健康运动的实时监测与数据分析系统
作者：梁倩樊志敏魏婷婷宋晓婷
来源：《中国新技术新产品》2018年第04期
摘要：健康运动的实时监测与数据分析系统是基于在运动类项目中对心率监测，从而对运动者实时发出警报并能够提供合理运动建议的系统。该系统主要利用心率传感器和arduino 开发板对运动者的心率及其他指标进行监测，将获得的数据传向手机客户端并发送到云端服务器。一方面传向手机客户端的数据，通过将实时监测到的数据与标准值对比，提醒运动者是否终止或者减轻运动量；另一方面通过对服务器端数据的分析，提供一些参考数据，进而使运动者调整下一阶段的运动，更加有利于健康。
关键词：心率传感器；arduino开发板；健康运动；云服务器
中图分类号：R197 文献标志码：A
0 引言
目前关于健康运动的穿戴设备和相应的软件比较多，硬、软件环境成熟。在提倡合理锻炼的环境下，目前大多数的运动类系统只有计算所运动的路程和时间，没有给运动者一个合理的运动量范围，对运动过量做出实时警报，也没有对运动者的运动做出分析，进而给运动者提供合理的运动量的建议。健康运动的实时监测与数据分析系统将根据该不足做出填补，将有利于对运动者是否运动过量进行实时检测，并对运动者的心率数据进行分析，从而促进健康运动。
1 系统分析
生命在于运动，适量的运动有益于提高身体素质，促进身体健康，但是过量的运动也会引起身体的不适，损害身体的健康。心率是一个比较准确、稳定的反应运动强度的指标，保持适当的运动心率对于运动效果和运动安全都很重要。本系统将通过运动者心率的实时获取进而对运动量进行实时监测和数据分析。
本系统由数据采集端、移动客户端和云服务器3部分组成。据采集端负责心率数据的采集，并将采集到的数据发送到移动客户端。心率数据的实时且准确地获取对本系统至关重要。本系统将通过心率传感器获取心率的实时数据，通过开发板将传感器传递的模拟信号转换为数字信号，并通过蓝牙模块将数字信号发送给移动客户端。移动客户端负责接受实时数据，并对心率数据进行检测，当心率大于安全心率时向运动者发出警报。移动客户端还需将获得的心率数据发送到云服务器端。云服务器端主要对移动客户端传递过来的数据进行存储，并对存储的数据进行分析，得出对运动者的一些合理化建议。
2 系统设计
2.1 数据采集端设计
本系统的数据采集端由PulseSensor传感器、arduino uno r3开发板和蓝牙模块组成。
PulseSensor传感器是一款用于脉搏心率测量的光电反射式模拟传感器，体积较小，可以佩戴在耳垂或手指上。PulseSensor传感器有3根引线，分别为模拟信号输出线S、电源输入线+和地线-，将传感器和arduino开发板连接时，S引线接开发板的AD接口，+引线接开发板的5V或3.3V电源输入，-引线接开发板的GND。连接好后，可将传感器获取的模拟信号传入arduino开发板中。
arduino开发板由两部分组成，分别是arduino硬件和arduino软件即arduino IDE。傳感器传入arduino的模拟信号经AD可转换为数字信号，我们需在arduino IDE中使用C语言编写心率计算程序并将程序烧录到arduino硬件中，便可通过传感器传入的信号得到心率数据。
由于心率数据的实时性的特点，心率数据的传输是整个系统中的一个关键技术，目前通信传输种类很多，在不受用户活动状态、记录时间和地点的限制条件下，根据蓝牙应用开发的特点，本系统设计了通过arduino的蓝牙模块传输数据到蓝牙手机的数据传输方案，本系统搭建了基于 Android 的移动客户平台，通过使用开源蓝牙协议栈BlueZ的API接口函数设计应用程序实现蓝牙传输功能，控制电路板蓝牙实现将数据传输到移动端，建立连接后通过移动客户端实现数据的接收和暂时存储。
2.2 移动客户端设计
（1）用户注册登录。新用户需要注册后才能使用本系统，用户的注册信息会保存到云服务器端的数据库中。
（2）警告功能。靶心率是指通过有氧运动提高心血管循环系统的机能时有效而安全的运动心率。靶心率范围在最大心率的60%～80%，它是判断有氧运动的重要依据。不同人群的靶心率是不同的，用户在注册时会输入自己的年龄和体质，APP会根据用户的信息计算不同用户的靶心率和最大安全心率，当用户的运动心率超过靶心率或最大安全心率时APP会发出警告声。
（3）界面设计。移动客户端主界面选择绿色背景，象征健康运动。对于服务器端返回的数据用白色底板显示，对于适量合理的运动数据用黑色字体显示。对于近期在运动量和运动时间的超标采用黄色标注，意在提醒用户注意运动量。此外对于历史运动信息界面而言，界面设计应该依据上述色块进行选取，确保客户使用时对于系统有整体感，同时也使得在数据传输中准确实现数据传输。
（4）数据传输。用户运动结束后，可将暂存在SQLLite中的数据传输到云服务器端。在云服务器和 Android 应用间，必须利用特定的信息数据交换格式才能实现数据传输，使用这些技术便于实现双方信息数据的交换，而数据的交换格式一般有 XML 与 JSON。XML 指的是可拓展的标记语言，应用在标记电子文件中，可以使其具备结构性。XML语言和 HTML 语言十分类似，都允许用户实现自定义标签，扩展性相对良好。JSON属于小型信息数据交换格式，一般情况下，JSON 使用完全独立和语言文本格式便于客户阅读与编写，同时JSON 具备数组与对象两种格式。在 XML 与 JSON 文字使用方面，能够利用更为精简文字信息有效表达更多的内容，这样能在一定程度上减小所携带信息数据，同时由于数据信息大小降低节约的传输时间，有利于提高数据信息数据的传输效率。因此在健康运动的实时监测与数据分析系统设计中应用了 JSON 信息数据交换格式，实现移动端和服务器端互交。
2.3 云服务器端设计
（1）数据库设计
本系统数据库使用SQL server，主要设计有3张表，它们分别是：用户信息表，原始数据表，数据分析表。用户信息表存储的是用户的基本信息，包括用户编号、密码、姓名、性别、年龄、体质等信息。原始数据表为接收到的由APP发出的原始心率数据，由于心率数据的实时性强、数据量大的特点，本表存储的是一段较短时间内的平均心率、包括id、用户编号、心率、心率时间等信息。数据分析表中存储的是对原始数据统计、计算后的数据。
（2）云服务器端主要功能
本系统服务器端使用c#语言在.net环境中开发。系统管理员输入用户名密码后可对系统用户、用户运动数据进行管理。服务器端的数据分析模块在每一次接收移动客户端传来的数据后都要对数据进行统计分析，得出最大运动心率、最小运动心率、平均心率的信息并存入数据分析表。当用户由客户端向服务器端发出请求时，将分析后的数据以及对运动的合理化建议传输到客户端供用户查看。
结语
本系统有效地将传感器、开发板、移动客户端app开发和服务器端系统设计结合起来，能够对运动心率进行实时监测并对存储的心率数据进行统计分析，为合理健康运动提供了解决方案。
参考文献
[1]马达，周春光，王喆，等.基于网络的个人健康管理实时监控健康分析平台[J]. 吉林大学学报（理学版），2010，48（3）：461-463.
