李鵬飛 呂永忠

（甘肅省體育科學(xué)研究所 甘肅 蘭州 730050）

本系統(tǒng)由四個部分組成,分別為腕式心率表、腕式智能手機、電信組網(wǎng)設(shè)備以及監(jiān)測終端。腕式心率表由光波照射到皮膚表面，心率表光波通過照射和反射方式傳送到心率手表的光電接受裝置，相關(guān)數(shù)據(jù)與已有模型數(shù)據(jù)進行對比來分析運動員耗氧情況；腕式智能手機用于測試心率數(shù)據(jù)的接收和無線發(fā)送；組網(wǎng)設(shè)備用于數(shù)據(jù)在廣域網(wǎng)中的無線傳送；監(jiān)測終端用于教練員實時觀察運動員心率，監(jiān)測運動員生理狀態(tài)。在實際訓(xùn)練過程中多名運動員手腕同時穿戴腕式心率表和智能手機，通過廣域網(wǎng)采集運動員的心率數(shù)據(jù)并發(fā)送到教練員手持監(jiān)控終端。教練會通過觀察運動員的實時心率變化來分析訓(xùn)練負荷。

1、研究對象與方法

1.1、研究對象

本研究以運動員動態(tài)心率監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計、研發(fā)及應(yīng)用為研究對象。

1.2、研究方法

（1）文獻資料法。

通過中外文獻檢索數(shù)據(jù)庫了解基本的知識結(jié)構(gòu)和建模理論,結(jié)合實際需要進行研發(fā)。

（2）實驗法。

根據(jù)運動員動態(tài)心率監(jiān)測系統(tǒng)的可操作性進行試驗,通過重復(fù)試驗進行測試,從中不斷改進,最終形成本系統(tǒng)。

2、系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1、系統(tǒng)硬件組成與特點

運動員動態(tài)心率監(jiān)測系統(tǒng)硬件四方面組成。產(chǎn)品特點：（1）心率監(jiān)測反應(yīng)靈敏，測試結(jié)果準確、穩(wěn)定；（2）可同時對多名重點隊員進行監(jiān)控和評價，適用于大多數(shù)專業(yè)運動隊的訓(xùn)練科目；（3）利用全國電信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳送，做到無死角傳輸，監(jiān)控訓(xùn)練不受場地的影響；（4）體積小巧、便于攜帶；（5）產(chǎn)品能夠使教練員直觀地掌握運動員在實際訓(xùn)練中的心率變化情況，對訓(xùn)練過程的監(jiān)控具有及時性和科學(xué)性，教練員可以根據(jù)具體情況對訓(xùn)練計劃進行及時調(diào)整，減小訓(xùn)練的盲目性，增加訓(xùn)練的有效性。

（1）心率表。

選用量產(chǎn)國際知名品牌心率表，通用藍牙數(shù)據(jù)接口。選型注意事項：①能夠保證探測深色皮膚測量的準確性（即使運動員手臂上有紋身也能準確進行心率測量）；②為了減輕運動員負載，盡量選用低重量、小體積、方便穿戴的產(chǎn)品。

（2）數(shù)傳手機。

選用量產(chǎn)國產(chǎn)品牌手機，自主研發(fā)應(yīng)用軟件。選型注意事項：為了減輕運動員負載，盡量選用低重量、小體積、方便穿戴的產(chǎn)品，如腕式手機。

（3）電信組網(wǎng)設(shè)備。

通過中國電信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。

（4）教練員終端。

選用量產(chǎn)國產(chǎn)知名品牌平板筆記本，自主研發(fā)應(yīng)用軟件。選型注意事項：盡量選用高亮度、平板、輕便的產(chǎn)品。

2.2、系統(tǒng)軟件設(shè)計

運動員動態(tài)心率監(jiān)測系統(tǒng)軟件由心率檢測軟件和教練員終端計算機軟件兩部分構(gòu)成。

（1）心率檢測軟件設(shè)計。

①軟件需求

解決心率表和數(shù)傳手機藍牙配對、數(shù)據(jù)接收、運動隊名稱和運動員姓名輸入、映射端口域名及其端口號輸入、數(shù)據(jù)無線電信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。

a.數(shù)傳手機和心率表藍牙配對；

b.心率表數(shù)據(jù)藍牙接收。需分析心率表的藍牙數(shù)據(jù)格式，進行數(shù)據(jù)解析；

c.受測運動隊名稱及運動員姓名的輸入。軟件顯示界面上具有運動隊名稱和運動員姓名輸入欄，可以輸入6 個字符，支持漢字輸入；

d.映射端口域名及其端口號輸入。軟件顯示界面上具有映射端口域名輸入欄，可以輸入英文字符，例如“jiawei.ipqq.net”；具有端口號輸入欄，可以輸入數(shù)字字符，如“10076”；

e.數(shù)據(jù)無線電信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。把解析后的心率表有用信息、運動隊名稱、運動員姓名等數(shù)據(jù)打包成TCP 數(shù)據(jù)包，然后通過4G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到指定的映射端口域名(指定了端口號)。

②主要功能

a.數(shù)據(jù)通信功能主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)解析。數(shù)據(jù)接收，用于從匹配的藍牙設(shè)備(心率表)中接收心率數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)解析，用于對接收到的數(shù)據(jù)按特定的協(xié)議進行解析處理；

b.數(shù)據(jù)顯示功能用于將解析的數(shù)據(jù)，包括運動員姓名、運動項目、實時心率，顯示在界面上；

c.網(wǎng)絡(luò)發(fā)送功能用于將運動員姓名、運動項目和實時心率數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到設(shè)置的服務(wù)器IP 地址上；

d.網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測功能實時檢測網(wǎng)絡(luò)的通信狀態(tài)，并將檢測到的狀態(tài)顯示出來。

③主要指標要求

a.軟件性能指標,采集數(shù)據(jù)率：約1 次/s；

b.環(huán)境指標要求,心率檢測軟件運行所需要的基本硬件環(huán)境標準(表1 所示)；

表1 硬件環(huán)境表

心率檢測軟件運行所需的軟件環(huán)境由操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、軟件具和編程語言組成，該軟件運行所需的軟件環(huán)境要求(表2所示)。

表2 軟件環(huán)境要求表

④軟件設(shè)計

心率檢測軟件由初始化單元、參數(shù)設(shè)置單元、藍牙接收單元、接收數(shù)據(jù)處理單元、網(wǎng)絡(luò)發(fā)送單元、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測單元、顯示單元組成。

a.初始化單元。初始化單元是軟件的入口，完成全局變量賦值、界面初始化、網(wǎng)絡(luò)初始化，開啟軟件定時。界面初始化,對界面布局進行初始化，主要是初始化界面中各個控件的大小和位置。網(wǎng)絡(luò)初始化,對網(wǎng)絡(luò)發(fā)送服務(wù)套接字初始化。軟件定時,軟件主定時周期為200ms，通過主定時計數(shù)，生成1s 定時函數(shù)。在定時函數(shù)中，完成界面顯示的更新、狀態(tài)檢測等功能；

b.參數(shù)設(shè)置單元。參數(shù)設(shè)置單元用來設(shè)置以下參數(shù)：運動員姓名、運動項目、服務(wù)器IP 地址及端口、心率表藍牙設(shè)備。運動員姓名、項目：用來設(shè)置訓(xùn)練人員姓名和訓(xùn)練項目。心率表藍牙設(shè)備：心率檢測軟件通過藍牙與心率表連接，接收心率表的數(shù)據(jù)。軟件啟動后通過選擇藍牙設(shè)備，設(shè)置與哪個心率表連接；服務(wù)器IP 地址和端口：用來設(shè)置網(wǎng)絡(luò)接收端的IP 地址和端口；

c.藍牙接收單元,在藍牙接收服務(wù)線程中，實時檢測藍牙端口是否有數(shù)據(jù)。一旦有數(shù)據(jù)到來，首先判斷幀頭和數(shù)據(jù)長度是否滿足要求。只有滿足協(xié)議規(guī)定要求的數(shù)據(jù)幀才會記錄并進入到數(shù)據(jù)處理單元進行處理；

d.接收運動員心率數(shù)據(jù)處理單元對藍牙接收到的數(shù)據(jù)進行解析，并進行容錯處理。接收數(shù)據(jù)主要指瞬時心率。數(shù)據(jù)處理單元將瞬時心率、接收時的時間、設(shè)置的運動員姓名和運動項目打包成一幀待發(fā)送的數(shù)據(jù)；

e.心率檢測軟件網(wǎng)絡(luò)發(fā)送單元由接收數(shù)據(jù)處理單元調(diào)用。接收心率數(shù)據(jù)處理單元打包完一幀完整的數(shù)據(jù)后，調(diào)用網(wǎng)絡(luò)發(fā)送單元，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。發(fā)送的目的IP 和端口由參數(shù)設(shè)置單元設(shè)置；

f.網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測單元由定時函數(shù)調(diào)用。在1s 的定時函數(shù)中，調(diào)用網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測單元，定時檢測網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測單元采取定時ping 服務(wù)器IP 地址，如果有返回值，則網(wǎng)絡(luò)處于連接狀態(tài)；

g.顯示單元由定時函數(shù)調(diào)用。用來實時顯示運動員姓名、運動項目和接收到的心率數(shù)據(jù)。

⑤軟件實現(xiàn)

運行心率檢測軟件：在手機顯示界面上找到名稱為“運動員動態(tài)心率檢測系統(tǒng)”軟件圖標，點擊圖標運行軟件，出現(xiàn)下圖所示歡迎界面(圖1 所示)。

圖1 軟件歡迎界面

參數(shù)設(shè)置界面：約2s 后，軟件進入設(shè)置界面，在“運動隊”一欄中填寫運動隊名稱，如：“女子中長跑隊”、“男子自行車隊”、“摔跤隊”等；在“運動員”一欄中填寫運動員名字或代號，如：“張三”、“男隊員1”等，點擊“保存”按鍵，進入“輸入密碼以確認存儲”界面，輸入正確的密碼后保存設(shè)置。

和心率表的第一次匹配：保證心率表處于心率測量狀態(tài)，在“發(fā)現(xiàn)設(shè)備”欄就會出現(xiàn)“MIO GLOBAL-ALPHA2”的設(shè)備標識，點擊該標識，程序會自動連接該心率表，同時在“已知設(shè)備”欄顯示該設(shè)備的代碼。網(wǎng)絡(luò)通訊建立：如果手機的“移動數(shù)據(jù)”處于打開狀態(tài)，“設(shè)備狀態(tài)”欄會自動顯示“網(wǎng)絡(luò)通訊建立”，同時在心率顯示欄出現(xiàn)被測運動員的心率數(shù)值。心率顯示界面：設(shè)置界面完成后約兩秒，程序自動進入心率顯示界面，

⑥安裝和調(diào)整

將“心跳檢測手機版.apk”安裝包拷貝到手機上，運行后自動安裝心率檢測軟件；手機開啟藍牙，與心率表進行匹配連接。軟件自動接收心率表的數(shù)據(jù)，顯示在界面上，同時發(fā)送到服務(wù)器IP 地址。

（2）教練員終端計算機軟件。

①軟件需求

解決教練員終端計算機和nat123 端口映射軟件在內(nèi)網(wǎng)啟動映射、多組心率數(shù)據(jù)接收、運動隊名稱和運動員姓名解析、瞬時心率解析、平均心率計算、心率數(shù)據(jù)圖形顯示。a.自動加載NAT123 軟件，完成nat123 端口映射軟件內(nèi)網(wǎng)映射；b.多組心率數(shù)據(jù)接收。利用TCP 通訊協(xié)議，接收端口映射網(wǎng)站轉(zhuǎn)發(fā)的心率數(shù)據(jù)；c.受測運動隊名稱以及運動員姓名解析。軟件顯示界面上具有運動隊名稱和運動員姓名顯示欄，可以顯示6 個漢字的運動隊名稱和運動員姓名，可依據(jù)運動隊名稱把運動員自動歸類到多個運動組；d.瞬時心率解析。解析運動員瞬時心率值；e.平均心率計算。通過滑窗算法求取運動員平均心率值；f.心率數(shù)據(jù)圖形顯示。相關(guān)測試數(shù)據(jù)以相關(guān)圖表的形式進行呈現(xiàn)。

②主要功能

a.數(shù)據(jù)傳輸功能主要達到數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)解析。數(shù)據(jù)接收，用于從互聯(lián)網(wǎng)指定的服務(wù)器中接收心率數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)解析，用于對接收到的數(shù)據(jù)按特定的協(xié)議進行解析處理；

b.數(shù)據(jù)顯示功能用于將解析的數(shù)據(jù)，包括運動員姓名、運動項目、實時心率，顯示在終端上；

c.心率曲線繪制功能用于將心率數(shù)據(jù)以曲線形式顯示出來，并可以切換平均心率和瞬時心率；

d.數(shù)據(jù)表格顯示功能用于將數(shù)據(jù)以表格形式顯示出來。包括姓名、運動項目、瞬時心率、平均心率、采集時間；

e.網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測功能實時檢測網(wǎng)絡(luò)的通信狀態(tài)，并將檢測到的狀態(tài)顯示出來；

f.心率設(shè)備在線狀態(tài)檢測功能實時檢測心率設(shè)備是否在線，并將最多8 個心率設(shè)備的狀態(tài)顯示出來。

③主要指標要求

a.軟件性能指標

監(jiān)測數(shù)據(jù)率：約1 次/s；監(jiān)測心率設(shè)備數(shù)量：8 個。

b.環(huán)境指標

第一，硬件環(huán)境

監(jiān)測終端軟件運行所需的硬件環(huán)境要求(表3 所示)。

表3 硬件環(huán)境表

第二，軟件環(huán)境

監(jiān)測終端軟件運行所需的軟件環(huán)境由操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、軟件具和編程語言組成，該軟件運行所需的軟件環(huán)境要求(表4所示)。

表4 軟件環(huán)境要求表

④軟件設(shè)計

監(jiān)測終端軟件由初始化單元、網(wǎng)絡(luò)接收單元、接收數(shù)據(jù)處理單元、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測單元、曲線繪制單元、心率設(shè)備在線狀態(tài)檢測單元、顯示單元、數(shù)據(jù)存儲單元組成。

a.初始化單元,初始化單元是軟件的入口，完成全局變量賦值、界面初始化、網(wǎng)絡(luò)初始化，開啟軟件定時。界面初始化：對界面布局進行初始化，主要是初始化界面中各個控件的大小和位置。網(wǎng)絡(luò)初始化：對網(wǎng)絡(luò)接收服務(wù)套接字初始化，進行網(wǎng)絡(luò)接收服務(wù)線程的初始化。軟件定時：軟件主定時周期為200ms，通過主定時計數(shù)，生成1s 定時函數(shù)。在定時函數(shù)中，完成界面顯示的更新、狀態(tài)檢測等功能；

b.網(wǎng)絡(luò)接收單元在網(wǎng)絡(luò)接收服務(wù)線程中，實時檢測網(wǎng)絡(luò)端口是否有數(shù)據(jù)。一旦有數(shù)據(jù)到來，首先判斷幀頭和數(shù)據(jù)長度是否滿足要求。只有滿足協(xié)議規(guī)定要求的數(shù)據(jù)幀才會記錄并進入到數(shù)據(jù)處理單元進行處理；

c.接收數(shù)據(jù)處理單元對接收到的數(shù)據(jù)進行解析，并進行容錯處理。每一個有效數(shù)據(jù)幀長度40 字節(jié)，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括運動員姓名、項目名稱、采集時間和瞬時心率。數(shù)據(jù)處理單元對瞬時心率進行容錯處理，拋棄異常數(shù)據(jù)，以免影響統(tǒng)計數(shù)據(jù)的真實性；

d.網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測單元,當網(wǎng)絡(luò)接收單元中連續(xù)若干個周期都沒有接收到數(shù)據(jù)時，在1s 定時函數(shù)中開啟網(wǎng)狀態(tài)檢測。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測單元采取定時ping 某外部網(wǎng)站，如果有返回值，則網(wǎng)絡(luò)處于連接狀態(tài)；

e.曲線繪制單元,曲線繪制單元由1s 定時函數(shù)調(diào)用。將解析后的心率和采集時間繪制在圖表中。最多支持8 路心率數(shù)據(jù)，以不同的顏色進行區(qū)別；

f.心率設(shè)備在線狀態(tài)檢測單元,用于檢測心率設(shè)備是否在線。當心率設(shè)備軟件啟動后，自動以每秒一幀的周期發(fā)送心率數(shù)據(jù)。監(jiān)測終端軟件根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)判斷心率設(shè)備是否在線。連續(xù)若干個周期都沒有接收到數(shù)據(jù)時，判定該路心率設(shè)備未連線；

g.顯示單元由定時函數(shù)調(diào)用。用來實時顯示每路心率設(shè)備的數(shù)據(jù)，包括運動員姓名、運動項目、瞬時心率、平均心率。并以表格形式顯示出來；

h.數(shù)據(jù)存儲單元由接收數(shù)據(jù)處理單元調(diào)用。當數(shù)據(jù)解析正確時，按照定義的數(shù)據(jù)格式，將解析數(shù)據(jù)存儲到本地磁盤中。

⑤軟件實現(xiàn)

監(jiān)測終端開機后，自動加載NAT123 軟件，并自動運行終端軟件。終端軟件主界面(圖2 所示)。

圖2 監(jiān)測終端軟件主界面

軟件按每2s 一次的周期檢測網(wǎng)絡(luò)狀，如果互聯(lián)網(wǎng)未連接時，以紅色文字顯示；當互聯(lián)網(wǎng)連接時，隱藏文字消息。軟件以1 次/s 的周期輪詢檢測8 個心率設(shè)備在線狀態(tài)，如果某個心率設(shè)備在線，則在界面中顯示該設(shè)備所屬的運動員名稱和心率數(shù)據(jù)。心率曲線顯示界面：點擊“曲線”欄，進入心率曲線顯示界面(圖3 所示)。

圖3 心率曲線顯示界面

測試結(jié)束后，點擊“關(guān)閉”按鈕，退出終端軟件。

3、正樣機試制

正樣機研制開始于2020 年1 月，于2020 年6 月完成產(chǎn)品試制、調(diào)試和驗證工作。

（1）正樣機研制充分考慮了實際需要提出的意見和建議，研制方案做了如下重大調(diào)整：

①心率表采用目前國際最準確可靠的美國邁歐心率表，該表采用腕式結(jié)構(gòu)，測量精度和心電圖測量結(jié)果的相似度達到99%；

②心率數(shù)據(jù)傳輸采用電信廣域網(wǎng)，徹底解決了監(jiān)測場地覆蓋范圍的問題，在全國電信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)均可使用，如果使用了國際漫游，在全世界電信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)也可正常使用；

（2）正樣機研制過程中主要解決的技術(shù)問題主要是軟件研制，有如下幾個方面：

①“運動員動態(tài)心率檢測系統(tǒng)”APP 軟件研制：該軟件解決了心率表數(shù)據(jù)藍牙接收、運動隊分組、運動員姓名輸入和心率數(shù)據(jù)無線電信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送問題；

②8個心率表和心率顯示平板計算機組網(wǎng)及其軟件研制：這些工作解決了心率數(shù)據(jù)在電信廣域網(wǎng)內(nèi)的通訊問題；

③終端顯示軟件的完善：通過軟件完善，增加了平均心率計算、心率數(shù)據(jù)曲線顯示、心率數(shù)據(jù)表格顯示、運動時心率數(shù)據(jù)自動存儲、存儲心率數(shù)據(jù)回放、運動員告警心率設(shè)定、運動隊組別區(qū)分和顯示、運動員姓名顯示等等功能，同時對顯示界面進行了系統(tǒng)的平面優(yōu)化設(shè)計。

4、結(jié)語

現(xiàn)階段心率一直是競技體育中判定運動訓(xùn)練強度的有效指標，由于人體的心率具有在不同的機能狀態(tài)下呈現(xiàn)出不同數(shù)值這一特征,且運動負荷不同,心率表現(xiàn)也會不同。所以心率指標在運動訓(xùn)練過程中是動態(tài)波動的。同時，在訓(xùn)練中心率還能側(cè)面反映出專項訓(xùn)練方法和手段的合理性以及訓(xùn)練恢復(fù)過程、恢復(fù)手段的效果。所以在現(xiàn)代競技體育訓(xùn)練中,心率監(jiān)測尤為廣泛,而動態(tài)的實時的心率監(jiān)測在運動訓(xùn)練中極為重要。在日常訓(xùn)練中教練員可以根據(jù)運動員動態(tài)心率進行日常訓(xùn)練負荷的調(diào)整,這樣訓(xùn)練計劃更為合理客觀。傳統(tǒng)的心率監(jiān)測手段都是通過訓(xùn)練后進行測試,這樣的測試不能做到及時的監(jiān)測數(shù)據(jù),同時這種測試也會影響到訓(xùn)練效果。本系統(tǒng)通過腕式心率表、腕式智能手機、電信組網(wǎng)設(shè)備和監(jiān)測終端，實現(xiàn)了運動員遠程心率的實時監(jiān)測，相比傳統(tǒng)心率測試系統(tǒng)表現(xiàn)得更為精確、直觀。心率動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對運動隊的數(shù)字化建設(shè)有著積極意義，同時也踐行了“科訓(xùn)結(jié)合”這一理念。