健康運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和功能設(shè)計(jì)分析

　　實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)健康運(yùn)動(dòng)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行探索是在運(yùn)動(dòng)類(lèi)項(xiàng)目中的對(duì)心率監(jiān)測(cè)，從而對(duì)運(yùn)動(dòng)者發(fā)出警報(bào)，并能夠提供合理運(yùn)動(dòng)建議系統(tǒng)。下面文章主要利用心率傳感器和安卓開(kāi)發(fā)對(duì)運(yùn)動(dòng)者的心率及其他指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將獲得的數(shù)據(jù)傳向手機(jī)客戶(hù)端并發(fā)送到云端服務(wù)器。根據(jù)向手機(jī)客戶(hù)端傳送的數(shù)據(jù)，與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，提醒運(yùn)動(dòng)者是否終止或減輕運(yùn)動(dòng)量，通過(guò)服務(wù)器端的數(shù)據(jù)分析，提供相應(yīng)的參考數(shù)據(jù)，讓運(yùn)動(dòng)者調(diào)整下一步的運(yùn)動(dòng)，從而有利于健康。

　　關(guān)鍵詞：心率傳感器,arduino開(kāi)發(fā)板,健康運(yùn)動(dòng),云服務(wù)器

　　目前關(guān)于健康運(yùn)動(dòng)的穿戴設(shè)備和相應(yīng)的軟件比較多，硬、軟件環(huán)境成熟。在提倡合理鍛煉的環(huán)境下，目前大多數(shù)的運(yùn)動(dòng)類(lèi)系統(tǒng)只有計(jì)算所運(yùn)動(dòng)的路程和時(shí)間，沒(méi)有給運(yùn)動(dòng)者一個(gè)合理的運(yùn)動(dòng)量范圍，對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)量做出實(shí)時(shí)警報(bào)，也沒(méi)有對(duì)運(yùn)動(dòng)者的運(yùn)動(dòng)做出分析，進(jìn)而給運(yùn)動(dòng)者提供合理的運(yùn)動(dòng)量的建議。健康運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)將根據(jù)該不足做出填補(bǔ)，將有利于對(duì)運(yùn)動(dòng)者是否運(yùn)動(dòng)過(guò)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并對(duì)運(yùn)動(dòng)者的心率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而促進(jìn)健康運(yùn)動(dòng)。

　　1 系統(tǒng)分析

　　生命在于運(yùn)動(dòng)，適量的運(yùn)動(dòng)有益于提高身體素質(zhì)，促進(jìn)身體健康，但是過(guò)量的運(yùn)動(dòng)也會(huì)引起身體的不適，損害身體的健康。心率是一個(gè)比較準(zhǔn)確、穩(wěn)定的反應(yīng)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的指標(biāo)，保持適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)心率對(duì)于運(yùn)動(dòng)效果和運(yùn)動(dòng)安全都很重要。本系統(tǒng)將通過(guò)運(yùn)動(dòng)者心率的實(shí)時(shí)獲取進(jìn)而對(duì)運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析。

　　本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集端、移動(dòng)客戶(hù)端和云服務(wù)器3部分組成。據(jù)采集端負(fù)責(zé)心率數(shù)據(jù)的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到移動(dòng)客戶(hù)端。心率數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)且準(zhǔn)確地獲取對(duì)本系統(tǒng)至關(guān)重要。本系統(tǒng)將通過(guò)心率傳感器獲取心率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)開(kāi)發(fā)板將傳感器傳遞的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)藍(lán)牙模塊將數(shù)字信號(hào)發(fā)送給移動(dòng)客戶(hù)端。移動(dòng)客戶(hù)端負(fù)責(zé)接受實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)心率數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)心率大于安全心率時(shí)向運(yùn)動(dòng)者發(fā)出警報(bào)。移動(dòng)客戶(hù)端還需將獲得的心率數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器端。云服務(wù)器端主要對(duì)移動(dòng)客戶(hù)端傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出對(duì)運(yùn)動(dòng)者的一些合理化建議。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 數(shù)據(jù)采集端設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端由PulseSensor傳感器、arduino uno r3開(kāi)發(fā)板和藍(lán)牙模塊組成。

　　PulseSensor傳感器是一款用于脈搏心率測(cè)量的光電反射式模擬傳感器，體積較小，可以佩戴在耳垂或手指上。PulseSensor傳感器有3根引線(xiàn)，分別為模擬信號(hào)輸出線(xiàn)S、電源輸入線(xiàn)+和地線(xiàn)-，將傳感器和arduino開(kāi)發(fā)板連接時(shí)，S引線(xiàn)接開(kāi)發(fā)板的AD接口，+引線(xiàn)接開(kāi)發(fā)板的5V或3.3V電源輸入，-引線(xiàn)接開(kāi)發(fā)板的GND。連接好后，可將傳感器獲取的模擬信號(hào)傳入arduino開(kāi)發(fā)板中。

　　arduino開(kāi)發(fā)板由兩部分組成，分別是arduino硬件和arduino軟件即arduino IDE。傳感器傳入arduino的模擬信號(hào)經(jīng)AD可轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，我們需在arduino IDE中使用C語(yǔ)言編寫(xiě)心率計(jì)算程序并將程序燒錄到arduino硬件中，便可通過(guò)傳感器傳入的信號(hào)得到心率數(shù)據(jù)。

　　由于心率數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，心率數(shù)據(jù)的傳輸是整個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，目前通信傳輸種類(lèi)很多，在不受用戶(hù)活動(dòng)狀態(tài)、記錄時(shí)間和地點(diǎn)的限制條件下，根據(jù)藍(lán)牙應(yīng)用開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了通過(guò)arduino的藍(lán)牙模塊傳輸數(shù)據(jù)到藍(lán)牙手機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸方案，本系統(tǒng)搭建了基于 Android 的移動(dòng)客戶(hù)平臺(tái)，通過(guò)使用開(kāi)源藍(lán)牙協(xié)議棧BlueZ的API接口函數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)藍(lán)牙傳輸功能，控制電路板藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)端，建立連接后通過(guò)移動(dòng)客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和暫時(shí)存儲(chǔ)。

　　2.2 移動(dòng)客戶(hù)端設(shè)計(jì)

　　(1)用戶(hù)注冊(cè)登錄。新用戶(hù)需要注冊(cè)后才能使用本系統(tǒng)，用戶(hù)的注冊(cè)信息會(huì)保存到云服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

　　(2)警告功能。靶心率是指通過(guò)有氧運(yùn)動(dòng)提高心血管循環(huán)系統(tǒng)的機(jī)能時(shí)有效而安全的運(yùn)動(dòng)心率。靶心率范圍在最大心率的60%～80%，它是判斷有氧運(yùn)動(dòng)的重要依據(jù)。不同人群的靶心率是不同的，用戶(hù)在注冊(cè)時(shí)會(huì)輸入自己的年齡和體質(zhì)，APP會(huì)根據(jù)用戶(hù)的信息計(jì)算不同用戶(hù)的靶心率和最大安全心率，當(dāng)用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)心率超過(guò)靶心率或最大安全心率時(shí)APP會(huì)發(fā)出警告聲。

　　(3)界面設(shè)計(jì)。移動(dòng)客戶(hù)端主界面選擇綠色背景，象征健康運(yùn)動(dòng)。對(duì)于服務(wù)器端返回的數(shù)據(jù)用白色底板顯示，對(duì)于適量合理的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)用黑色字體顯示。對(duì)于近期在運(yùn)動(dòng)量和運(yùn)動(dòng)時(shí)間的超標(biāo)采用黃色標(biāo)注，意在提醒用戶(hù)注意運(yùn)動(dòng)量。此外對(duì)于歷史運(yùn)動(dòng)信息界面而言，界面設(shè)計(jì)應(yīng)該依據(jù)上述色塊進(jìn)行選取，確保客戶(hù)使用時(shí)對(duì)于系統(tǒng)有整體感，同時(shí)也使得在數(shù)據(jù)傳輸中準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

　　(4)數(shù)據(jù)傳輸。用戶(hù)運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，可將暫存在SQLLite中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器端。在云服務(wù)器和 Android 應(yīng)用間，必須利用特定的信息數(shù)據(jù)交換格式才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，使用這些技術(shù)便于實(shí)現(xiàn)雙方信息數(shù)據(jù)的交換，而數(shù)據(jù)的交換格式一般有 XML 與 JSON。XML 指的是可拓展的標(biāo)記語(yǔ)言，應(yīng)用在標(biāo)記電子文件中，可以使其具備結(jié)構(gòu)性。XML語(yǔ)言和 HTML 語(yǔ)言十分類(lèi)似，都允許用戶(hù)實(shí)現(xiàn)自定義標(biāo)簽，擴(kuò)展性相對(duì)良好。

　　JSON屬于小型信息數(shù)據(jù)交換格式，一般情況下，JSON 使用完全獨(dú)立和語(yǔ)言文本格式便于客戶(hù)閱讀與編寫(xiě)，同時(shí)JSON 具備數(shù)組與對(duì)象兩種格式。在 XML 與 JSON 文字使用方面，能夠利用更為精簡(jiǎn)文字信息有效表達(dá)更多的內(nèi)容，這樣能在一定程度上減小所攜帶信息數(shù)據(jù)，同時(shí)由于數(shù)據(jù)信息大小降低節(jié)約的傳輸時(shí)間，有利于提高數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)的傳輸效率。因此在健康運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用了 JSON 信息數(shù)據(jù)交換格式，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端和服務(wù)器端互交。

　　2.3 云服務(wù)器端設(shè)計(jì)

　　(1)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)使用SQL server，主要設(shè)計(jì)有3張表，它們分別是：用戶(hù)信息表，原始數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)分析表。用戶(hù)信息表存儲(chǔ)的是用戶(hù)的基本信息，包括用戶(hù)編號(hào)、密碼、姓名、性別、年齡、體質(zhì)等信息。原始數(shù)據(jù)表為接收到的由APP發(fā)出的原始心率數(shù)據(jù)，由于心率數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，本表存儲(chǔ)的是一段較短時(shí)間內(nèi)的平均心率、包括id、用戶(hù)編號(hào)、心率、心率時(shí)間等信息。數(shù)據(jù)分析表中存儲(chǔ)的是對(duì)原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、計(jì)算后的數(shù)據(jù)。

　　(2)云服務(wù)器端主要功能

　　本系統(tǒng)服務(wù)器端使用c#語(yǔ)言在.net環(huán)境中開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)管理員輸入用戶(hù)名密碼后可對(duì)系統(tǒng)用戶(hù)、用戶(hù)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。服務(wù)器端的數(shù)據(jù)分析模塊在每一次接收移動(dòng)客戶(hù)端傳來(lái)的數(shù)據(jù)后都要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出最大運(yùn)動(dòng)心率、最小運(yùn)動(dòng)心率、平均心率的信息并存入數(shù)據(jù)分析表。當(dāng)用戶(hù)由客戶(hù)端向服務(wù)器端發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，將分析后的數(shù)據(jù)以及對(duì)運(yùn)動(dòng)的合理化建議傳輸?shù)娇蛻?hù)端供用戶(hù)查看。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本系統(tǒng)有效地將傳感器、開(kāi)發(fā)板、移動(dòng)客戶(hù)端app開(kāi)發(fā)和服務(wù)器端系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，能夠?qū)\(yùn)動(dòng)心率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并對(duì)存儲(chǔ)的心率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為合理健康運(yùn)動(dòng)提供了解決方案。

　　參考文獻(xiàn)：

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