老年人功能性健身智能监控系统的设计

杜熙茹，黄 秋，黄晓辉

前言

根据国家统计局最新发布的数据，2018年老年人口(65岁及以上)数量达到1.66亿，相对于2017年老年人口的1.58亿增长了8%，预计我国人口老龄化在2020年将突破2亿人口。中国的老龄化问题已经摆在了每个人的面前，合理改善老龄化加剧所带来的社会问题已经变得刻不容缓。积极应对人口老龄化，加速老年人健康事业的发展，满足老年人日益增长的多元化健身需求，既是中央的战略部署，又是全社会的共同责任，更是体育工作者的职责所在。

国家体育总局体育经济司司长王卫东在2017世界物联网博览会上提到：“目前体育与物联网融合日益紧密，相关企业大量涌现，市场反应必将十分热烈。”本研究以物联网为平台，从社区老年人身体功能性健身方法为切入口，将老年人群的运动数据通过云上传，进行统一管理和指导，构建其功能性健身体系化核心内容，以实用性的健身方法云服务于社区老年人，为国家制定老年人健康发展计划提供直接有效的应用解决方案[1]。

1 研究背景

1.1 全民健身纲要的提出

国务院印发的《全民健身计划(2016-2020)年》中强调：结合“健康中国2030”总体发展战略，以及科技、教育、文化、卫生、养老、助残等事业发展，统筹谋划全民健身重大项目工程，鼓励发展健身信息聚合、智能健身硬件、健身在线培训教育等全民健身新业态。充分利用“互联网+”等技术开拓全民健身产品制造领域和消费市场。

1.2 老龄化社会问题

在未来几十年，中国将面临人口老龄化的现象，老年人医疗卫生消费支出的占比越来越大，基本医疗保险基金支出高速增长，人口老龄化是最重要原因之一。而人口老龄化必会为社会带来新的矛盾和压力，对经济和社会的发展提出新的挑战：养老、医疗等社会保障问题；社会资源配置问题；养老服务设施以及健全为老服务网络的压力。同时，社会和政府还须付出高额成本来调整老年人消费结构和社会管理体制等，以适应人口老龄化的趋势[2]。

2 研究方法

本文综合运用社会调查法、文献资料法、问卷调查法、专家访谈法、数理统计法等多种科研方法，集中解决物联网核心技术分析、功能性健身方案修订、物联网平台的数据收集及管理、功能性锻炼方法设计四大关键问题。

3 需求的分析

3.1 安全需求

3.1.1 人体安全状态

人体安全状态是指生命没有受到威胁，同时人身健康没有危害、危险与损失，安全状态是人体生命活动最基本的生理需求。老年人群的晚年身体健康状态关系着老年人自身、家庭、子女赡养压力以及社会老年保障等，乃民生大计。

本设计以服务老年人身体健康为主，能为老年人身体健康做好保驾护航工作，做到未雨绸缪，防范于未然之间。在最基本安全状态的需求之下，对老年人多项生理、生命指标进行实时测量，并根据老年人群常见病理性指标制定专门性对比数据库，将实时测得的数据进行汇总与筛选，对不符合健康指标的数据进行针对性提醒，做到老年人身体健康的实时守护。

3.1.2 人体应急状态

人体的应急反应是指机体突然受到强烈的有害刺激时，交感神经-肾上腺髓质系统的活动适应性的反应。人体在面临紧急情况的时候，会做出一系列应急反应，来面对不可控的事件，如在不小心发生跌倒时，会下意识的用手臂去选择支撑地面，防止头部直接撞击地面，从而造成进一步的伤害。随着年龄的不断增大，老年人群生理机能不断衰减，在处理日常生活中突发紧急事件时候的能力也大不如以前，如肌肉力量、骨骼硬度的下降、神经思维能力的迟缓等，都是威胁老年人群正常生活的现实性因素。

本设计通过在可穿戴智能设备上安装加速度传感器，以判断老年人所处的身体空间位置，以及自动通过云计算显示老年人的平衡状态，由计算结果得出老年人身体空间位置的预判。若老年人处于非正常身体空间位置(如不慎跌倒、意外发生滚翻等)时，本设计可自动启动紧急救助功能，通过物联网监控系统第一时间联系亲人或平台进行救助，加上GPS定位系统实时定位，第一时间进行位置追踪和实施救援，让亲人随时随地知晓老年人的健康状态。

3.2 生理需求

3.2.1 心率监测与预警

心率是指正常人安静状态下，每分钟心脏跳动的次数，也可称为安静心率，一般为60-100次/每分钟，可因性别、年龄、运动水平或其他生理因素产生个体性差异。一般来说，年龄越小，心率越快，老年人群的心跳次数较年轻人慢，这些在医学上来讲属于正常现象。

老年人群的心率是衡量老年人心血管适能健康的重要指标，无论是在安静状态下或运动状态下，老年人群的心率波动范围都有一定的要求和限制。但是在年龄、生理性疾病和其他因素的影响之下，老年人群往往出现心率过快或过缓的非正常现象，导致其继发性的出现其他疾病。而部分老年人群在运动过程中，忽略自身最大心率与自身水平的实际关系，盲目的进行超心脏负荷运动，常常导致心率过快，心脏供血不足，从而对生命健康造成威胁。

本设计在心率健康监测方面，能够通过可穿戴智能设备，采用贴身式感应技术，对受试老年人群进行实时性心率测量，并通过计算平台和数据库健康指标对比，对老年人在安静状态和运动状态下的心率情况进行分析与对比筛选，及时性反馈错误心率状态，并通过APP发出提醒，做到老年人心率健康实时监测与安全预警。

3.2.2 体温监测

体温是指人体内部的温度，是人体内物质代谢转化为热能的产物，保持恒定的体温是生命体保证新陈代谢和生命活动正常进行的必要条件。人体正常体温比较恒定，平均在36-37℃之间(腋窝测量)，超过这个范围便为发热。人体的体温受不同因素的影响，不会保持固定不变，可随性别、年龄、昼夜、运动和情绪变化等发生波动，但一般来说，这种改变经常控制在正常范围内。

本设计通过在可穿戴式智能设备配置体温测量器，利用人体三处体温测量点之一的腋窝部分进行体温测量，并将测量数据分别进行分析，通过数据库分析对比安静状态和运动状态下的体温指标进行合理的判别，从而使受试老年人群时刻掌握自己的体温信息，为排除安全隐患、合理运动锻炼做好防护工作。

3.2.3 平衡状态判断与智能协助

本设计通过在可穿戴智能设备上配置加速度传感器，对老年人日常生活身体空间位置和运动时身体空间位置信息进行监测与数据收集，通过加速度传感器自动计算老年人的身体平衡状态。为了区分特定健身动作带来的非正常身体空间位置信息带来的数据感染和软件误判，在前期数据采集时，会对老年人群常见的健身方式行为进行收集与汇总，并做出动作轨迹与各个动作位置记忆，同步输入至云平台数据库作为正确信息的参考实例。

若老年人群在日常生活或运动过程中处于一种非正确身体空间位置，系统会对可穿戴智能设备采集来的数据进行云数据库分析、对比以及判断，并同时自动启用紧急求助功能，通过网络实时监测系统平台，第一时间进行警报通知，借助通讯网络手段联系家人及平台进行求助。在此过程之中，会通过设备上GPS定位功能将老年人实时位置进行共享，以便更快更及时的展开紧急援助。

3.3 健身需求

3.3.1 肌肉力量

肌肉力量的练习与老年人群身体机能密切相关，老年人需要开展针对性力量性练习，适当增长肌肉含量，促进机体新陈代谢，增加骨质密度，做到有效的预防和改善骨质疏松。按照人体正常生理发展规律，从30岁起，骨骼肌就会开始出现退化萎缩的现象，如果不进行肌肉力量锻炼，到50岁的时候，肌肉体积会萎缩10%左右，到了60-70岁，这种萎缩的速度会越发加快，使人体看起来更加的瘦弱无力。

因此，本设计在老年人肌肉力量练习方面，为其针对性锻炼增添一系列可行方案，如智能设备APP在线健身课程指导、APP运动前中后期动作指导等，为老年人群肌肉力量锻炼提供可行方案。老年人群可以选择性通过手机APP学习线上课程，接受在线指导与错误动作纠正等，并主动参与线下肌肉力量打卡互动活动，通过多渠道、多类型参与形式，使老年人群肌肉力量得到良性的发展与提升[3]。

同时，针对老年人肌肉力量锻炼，本设计以安全性原则为主，在练习的强度、频率、时间等方面都会有严格的要求，以防止老年人群在运动中受伤或心血管功能的不适[4]。

3.3.2 心肺功能

心肺功能是人体心脏泵血及肺部吸入氧气的能力，两者的能力直接影响全身器官及肌肉的生理性活动，在人体中起到极其重要的作用。老年人群的心肺功能良好，反应身体主要机能都可健康运作，从而可推断出老年人群患慢性疾病如心血管病、内分泌系统疾病、呼吸系统疾病的概率较低。

因此，本设计在老年人心肺功能保持和提升方面，通过智能设备APP在线心肺功能课程指导、APP运动前中后期动作指导、不良体育锻炼行为方式提醒功能等，为老年人群心肺功能锻炼提供可行方案。受试老年人群可以选择性通过手机APP学习线上课程，接受在线指导与错误动作纠正等，并主动参与线下心肺功能锻炼打卡互动活动，通过多渠道、多类型参与形式，使老年人群心肺功能得到良性的发展与提升。

3.3.3 运动负荷

运动负荷也可称为“运动量”和“运动刺激”，主要指运动过程中的练习数量与练习强度，包括生理运动负荷和心理运动负荷，反映机体运动能力的强弱。老年人群的健身运动必须掌握适宜的运动强度，在运动量与运动强度需要进行严格控制与限制，以免出现运动过量现象。

本设计会根据采集来的指标，如心率、体温等，对老年人运动量进行判断，并在适宜的范围内对老年人健身锻炼进行干预。

4 研究结果与分析

4.1 智能监控系统的特点

TI公司的EZ430套件，外形小巧适合佩带，方客户进行进行远程开发；成本低廉、实用性高，同时降低了开发成本。EZ430-Chronos手表可被拆开，从而可通过定制应用对其进行重新编程，本团队拟将该模块植入运动紧身衣中，对老年人运动健身起到良好的监控作用。能实现对老年人的生命体征数据(体温、心率)采集处理、运动数据监测(平衡能力、运动强度、运动速度、卡路里消耗量)以及紧急求助；GPS模块，实现对老年人位置的实时定位；加上NB-IOT的BC95模块，实现物联网数据的上传，从而形成一个完整的监控系统[5]。

4.2 智能监控系统的创新

4.2.1 跌倒感应

本研究基于我国老年人复杂多维的社会基础上，整合现有的技术资源将老年人健身的安全问题放在首要的位置上，将安全监测系统介入社区老年人健身，以健身运动紧身衣作为测量媒介，将数据实时传输到管理平台进行分析。构建社区老年人健身的安全保障体系。

在整个安全监控系统中最重要的就是老年人跌倒的危险因子、健康状况与老人身体活动的关系。本文以此为突破口，通过紧身衣测量的数据，后台通过加速度计算方法判定老年人平衡状况，根据每位用户实际情况设置预定值，若结果超过预定值，系统会判定老年人处于非正常身体空间位置，即跌倒。

4.2.2 信息反馈与处理

系统判定老年人跌倒后，通过NB-IoT将信息及时的发送到监护人手机，若监护人30秒内进行处理，系统将需救助人的信息及具体定位发送到社区救护站，由社区救助站的工作人员进行第一时间的救助工作，以此保证老年人的安全。

4.2.3 材料的创新

将这种便携式设备植入运动紧身衣里，紧身衣依据Athos的智能紧身衣的材料制成，面料具备高延展性，可使用洗衣机进行水洗和甩干，因此，在保证运动紧身衣实用、舒适的同时也考虑到它的美观性，以符合老年人审美需求。

4.3 手段的创新与尝试

为了保证救助的方便、快捷，研究团队联合每个社区居委会，与各个居委会合作成立一个安全救助站。老年人在社区进行锻炼，若出现跌倒情况，系统在监护人没有应答的情况下，后台管理系统会立即将信息转送到社区救助站，由社区救助站派人进行救助；老年人如果是出了社区进行户外体育锻炼如爬山、钓鱼等，若出现跌倒或其他紧急情况，管理系统就会自动定位联系最近的社区，进行紧急救助。打造一个全方位的老年人健身安全监控体系。

5 功能设计

5.1 安全监测

首先，可穿戴健康检测的紧身衣可以用于检测老年人的状态信息，例如获取行动不便的老年人当前位置信息(定位功能)。

其次，也是本研究最大的亮点是能够通过加速度传感器自动计算老年人的平衡状态，由计算结果进行老年人非正常身身体空间位置置的预判，若老年人处于非正常身体空间位置(如跌倒、意外发生滚翻)时，可自动启动紧急求助功能，通过物联网监控系统第一时间联系亲人或平台进行救助，加上GPS定位系统实时定位，让亲人随时随地知晓老年人的健康状态。本研究将这种便携式设备植入运动紧身衣里(紧身衣依据Athos的智能紧身衣的材料制成，面料具备高延展性，可使用洗衣机进行水洗和甩干：保证实用性、美观程度及舒适性)，它不仅是一种硬件设备，还能通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现其强大的监测功能。提升了老年人群的生活基础体能锻炼的安全性，有效减少老年人运动的常见性问题，从而在一定程度上减轻家庭、社会和国家的负担。

5.2 生命体征监测

老年人体的生命体征数据(如体温、心率、脉搏、呼吸等)、运动数据(如速度、路程、平衡、时间、卡路里消耗量等)、部分老年人的听力训练、动作反应等[6]。可穿戴设备即直接穿在身上，或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备。

这样不仅在老年人的运动时可以使用，还延伸到了老年人的日常生活中，即使家中儿女没能时时刻刻陪在父母身边，但利用该产品，儿女们照样可以时刻关注着父母的身体健康状态。

5.3 健身监测

功能性健身方法是目前世界健身领域研究热点，在大众健身领域应用广泛。其特点是安全、高效、简单、适用面广，方法具有多样性和趣味性，这些优势让功能性训练在欧美等发达国家迅速发展，成为众多健身人群的最爱，也特别适合不同身体状态的老年人进行练习。

本研究目的在于关注老年人健身时的生命体征，提倡科学锻炼，同时让儿女们更加放心父母们的锻炼活动。随着老年人健身运动(如广场舞、健步走等)的广泛开展，伴随的是子女对父母健身运动安全问题的担忧，而利用物联网平台监测老年人功能性健身方面的国内外文献现阶段还没有系统概述，为此构建以物联网为基础的老年人健身监控系统尤为重要。只有在安全设施等工作和设备完善的情况下，才能更好的推广老年

人的健身锻炼。该产品使子女们可在远端程序上看到父母的运动时的数据，真正做到让老年人锻炼的第一步[7]。

6 系统实现

6.1 eZ430体系结构

图1 eZ430体系结构

6.2 eZ430-Chronos开发工具及实现原理图

图2 eZ430-Chronos开发工具

7 结束语

关注老年人体育健康是每个体育从业者的责任与义务，本文结合物联网平台、互联网APP软件等线上线下的方式为不同类型的老年人群体参与体育活动提供政策建议，让社区内老年人可以通俗易懂的掌握自我科学化锻炼的方式和方法，达到老年人多元化的健身需求，为推动全民健身事业贡献微薄之力。

图3 实现原理图