个人生理参数信息与健身器械互联互通技术需求与策略探讨

滕金生，张 洲，王红丹

(重庆邮电大学 体育学院， 重庆 400065)

自“健康中国2030”规划纲要号召人们“加强身体素质锻炼”以来，我国的体育健身事业发生了巨大变化，同时取得了显著成效，人们的体育健身意识、健康预防理念等不断加强与革新。体育健身运动对个人情绪起到调节作用，对身体健康起到促进作用；不仅能减轻身心疲惫、增强体质健康，而且可以预防慢性疾病和促进康复治疗，对缓解国家医疗资源紧张、增强劳动生产力和促进社会和谐发展具有重要意义。根据2020年国民体质监测报告显示，我国城乡居民身体素质均有显著提升。在后疫情时期，由于健身场地、环境等因素的影响以及疫情防控常态化的要求，使得室外健身常常难以进行，室内健身器械辅助锻炼的方式逐渐受到人们的青睐[1]。常见的健身器械包括跑步机、健身单车、划船器、杠铃等，根据人体健康状况与健身需求，不仅能实现传统意义上的健身锻炼、体能训练，还可根据人体生理参数信息进行针对性的康复训练等，极大促进了使用者的体型塑造、体质增强与康复进程[2]。由于当前人们对多元化、个性化健身运动的需求，发展个人生理参数信息与健身器械互联互通技术，开发个性化的智能健身器械具有重要价值。

对于健身运动使用频率较高的跑步机，曹新星[3]利用嵌入式技术，提出了一种新型的数字化跑步机控制系统，该系统具有电视多媒体信号釆集等交互功能，以及智能化心率指导控制功能，使得跑步机更具娱乐性以及安全性。王宇[4]提出了基于步法的跑步机速度跟踪控制方法，在传统跑步机的跑带下加装两块测力平台，设计了一种基于步法的跑步机速度跟踪控制方法，根据脚底与跑步机之间的作用力，分析运动者的步态特征，判别其运动趋势，并据此控制电机速度变化。此外，许小侠等[5]对于动感单车项目，提出了“互联网+”时代背景下智能动感单车功能设计必须满足人们对于激发性、娱乐性、互动性等方面的需求，并且针对这些需求提出了具体的功能设计方案。目前大多数研究集中在运动参数和简单生理参数的采集，然后通过对采集得到的数据进行分析，提供个性化的虚拟健身指导，满足健身运动安全性、科学性等需求；或者以提供多媒体运动视频、运动结合游戏等方式满足健身运动的娱乐性、互动性等需求。然而，对于个人生理参数信息与各种不同的健身器械互联互通的共性需求及技术策略分析研究较少[3-5]，尤其是个人生理参数的采集、分析和处理技术，健身器械的互联互通技术和基于生理参数反馈的健身器械控制技术等方面仍需进一步进行深入研究。对此，首先提出健身器械改进思路，随后进行了个人生理参数信息与健身器械的互联互通技术需求分析，最后提出了个人生理参数信息与健身器械互联互通技术策略。

1 健身器械改良思路分析

传统的健身器械以训练的功能可分为单功能和综合型多功能两大类。单功能健身器械，如健美车、跑步机、划船器等，主要用于锻炼身体某一部位肌肉，而多功能健身器械则可锻炼肌肉群。目前传统健身器械的功能比较单一，并且各个健身器械之间相互独立，仅由简单的机械结构组成，除辅助锻炼身体功能外的其他使用方式通常需要在专门的健身教练或专家指导下才能完成。

为满足不同健身者的健身需求，健身器械还可按照锻炼作用方式划分为无氧器械和有氧器械2种，分别用于进行有氧训练和无氧训练[6]。有氧训练指人体在运动过程中吸入的氧气量与血液供给心肌的氧气量持平，一般训练时间较长，运动强度低但具有规律性。目的是消耗体内多余脂肪，调节精神状态、增强心肺功能等[7]。常见的有氧健身器械主要包括健身车、跑步机和划船器等，种类较多，如图1所示。相比而言，无氧训练是人体肌肉在无氧供能代谢下进行的高负荷剧烈运动。运动强度较高，单次训练时间短，动作瞬间性强。主要是以增加肌肉力量、肌肉爆发力与身体应激反应能力、运动速度为主要目的[8]。由于传统健身器械只具备单一的健身锻炼功能，使得健身锻炼枯燥、缺乏趣味性，锻炼者在身心双重压力下容易产生抵触情绪，降低锻炼的积极性，怎么将传统的“煎熬式”健身方式变成“快乐式”健身方式，越来越受到关注。

图1 传统健身器械

利用互联网技术等信息技术与传统的健身器械结合，设计开发出的智能健身器械成为目前主流的解决方案之一。通过提升对健身器械的设计，加入运动可视化元素，提供实时的运动反馈，提升锻炼者的参与感和运动的趣味性；或者通过互联互通技术，将健身者身体素质的数据与当前的锻炼数据结合，通过大数据分析处理，结合云平台运动处方数据库，提供个性化的健身指导。另外，在使用传统健身器械进行锻炼的过程中，人身安全是健身运动得以进行的基础[9]。传统健身器械一般由机械零部件简单组合，仅仅用来锻炼身体，对健身过程中出现的意外情况只能通过材料和机械设计等技术进行被动保护，对于使用者过度疲劳和运动损伤导致的突发情况不能主动保护[10]。因此，在进行健身器械辅助锻炼的过程中，实时检测使用者生理参数，通过数字通信技术实现健身器材互联互通、开发人机互操作平台，同步智能调控健身器材参数和监控用户健康信息，实时掌握使用者的生理参数信息，实时反馈健身者当前的身体状态，同时实时测评分析健身者的运动数据，对于预防不正确的运动方式对健身者的身体损伤，或者防止运动过度对身体的损伤都具有十分重要的意义。

2 互联互通技术需求分析

科学健身与健身安全是健身运动提升健身者身体素质、促进健康的基本保障。传统健身器械由于功能单一，对于健身者健身运动的科学性无法进行准确判断，健身者只能通过健身教练等专业人士的指导进行健身锻炼，不仅会增加健身成本，而且健身指导服务易受到时间、空间的限制；而开发设计拥有互联互通功能的智能化健身器械，则可根据健身者当前的锻炼情况，结合运动处方数据库，实时反馈运动状态并提供个性化的健身指导服务，具有更明显的优势。对于健身安全方面，在健身过程中器械的主动保护功能是目前传统健身器械所欠缺的。在运动过程中的意外情况处理中，传统健身器械仅能在意外情况发生后利用器械本身的机械结构或保护性材料等对人体进行被动保护，而不能根据健身者的健身状况进行及时的主动预警，从而提前避免意外情况的发生。综合目前传统健身器械使用弊端与改良需求，需要在健身过程中对人体生理参数、运动锻炼参数、环境参数和运动器械参数等进行实时采集，并且在健身过程中，实现生理参数和健身设备运行参数的实时监测分析和动态控制，其中人体—器械、器械—器械的互联互通技术是急需解决的重要问题。

2.1 人体生理参数互通

在健身运动过程中，人体的生理特征会发生与运动相关的变化，其中潮气量、收缩压、舒张压、呼吸功率、气道阻力、脉率、心率、血氧浓度等生理特征参数都是健身者出现过度疲劳和运动损伤的重要影响因素，可用于评估分析健身者的健身运动状态[11]。对于有氧健身器械，一般选择运动心率作为反映指标并作为运动控制的参数，因为运动心率较之于其他生理指标，与心肺机能关联密切，能更加准确地反映有氧训练状态，并且其在运动过程中变化较灵敏，拥有比较成熟的检测手段，使得运动心率的监测更加简单，因此更具有实用性。针对无氧健身运动，由于其负荷强度高、瞬间性强，相较于有氧运动而言健身者的身体新陈代谢速度更快，一般选择呼吸功率或气道阻力作为反映指标和运动控制的关键参数[12]。对于较为常用的健身器械来说，一般需要同时选择多种生理特征参数对健身者的生理状态和运动情况进行测评，通常可选择心电、血压、呼吸、血氧、脉率等生理参数作为运动过程中体现运动强度的人体生理特征参数。整个人体生理参数采集系统如图2所示。首先，根据运动训练的类型，选择监测合适的生理参数，根据场景和信号采集方式设计稳定、可靠的信号感测模块，用于拾取微弱的生理信号；然后利用信号放大与偏置电路、低通滤波电路对生理信号进行信号预处理，便于提取与生理特征相关联的有效信息成分；算法分析控制系统对采集的数字化生理信号进行分析与处理，比如通过层次分析算法提取后文提及的运动负荷等级、通过心率变异性提取交感和副交感神经的拮抗程度等，提取到特征参数后，可以进一步综合健康信息优化、决策出健身运动需求；最后利用无线通信模块进行数据传输与通信，实现人体生理参数与健身器械之间的互联互通。

图2 人体生理参数采集系统框图

在此基础上，通过健身者当前的生理数据、运动数据，结合运动处方数据库，可实时调控健身器械，例如利用动感单车进行健身锻炼时，可通过健身者心率的变动来调整动感单车快慢，使得单车的速率随着锻炼者身体运动情况发生改变，或者给动感单车添加智能的助力系统，根据健身者的生理状态与运动情况，可根据需求提供适当的助力，增强动感单车的有趣感与安全性能，并且结合云平台运动处方数据库可为锻炼者提供及时的、高效的、科学的健身锻炼指引。

心电监测是人体心脏活动投影到体表，通过电极片以及放大滤波等过程得到的心电信号；血压与脉率监测是基于示波法，使用充气袖带压迫血管，使其呈半阻断状态，通过提取血液流经未完全开启的血管使血管壁产生的振荡信号，利用振荡信号幅值与外压的比例系数推算出收缩压、舒张压与平均脉率值；呼吸监测是人体在呼吸运动和肺通气过程中通过监测呼吸气路内部压力和流速，从而可以导出潮气量、气道阻力、顺应性、呼吸功率等呼吸力学参数；血氧监测主要是监测呼吸末氧气浓度的变化，基于顺磁法，利用氧气分子具有的强顺磁性与其它气体的弱磁性和抗磁性这一物理特性进行氧气浓度监测。

人体在进行运动时，心率是反映心脏承受负荷大小的常用量化指标[13]。且当心率变化于110～180次/min范围时，与运动强度、摄氧量、能量代谢等级之间存在显著的统计学特征。其中，能量代谢等级一般分为有氧代谢负荷、无氧糖醇解负荷、非乳酸负荷3个等级，根据不同代谢等级一般将运动负荷划分为极限负荷、最大负荷、次最大负荷、大负荷、中等负荷、中下负荷、小负荷、最小负荷与基础负荷9个等级，对应关系如表1所示(以静息心率60次/min为基准)。

表1 运动负荷等级对应关系

此外，人体生理参数在达到次最大负荷时的标准范围已得到国内外研究的广泛认可，如表2所示。根据人体在达到次运动强度时的生理参数标准范围，进行合理设计，可对健身器械使用者的运动情况进行及时预警与主动保护。

表2 次最大负荷生理参数标准范围

2.2 健身器械参数互联互通

对于健身器械参数的互联互通，主要体现在健身器械运行状态以及利用显示屏对使用者运动状态的直观展示等，达到健身器械之间、器械与使用者的交互作用。显示屏硬件系统结构如图3所示。

图3 交互模块系统结构框图

交互模块主要分为主控芯片、最小系统、液晶板、通信接口等。其中，最小系统主要包括主控芯片的电路结构，如电源电路、复位电路、晶振电路、程序下载电路、启动电路等[14]，是整个平台能够运行的前提；液晶板主要是与使用者进行人机交互的窗口，通过晶体管-晶体管逻辑(transistor-transistor logic，TTL)方式与主控芯片通讯，实时显示使用者健康状态信息与健身器械设备的运行情况；控制电路主要是为了达到对健身器械的智能控制作用，根据人体生理参数的实时变化与健身器械的特性智能控制其速度、阻力等，实现健身器械使用过程中的智能调控与主动保护等功能；通信接口主要是与采集人体生理参数的各个传感器进行通信的连接装置，在传感器采集到人体生理参数信息后，将数据通过接口传输到主控芯片中；主控芯片主要是接收各个传感器反馈的人体生理数据并进行分析处理。

3 建设个人生理参数信息与健身器械互联互通技术策略

3.1 健身器械互联互通技术分析

在实际使用运动健身器械进行锻炼的情况中，若使用有线通信达到使用者生理参数与健身器械的互联互通会对健身过程造成不便[15]。因此需要考虑使用无线通信来达到目的。目前对于设备无线联网的常见技术主要有ZigBee、Bluetooth、WiFi等，其覆盖距离、传输速度、频段范围、联网时间、打造成本、技术成熟度、安全性、复杂性等各有优劣，各项参数如表3所示[16-17]。

表3 常见无线技术参数

在上述无线通讯方式中，ZigBee技术一般需要转接后才能接入互联网，其开发过程相对比较困难[18]；蓝牙传输方式使用更加便捷，但由于传输距离太短，对于较大的健身场和长距离的信号传输难以适用[19]；WiFi无需网桥，可直接接入互联网，且传输速度快，但缺点是功耗较大。考虑到WiFi技术已经非常成熟，覆盖范围广，且市面上的集成模块多，开发时间短，可以快速完成开发[20]。采用目前使用比较广泛的WiFi完成组网，将健身器械与个人生理参数连接起来，整体互联互通系统结构如图4所示。

图4 生理参数与健身器械互联互通整体结构框图

3.2 健身器械互联互通实例

以心电监测为例，利用心电采集模块将附着在身体表面的电极片中心脏的电活动转换成数字信号，实时监测人体运动过程中的心电信号变化情况。

心脏在机械性收缩之前，首先产生电激动，从而生成了生物电流，并通过导电的体液和组织将生物电流传导至体表，在身体不同部位产生不同的电位变化，成体表电位差，模块通过记录体表电位差而计算形成的动态曲线即为心电信号。在人体运动时，肌肉组织代谢加快，对氧气的需求量增加，为满足这部分增加的需求，心率相应加快，心排出量增高，冠状动脉血流量增加。当冠状动脉存在一定程度的狭窄(非重度狭窄)时，因运动负荷增加导致心肌耗氧量增加时，冠状动脉血流量不能满足相应需求，因而引起心肌缺氧、缺血，心电信号上将会出现异常变化。通过模块通信协议，开发了一款基于心电参数的人体生理参数信息运动过程监测软件，其软件具有基础的心电采集功能，可以与下位机进行寻找模块的USB串口，接受握手请求数据包，接收心电数据包，根据二进制解析12导联心电数据，通过控件显示心电波形，存储心电数据等互联互通功能。其流程如图5所示。

图5 心电模块与上位机互联互通流程框图

将数据采集模组、运动平板类健身器械装置、运动负荷与姿态控制模组、数据显示分析模块集成为一个大型装置实现基于心电信号的人体生理参数与健身器械的互联互通，如图6所示。计算机软件通过定位心电信号的特征波形，定位相邻R波的波峰，并计算实时心率值，根据靶心率值进而判断人体是否处于有氧运动或无氧运动模式，以此判别是否达到训练目标。同时记录在多个靶心率下的心电图(electrocardiograph，ECG)的特征参数，利用最小二乘法回归直线建立靶心率与特征ST段的水平值的关系，求解斜率，用于分析运动过程中人体生理参数的异常情况，如心跳过速或心律失常等，对运动过程起到主动保护作用，促进训练者在安全可靠的运动量范围内锻炼，预防运动损伤。

图6 健身器械互联互通系统与实时心电监测实物图

4 结论

1) 进一步地从居家健身、社区健身、全民健身等空间纬度进行深度解刨。本文仅从技术上实现对互联互通技术需求进行探讨，暂未实现试点应用。针对不同环境下的健身器械与个人生理参数信息互联互通技术需求的独特性未作研究。

2) 针对人体生理参数采集系统，目前国内健身器械仍然没有统一的数据接口和数据传输协议标准，且国内的大多数研究是在封闭系统内进行的，难以进行后期开发利用，很难与其他健身器材或云平台系统兼容。因此，后期需要对各种健身器械的接口与数据传输协议进行标准化处理。