本發(fā)明涉及一種結(jié)合自適應(yīng)運(yùn)動處方的健身輔助系統(tǒng)，屬于健身輔助裝備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

當(dāng)前社會正在迅猛的發(fā)展，人們的生活、工作壓力越來越大，以致人們的身體負(fù)擔(dān)越來越重，擁有健康的身體便成為了大家共同的期望。經(jīng)常鍛煉身體，這便是大家眾所周知的方法。凡事都需要有一個度，健身也不例外。20世紀(jì)50年代美國著名的生理學(xué)家卡波維奇提出了運(yùn)動處方的概念。運(yùn)動處方是針對人的身體狀況而采用的一種科學(xué)的、定量化的體育鍛煉方法，該處方特點(diǎn)是因人而異的，其最終目的是避免鍛煉者不合理的健身進(jìn)而更好地輔助鍛煉者的體育運(yùn)動。

運(yùn)動處方種類繁多，健身運(yùn)動處方是其中之一，其定義為：根據(jù)健身體育從事者的身心條件和特點(diǎn)，以處方的形式確定體育鍛煉內(nèi)容、生理負(fù)荷量、運(yùn)動強(qiáng)度、持續(xù)時間、鍛煉頻率等，以發(fā)展身體、增強(qiáng)體質(zhì)為目的。早在20世紀(jì)70年代，國外便已經(jīng)開展運(yùn)動處方的研究，并逐步的將運(yùn)動處方應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域。

但是，一直以來，運(yùn)動處方的使用局限于運(yùn)動處方需要全方位的復(fù)雜的測試流程，而國內(nèi)缺乏這樣評估機(jī)構(gòu)。也正因?yàn)槿绱?，運(yùn)動處方無法得以廣泛的重視及發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何簡化運(yùn)動處方的測試流程，且使其能夠針對不同使用者自身的情況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種結(jié)合自適應(yīng)運(yùn)動處方的健身輔助系統(tǒng)，其特征在于，包括：

用于采集使用者鍛煉時的心率及步數(shù)數(shù)據(jù)的移動端設(shè)備；

用于對移動端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得到使用者自適應(yīng)的運(yùn)動處方的pc端系統(tǒng)；及

用于實(shí)現(xiàn)移動端設(shè)備與pc端系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通訊模塊；

所述pc端系統(tǒng)得到使用者自適應(yīng)的運(yùn)動處方的具體方法如下：

步驟1：移動端設(shè)備測量使用者鍛煉時的心率，pc端系統(tǒng)根據(jù)測得的使用者的最大心率rmax以及安靜時心率rq，計(jì)算靶心率r，也就是最佳適宜心率；計(jì)算公式為：

r＝(rmax-rq)*70％+rq；

步驟2：使用者以計(jì)算得到的靶心率為標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)動設(shè)定天數(shù)，每天運(yùn)動時間一致；移動端設(shè)備測量使用者每天鍛煉時的步數(shù)s，pc端系統(tǒng)根據(jù)測得的步數(shù)s，計(jì)算運(yùn)動量w：

w＝s*sl

由于身高與步幅有如下：

h＝sl*2+(1/2)*(1/7)*h；

通過使用者的身高h(yuǎn)，得到使用者一步的步幅sl；

步驟3：根據(jù)所測得的運(yùn)動天數(shù)與運(yùn)動量數(shù)據(jù)，利用曲線擬合，得到在靶心率要求下的運(yùn)動天數(shù)與運(yùn)動量的關(guān)系模型，即為使用者自適應(yīng)的運(yùn)動處方。

優(yōu)選地，所述移動端設(shè)備包括微控制模塊、傳感器模塊、無線通訊模塊、電源模塊以及人機(jī)交互模塊，傳感器模塊、無線通訊模塊、電源模塊以及人機(jī)交互模塊均與微控制模塊連接。

優(yōu)選地，所述傳感器模塊包括心率傳感器模塊和加速度傳感器模塊；心率傳感器模塊感知使用者的脈搏的變化，產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號；加速度傳感器模塊通過感知使用者運(yùn)動過程中的重心位置的變化，產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號。

優(yōu)選地，通過所述加速度傳感器模塊感應(yīng)使用者跑動時身體重心位置的變化，通過對加速度傳感器模塊的方波信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到使用者的步數(shù)。

優(yōu)選地，所述人機(jī)交互模塊包括用于控制移動端設(shè)備的開啟和關(guān)閉的開關(guān)按鈕，和用于顯示移動端設(shè)備所采集的心率及加速度數(shù)據(jù)的液晶顯示屏；開關(guān)按鈕和液晶顯示屏均連接所述微控制模塊。

優(yōu)選地，所述傳感器模塊完成對使用者的運(yùn)動狀態(tài)的感知，并返回脈沖信號到微控制器模塊，由微控制器模塊完成對脈沖信號的采集和預(yù)處理，然后通過無線通訊模塊將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至pc端系統(tǒng)，pc端系統(tǒng)對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到使用者的鍛煉成長關(guān)系模型，進(jìn)而得到使用者的自適應(yīng)的運(yùn)動處方。

優(yōu)選地，所述無線通訊模塊采用zigbee無線通訊的方式；系統(tǒng)包括至少兩個zigbee模塊，一個位于移動端設(shè)備上負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)發(fā)送，另一個位于pc端系統(tǒng)上負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收；兩個zigbee模塊設(shè)定相同的網(wǎng)絡(luò)信道、網(wǎng)絡(luò)id以及相同的波特率，從而完成兩個zigbee模塊之間的通訊。

優(yōu)選地，所述移動端設(shè)備上的zigbee模塊與pc端系統(tǒng)上的zigbee模塊之間還設(shè)有至少一個zigbee模塊，所有zigbee模塊設(shè)定相同的網(wǎng)絡(luò)信道、網(wǎng)絡(luò)id以及相同的波特率，形成組網(wǎng)。

優(yōu)選地，所述微控制器模塊使用自帶的定時器的捕獲模式，實(shí)現(xiàn)同時對心率傳感器模塊和加速度傳感器模塊的脈沖信號進(jìn)行采集，并在兩個脈沖信號觸發(fā)中斷的時候?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。

優(yōu)選地，由于最大心率rmax的檢測相當(dāng)危險，所以采用年齡減算法來進(jìn)行計(jì)算：

rmax＝210-rage

其中，rage為使用者的實(shí)際年齡數(shù)值。

本發(fā)明簡化了運(yùn)動處方的制作過程，以靶心率作為前期鍛煉任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，通過使用電子設(shè)備對鍛煉者在靶心率作為標(biāo)準(zhǔn)的日常鍛煉下的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并發(fā)送到pc端，然后使用電腦對電子設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，擬合出適合鍛煉者自己的運(yùn)動成長曲線，根據(jù)擬合得到的鍛煉者的運(yùn)動成長曲線也就是關(guān)系模型，制作出適宜鍛煉者的運(yùn)動處方，即自適應(yīng)運(yùn)動處方，并將該運(yùn)動處方數(shù)據(jù)應(yīng)用到電子設(shè)備當(dāng)中，也就是結(jié)合自適應(yīng)運(yùn)動處方的健身輔助系統(tǒng)。

本發(fā)明提供的系統(tǒng)不再僅僅作為一個單純的檢測系統(tǒng)，而是結(jié)合運(yùn)動處方的健身輔助系統(tǒng)；同時也較好地節(jié)省了運(yùn)動處方前期需要做大量的體能測試的繁瑣過程，只需要通過短時間使用者的鍛煉及鍛煉情況反饋來完成運(yùn)動處方的制定工作；同時將移動端設(shè)備和pc端系統(tǒng)相結(jié)合，能夠更有效的為使用者取得科學(xué)的健身效果。

附圖說明

圖1為移動端設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為移動端設(shè)備與pc端系統(tǒng)通訊工作流程圖；

圖3為自適應(yīng)運(yùn)動處方的制作流程圖；

圖4為移動端設(shè)備布置示意圖；

圖5為pc端系統(tǒng)界面示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

本實(shí)施例提供的結(jié)合自適應(yīng)運(yùn)動處方的健身輔助系統(tǒng)包括移動端設(shè)備、pc端系統(tǒng)、及用于實(shí)現(xiàn)移動端設(shè)備與pc端系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通訊模塊。移動端設(shè)備由使用者隨身攜帶，移動端設(shè)備采集使用者平時的鍛煉信息數(shù)據(jù)，通過無線通訊模塊傳送至pc端系統(tǒng)，pc端系統(tǒng)處理收到的數(shù)據(jù)，得到使用者的自適應(yīng)的運(yùn)動處方。

結(jié)合圖1，移動端設(shè)備包括微控制模塊(mcu)、傳感器模塊、無線通訊模塊、電源模塊以及人機(jī)交互模塊共同組成。傳感器模塊、無線通訊模塊、電源模塊以及人機(jī)交互模塊均與微控制模塊連接。

傳感器模塊包括光電式心率傳感器模塊以及加速度傳感器模塊。光電式心率傳感器模塊感知使用者的脈搏的變化，產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號；加速度傳感器模塊通過感知使用者運(yùn)動過程中的重心位置的變化，產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號。

人機(jī)交互模塊包括開關(guān)按鈕和液晶顯示屏。開關(guān)按鈕用于控制移動端設(shè)備的開啟和關(guān)閉。液晶顯示屏采用的是oled液晶顯示屏，用于顯示移動端設(shè)備所采集的鍛煉信息數(shù)據(jù)。

結(jié)合圖2，無線通訊模塊采用zigbee無線通訊的方式。系統(tǒng)至少需要兩個zigbee模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一個位于微控制模塊上負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)發(fā)送，另一個位于pc端系統(tǒng)上負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收，兩個zigbee模塊需要設(shè)定相同的網(wǎng)絡(luò)信道、網(wǎng)絡(luò)id以及相同的波特率，這樣才能完成兩個模塊之間的通訊。同時也可以通過增加zigbee模塊的數(shù)量來形成組網(wǎng)來提高數(shù)據(jù)的傳輸距離。

zigbee模塊包括uart(通用異步收發(fā)傳輸器)接口和dl-ln3x(無線自組網(wǎng))模塊。移動端設(shè)備的微控制模塊通過uart接口連接dl-ln3x模塊，pc端系統(tǒng)也通過uart接口連接dl-ln3x模塊，兩個dl-ln3x模塊之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。

微控制器模塊采用msp430系列單片機(jī)，信號采集方式是使用微控制器中定時器的捕獲模式，通過該方式可以實(shí)現(xiàn)同時對兩路傳感器的脈沖信號進(jìn)行采集，并在兩個信號觸發(fā)中斷的時候?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。msp430系列單片機(jī)以自帶定時器的捕獲模式采集傳感器返回數(shù)據(jù)，通過iic通信協(xié)議連接液晶顯示屏實(shí)時顯示使用者的鍛煉情況，uart協(xié)議控制zigbee無線通訊模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到pc端系統(tǒng)。

由傳感器模塊完成對使用者的運(yùn)動狀態(tài)的感知，并返回脈沖信號到微控制器模塊，由微控制器模塊完成對脈沖信號的采集和簡單處理，然后通過無線通訊模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至pc端系統(tǒng)，pc端系統(tǒng)處理收到的數(shù)據(jù)，并且在每天使用者完成鍛煉的時候繪制出使用者今日鍛煉的鍛煉情況圖，然后將最后一組數(shù)據(jù)作為使用者當(dāng)天運(yùn)動量記錄下來，在累積一段時間的數(shù)據(jù)后，對這段時間的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到使用者的鍛煉成長關(guān)系模型，以此模型得到使用者的自適應(yīng)的運(yùn)動處方。

結(jié)合圖3，該系統(tǒng)采用自適應(yīng)運(yùn)動處方的獲取方法，前期通過測量最大心率以及安靜時心率，根據(jù)靶心率的算法得到靶心率的數(shù)據(jù)，然后以靶心率作為運(yùn)動標(biāo)準(zhǔn)，按照要求進(jìn)行短期的運(yùn)動鍛煉。靶心率的算法具體如下：

設(shè)最大心率為rmax，安靜時心率為rq，通過karlson算法計(jì)算得到使用者適宜的靶心率，也就是最佳適宜心率r：

r＝(rmax-rq)*70％+rq

但是最大心率的檢測相當(dāng)危險，所以這里采用年齡減算法來進(jìn)行計(jì)算：

rmag＝210-rage

其中，rage為使用者的實(shí)際年齡數(shù)值。

安靜時的心率沒有明確的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，所以這里采用連續(xù)三天早晨起床時測得的心率rq1、rq2、rq3的平均值：

rq＝(rq1+rq2+rq3)/3

心率檢測用于確保運(yùn)動強(qiáng)度，同時還需要確保運(yùn)動量，本系統(tǒng)采用加速度傳感器感應(yīng)人跑動時身體重心位置的變化，通過對加速度傳感器的方波信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到鍛煉者的步數(shù)，把步數(shù)設(shè)為s，鍛煉者的身高為h，鍛煉者的步幅設(shè)為sl，運(yùn)動量設(shè)為w；那么人的身高與步幅之間的關(guān)系為：

h＝sl*2+(1/2)*(1/7)*h

根據(jù)鍛煉者的身高的參數(shù)，便可以得到鍛煉者一步的步幅sl，然后便可以得到運(yùn)動量w和步數(shù)s之間的關(guān)系：

w＝s*sl

運(yùn)動量由三個因素決定：運(yùn)動強(qiáng)度、運(yùn)動持續(xù)時間以及運(yùn)動頻率來確定。所以為確保運(yùn)動量，建議每次鍛煉持續(xù)時間不能少于15分鐘，并且每次鍛煉心率達(dá)到靶心率以上10分鐘左右較為適宜，堅(jiān)持每天進(jìn)行鍛煉，這樣便可以確保運(yùn)動時間。

自適應(yīng)運(yùn)動處方的核心思想就是讓設(shè)備去找到鍛煉者在靶心率標(biāo)準(zhǔn)下日積月累形成的屬于他自己的鍛煉成長曲線，也就是需要找到鍛煉者在靶心率要求下的鍛煉量與鍛煉天數(shù)之間的關(guān)系模型，找到的這個關(guān)系模型就是適應(yīng)與該使用者的運(yùn)動處方，以此來達(dá)到自適應(yīng)的目的。

由于靶心率的算法并不能使用到每個人，所以在鍛煉期間還需要根據(jù)跟人主觀疲勞分級來對當(dāng)前的運(yùn)動標(biāo)準(zhǔn)做出反饋，pc端系統(tǒng)也會根據(jù)反饋適當(dāng)調(diào)低或調(diào)高運(yùn)動靶心率要求，如此反復(fù)一段時間，便可以得到適用于使用者的靶心率標(biāo)準(zhǔn)，同時也得到該使用者該段時間的鍛煉數(shù)據(jù)，然后由pc端系統(tǒng)對該時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到使用者的運(yùn)動成長曲線，即運(yùn)動關(guān)系模型，按照該模型為使用者安排鍛煉目標(biāo)，該段時間同樣在進(jìn)行鍛煉的同時還需要對鍛煉情況進(jìn)行反饋，如此一段時間的磨合，便可以得到切合使用者的運(yùn)動關(guān)系模型，也就是使用者的運(yùn)動處方。

如圖4所示為該系統(tǒng)移動端設(shè)備的布置圖，心率傳感器模塊貼近皮膚，方便進(jìn)行心率數(shù)據(jù)測量；顯示屏位于中央的上方，方便觀看使用者當(dāng)時的鍛煉數(shù)據(jù)；傳感器及無線模塊分布兩側(cè)，微控制模塊及電源模塊位于中央；按鈕位于左下角方便進(jìn)行啟動操作。

如圖5所示為pc端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)上方顯示微控制器模塊通過無線模塊發(fā)送的心率以及步數(shù)的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過com口以及波特率的選擇開啟串口數(shù)據(jù)的監(jiān)聽工作。在使用者做出反饋提前結(jié)束鍛煉的時候，按下生成當(dāng)日運(yùn)動圖像的按鈕，便可以生成當(dāng)日使用者的鍛煉情況，并將最后一組數(shù)據(jù)作為使用者當(dāng)天的運(yùn)動完成量，記錄下來。當(dāng)使用者完成每日任務(wù)，便自動啟動生成當(dāng)日運(yùn)動圖像的功能，完成圖像顯示及數(shù)據(jù)記錄；一段時間鍛煉后，pc端系統(tǒng)會根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)擬合得到使用者的運(yùn)動關(guān)系模型，即使用者的運(yùn)動處方。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對本發(fā)明任何形式上和實(shí)質(zhì)上的限制，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明方法的前提下，還將可以做出若干改進(jìn)和補(bǔ)充，這些改進(jìn)和補(bǔ)充也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，當(dāng)可利用以上所揭示的技術(shù)內(nèi)容而做出的些許更動、修飾與演變的等同變化，均為本發(fā)明的等效實(shí)施例；同時，凡依據(jù)本發(fā)明的實(shí)質(zhì)技術(shù)對上述實(shí)施例所作的任何等同變化的更動、修飾與演變，均仍屬于本發(fā)明的技術(shù)方案的范圍內(nèi)。