□ 傅兰英 付强 翟少红 王培勇（.郑州升达经贸管理学院运动与健康研究所 河南 郑州 59；.新乡医学院三全学院 河南 新乡 559；.西安体育学院 陕西 西安 70068；.清华大学 北京 0008）

近年来，高校“阳光体育长跑教学活动”中的受伤、甚至猝死的情况不断出现，使人们对长跑活动的监控、科学健身给予了高度重视。然而，高校“阳光体育长跑教学活动”的运动负荷监测体系尚未形成。虽然以往只在专业训练中使用的运动负荷监测方法逐渐在全民健身中得到运用和普及，各种监测手段不断丰富，手环、心率表等监测装置不断出现，但这些监控设备都只对个体进行运动负荷的自我监测，且监测指标单一。而高校“阳光体育长跑教学活动”人数众多，监控环境复杂，需要对参加的众多学生进行实时监测，单一的运动负荷监测装置已无法胜任高校集群长跑监测的需求。本研究从集群监控的角度出发，通过短距离无线传输技术，不仅能监测运动心率，同时能监测运动速度、距离，并且可以进行二者间的相关分析，实现了心率与运动速度的实时检测与数据发送，有效的解决了对高校长跑教学和众多长跑锻炼者进行实时集群监测、预警的问题。

1、运动心率与速度监测设备的构成

系统以高校田径场范围内的长跑监控为目的，建立了一个局域网络。基于POLAR心率传感器，设计实现了长跑过程心率和速度的同步监测；继而通过无线中继，达到了实时远程监控的目的。这套微系统对于长跑过程的安全监控、合理调配运动量、控制运动强度以及科学锻炼具有较强的实用价值。

1.1、Polar心率传感器的特点

目前国际上有很多公司在研究运动过程中的心率采集，其中Polar公司就是其中最著名的一家。该公司有心率传感器的成熟产品。这款心率传感器主要有以下特点：（1）具有舒适、轻便、柔韧性好的弹性绷带；（2）无线发射的信号采用编码加密技术，使得信号在无线发射过程中的可靠性大为提高；（3）传感器的电池可以更换，使用CR2032型号3伏锂电池，平均工作使用寿命可达300个小时（平时处于睡眠状态，耗电量极小，只有在工作状态下才被激活）；（4）整体防水，可用于30m水下；（5）弹性绷带部分可以卸下进行清洗；（6）前端连接的锁扣使得装卸传感器都比较容易；（7）价格优势。

正是由于Polar Wear Link传感器在这些环节上的优点，因此，在运动心率采集和无线发射系统中采用它作为心率传感器，这样有效节省了开发时间，这种成熟的传感器产品在使用中的一致性也比较好，保证后续的开发工作能够顺利进行。

1.2、标准田径场地与接收器的安放地点

按照田径规则，标准田径场地的内道，也就是第一跑道，每圈长度为400m，分别由两个直道和两个弯道组成，也可以理解为由四个等分的100m组成。

心率传感器佩戴在跑步者的身上，心率无线中继需要自己设计，将四个心率无线中继安放在直道与弯道的衔接点处，当跑步者经过每个无线中继时，自动完成信息传送。无线中继将心率传感器发送来的心率信号和当前时间信息实时转发给远端的PC计算机进行处理，PC机通过心率、距离、时间三个主要参数实现对跑步者的实时监控，并计算出当前的运动量、运动负荷、运动刺激强度、能量消耗、心脏血液输出量、心率变异等多种指标。

2、高校“阳光体育长跑教学活动”过程监控相关设备的设计与工作原理

2.1、Polar心率传感器无线信号传送特点

Polar心率传感器的功能是检测心电信号并通过心电信号计量出R波的间期（两个邻近心电R波的时间），从而计算出对应每分钟的心率值，这个每分钟心率值反映的是即刻心率值。用软件滤波方法，对即刻心率数据序列进行处理后获得平均心率数据。

Polar心率传感器的数据发送是通过无线方式进行的，以NRF2401无线芯片为核心，工作于2.4GHz ISM频段的射频收发心率采集处理装置。无线频率范围2400-2524MHz。

无线发送的数据帧，在ShockBurstTM收发模式下，会自动的处理字头和CRC校验编码。在数据接收时，会把字头和CRC校验码自动移去。在数据发送时，会自动加上字头和CRC校验编码。

无线数据帧，每帧数据的有效字节有26个，在这26个字节中包含有两个关键数据，8bit的即刻心率和8bit的平均心率信息。

芯片最高通信速率1Mbps，具有125个频道，满足跳频通信和多点通信的需要。芯片软件配置字120bit（15Byte）。配置字是通过软件设置实现的，具有很大的灵活性。

在120bit的配置字中，bit7-bit1为通道选择位，允许在125个频道范围内进行选择其一，频道间距1MHz。无线工作频率的计算方法为：Channel Frequency=2400MHz+RF_CH#×1MHz。Bit0 是 RXEN选择位：置1为无线接收数据模式；置0为无线数据发射模式。

POLAR心率传感器的功率配置，为我们在测试心率数据的同时又能实现距离检测的设想提供了实现的可能性，最佳的设置是让跑步者在到达各个100m衔接点4m之内时，接收装置能够扑捉到心率传感器的数据帧。而跑步者在到达各个100m衔接点4m之外时，接收装置与心率传感器失联。通俗的讲，跑步者在到达100m衔接点时，会对放置在衔接点处的接收装置（无线中继）刷新，以表示自己在某一时刻经过了此处。

2.2、用Polar心率传感器同时实现测距的原理

如前所述，将四个心率无线中继安放在直道与弯道的衔接点处（也是四个100m的衔接点处），当跑步者经过每个无线中继时，中继就会接收到心率传感器发出的心率数据帧，同时中继也就获得了跑步者到达中继的时间信息。从节电的角度出发，POLAR心率传感器的无线发射功率设置在最低档次，实际可靠传送距离为3-4m，这样，在中继上获得的时间延迟误差会很小，足以满足长跑监控的要求。

2.3、心率传感器的无线中继和实时后续处理

需要说明的是对于中继的功率设计要全面考虑，因为中继是放置在田径场内的，多为电池供电。过大的无线发射功率是一个浪费，无线发射功率过小，会导致后端PC计算机数据接收失败。因此，中继的发射功率要兼顾供电电源、中继放置的高度、天线的性能，更重要的是中继后续远端处理设备的距离，环境因素等等，进行全面考虑。

目前，市场上以Nrf2401为核心的无线模块种类很多，使用灵活。从通讯距离上区分，有10m到200m，甚至更远距离的模块，这给使用者提供了较大的选择性。有些模块还固化有单片机或者留有计算机端口，可以直接使用。

微系统中数据的后续处理可以使用一个笔记本电脑或者台式PC计算机，接收到四个中继发送的数据帧后，在屏幕上以数据和曲线方式显示跑步者当前的运动状况。包括即刻心率、平均心率、速度、距离等。如果建立一个数据库，涵盖年龄、性别、健康状况、运动能力等计算出能量消耗、纵向运动能力对比、横向运动能力对比、有效心率控制范围等与健康和运动效果相关的多种参数。这样，就可以实时优化锻炼计划，达到安全监控和科学锻炼的目的。

3、心率与速度监测设备的应用实验

3.1、实验对象

为验证系统的基本性能，我们招聘了8名本校在校学生自愿者为实验对象（其中男生6名，女生2名），对该系统进行了应用测试。同时使用“传统的人工秒表计时”和研制成功的中长跑过程心率与运动速度的同步实时监控装置进行测试实验。

3.2、实验设备

手动计时秒表4块，长跑过程心率与运动速度的同步实时监控装置一套，将四个无线中继平均分布在400m田径场第一跑道内侧场地上，200m起点处（B点）、200m中点处(C点)、300m起点处（A点）、终点处（D点）各放一个，每个中继间距100m。

3.3、实验方法

4名计时员分别站在每个中继的相同位置。（1）人工秒表计时：发令员发令时，4名计时员同时开表。当测试者到达每个100m计时位置时，该位置上的计时员记录下当时的成绩。800m结束时，A记录员记录下测试者跑完100m、500m所用的成绩，B记录员记录下测试者跑完200m、600m所用的成绩，C记录员记录下测试者跑完300m、700m所用的成绩，D记录员记录下测试者跑完400m、800m所用的成绩。对8名测试者分别进行测试，记录下他们每个100m所用时间；（2）设备自动计时：根据Polar心率传感器无线信号传送特点，当测试者佩戴心率传感器到达中继附近时，中继就会接收到心率传感器发出的每秒4帧的心率数据帧，同时中继也获得了跑步者到达中继的即刻时间。当测试者远离中继3-4m时，心率传感器超出了无线发射半径的范围，中继无法接收到数据帧。因此当测试者经过中继时，中继会传送1到几个数据帧给后端的PC计算机。为了实验的统一性和准确性，我们在多个数据中选取当跑步者经过每个中继时中继接收的最后一个数据为设备计时成绩。将数据整理，得到两种测试方法的计时结果。

4、结果与分析

实验得知，设备计时和人工秒表计时有一定的延迟。分别以男2和女1为例，以秒表计时的成绩为标准，将得到的设备计时结果与人工秒表计时结果相减，得到男2两种计时方法间的差值和女1两种计时方法间的差值。而男2和女1每100m的人工秒表计时和设备计时的差值均在0-0.25秒内。根据心率传感器每秒传送4次数据帧的特点，中继每0.25秒接收1帧数据，差值在0.25秒以内符合数据传送的特点，因此可以认为，设备的计时精度满足长跑监控的需要。

5、结语

实践证明，高校“阳光体育长跑教学活动”是一项能有效促进大学生身心健康的活动。但是，要使每一位个体都达到有效的运动效果，科学运动是一个重要的环节，运动量过小，达不到合理有效的运动刺激强度，而过量的刺激则有可能损伤机体。科学的、合理有效的长跑体育活动，是我们追求的目的。因此，用心率实时监控长跑者的运动负荷，用速度、距离实时监控中长跑这的运动轨迹，对长跑者的运动过程进行全方位的在线科学指导和安全监控尤为重要。

本研究从集群监控与指导的角度出发，基于微系统设计的应用层面，针对POLAR心率传感器无线信号传送的特点、同步实现了对长跑运动者的测速、测距；对心率传感器的无线中继和实时后续处理诸方面进行了深入研究，设计实现了长跑过程心率和速度的同步监测并通过无线中继，达到了实时远程监控的目的。应用实验表明，这套微系统方法简单、设计合理，可以满足长跑锻炼的要求。对于长跑过程的安全监控、合理调配运动量、控制运动强度以及科学锻炼具有较强的实用价值，为高校“阳光体育长跑教学活动”提供了有效的参考依据。