā)射器，連接普通Class2藍牙設備實測距離可達到500m。

5 產品系列化展望

5.1 探測功能的擴展

1)增加運動員血氧飽和度監(jiān)測功能：血氧飽和度的測量方法與本方案采用的綠光心率測量類同，通過分析ECG數據就可以同時監(jiān)測運動員心率和血氧飽和度的變化情況，血氧飽和度的軟件分析和血氧飽和度的標定方法需要進行進一步的研究和開發(fā)。

2)增加運動員體溫監(jiān)測功能：通過增加體溫傳感器，利用系統的數據采集和無線組網功能，可以比較方便地進行運動員體溫監(jiān)測。

3)增加運動員體血壓測功能：目前的血壓傳感器體積較大，未來如果出現微型血壓傳感器，就可以增加運動員體血壓測功能。

5.2 通訊功能的擴展

1)擴大被測運動員的數量：通過對無線組網技術的深一步研究，在不改變現有硬件的情況下，有望實現數十名運動員的生理數據動態(tài)監(jiān)測。

2)教練員異地訓練指導：采用電信通訊介入方式，實現教練員異地對運動員的訓練指導。

3）運動員活動軌跡記錄和顯示：采用電信通訊介入方式和增加GPS功能，實現運動員活動軌跡的記錄和顯示。