健康運動的數據監測和功能設計分析

　　實時監測健康運動，根據數據分析系統進行探索是在運動類項目中的對心率監測，從而對運動者發出警報，并能夠提供合理運動建議系統。下面文章主要利用心率傳感器和安卓開發對運動者的心率及其他指標進行監測，將獲得的數據傳向手機客戶端并發送到云端服務器。根據向手機客戶端傳送的數據，與標準數據進行對比，提醒運動者是否終止或減輕運動量，通過服務器端的數據分析，提供相應的參考數據，讓運動者調整下一步的運動，從而有利于健康。

　　關鍵詞：心率傳感器,arduino開發板,健康運動,云服務器

　　目前關于健康運動的穿戴設備和相應的軟件比較多，硬、軟件環境成熟。在提倡合理鍛煉的環境下，目前大多數的運動類系統只有計算所運動的路程和時間，沒有給運動者一個合理的運動量范圍，對運動過量做出實時警報，也沒有對運動者的運動做出分析，進而給運動者提供合理的運動量的建議。健康運動的實時監測與數據分析系統將根據該不足做出填補，將有利于對運動者是否運動過量進行實時檢測，并對運動者的心率數據進行分析，從而促進健康運動。

　　1 系統分析

　　生命在于運動，適量的運動有益于提高身體素質，促進身體健康，但是過量的運動也會引起身體的不適，損害身體的健康。心率是一個比較準確、穩定的反應運動強度的指標，保持適當的運動心率對于運動效果和運動安全都很重要。本系統將通過運動者心率的實時獲取進而對運動量進行實時監測和數據分析。

　　本系統由數據采集端、移動客戶端和云服務器3部分組成。據采集端負責心率數據的采集，并將采集到的數據發送到移動客戶端。心率數據的實時且準確地獲取對本系統至關重要。本系統將通過心率傳感器獲取心率的實時數據，通過開發板將傳感器傳遞的模擬信號轉換為數字信號，并通過藍牙模塊將數字信號發送給移動客戶端。移動客戶端負責接受實時數據，并對心率數據進行檢測，當心率大于安全心率時向運動者發出警報。移動客戶端還需將獲得的心率數據發送到云服務器端。云服務器端主要對移動客戶端傳遞過來的數據進行存儲，并對存儲的數據進行分析，得出對運動者的一些合理化建議。

　　2 系統設計

　　2.1 數據采集端設計

　　本系統的數據采集端由PulseSensor傳感器、arduino uno r3開發板和藍牙模塊組成。

　　PulseSensor傳感器是一款用于脈搏心率測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，分別為模擬信號輸出線S、電源輸入線+和地線-，將傳感器和arduino開發板連接時，S引線接開發板的AD接口，+引線接開發板的5V或3.3V電源輸入，-引線接開發板的GND。連接好后，可將傳感器獲取的模擬信號傳入arduino開發板中。

　　arduino開發板由兩部分組成，分別是arduino硬件和arduino軟件即arduino IDE。傳感器傳入arduino的模擬信號經AD可轉換為數字信號，我們需在arduino IDE中使用C語言編寫心率計算程序并將程序燒錄到arduino硬件中，便可通過傳感器傳入的信號得到心率數據。

　　由于心率數據的實時性的特點，心率數據的傳輸是整個系統中的一個關鍵技術，目前通信傳輸種類很多，在不受用戶活動狀態、記錄時間和地點的限制條件下，根據藍牙應用開發的特點，本系統設計了通過arduino的藍牙模塊傳輸數據到藍牙手機的數據傳輸方案，本系統搭建了基于 Android 的移動客戶平臺，通過使用開源藍牙協議棧BlueZ的API接口函數設計應用程序實現藍牙傳輸功能，控制電路板藍牙實現將數據傳輸到移動端，建立連接后通過移動客戶端實現數據的接收和暫時存儲。

　　2.2 移動客戶端設計

　　(1)用戶注冊登錄。新用戶需要注冊后才能使用本系統，用戶的注冊信息會保存到云服務器端的數據庫中。

　　(2)警告功能。靶心率是指通過有氧運動提高心血管循環系統的機能時有效而安全的運動心率。靶心率范圍在最大心率的60%～80%，它是判斷有氧運動的重要依據。不同人群的靶心率是不同的，用戶在注冊時會輸入自己的年齡和體質，APP會根據用戶的信息計算不同用戶的靶心率和最大安全心率，當用戶的運動心率超過靶心率或最大安全心率時APP會發出警告聲。

　　(3)界面設計。移動客戶端主界面選擇綠色背景，象征健康運動。對于服務器端返回的數據用白色底板顯示，對于適量合理的運動數據用黑色字體顯示。對于近期在運動量和運動時間的超標采用黃色標注，意在提醒用戶注意運動量。此外對于歷史運動信息界面而言，界面設計應該依據上述色塊進行選取，確保客戶使用時對于系統有整體感，同時也使得在數據傳輸中準確實現數據傳輸。

　　(4)數據傳輸。用戶運動結束后，可將暫存在SQLLite中的數據傳輸到云服務器端。在云服務器和 Android 應用間，必須利用特定的信息數據交換格式才能實現數據傳輸，使用這些技術便于實現雙方信息數據的交換，而數據的交換格式一般有 XML 與 JSON。XML 指的是可拓展的標記語言，應用在標記電子文件中，可以使其具備結構性。XML語言和 HTML 語言十分類似，都允許用戶實現自定義標簽，擴展性相對良好。

　　JSON屬于小型信息數據交換格式，一般情況下，JSON 使用完全獨立和語言文本格式便于客戶閱讀與編寫，同時JSON 具備數組與對象兩種格式。在 XML 與 JSON 文字使用方面，能夠利用更為精簡文字信息有效表達更多的內容，這樣能在一定程度上減小所攜帶信息數據，同時由于數據信息大小降低節約的傳輸時間，有利于提高數據信息數據的傳輸效率。因此在健康運動的實時監測與數據分析系統設計中應用了 JSON 信息數據交換格式，實現移動端和服務器端互交。

　　2.3 云服務器端設計

　　(1)數據庫設計

　　本系統數據庫使用SQL server，主要設計有3張表，它們分別是：用戶信息表，原始數據表，數據分析表。用戶信息表存儲的是用戶的基本信息，包括用戶編號、密碼、姓名、性別、年齡、體質等信息。原始數據表為接收到的由APP發出的原始心率數據，由于心率數據的實時性強、數據量大的特點，本表存儲的是一段較短時間內的平均心率、包括id、用戶編號、心率、心率時間等信息。數據分析表中存儲的是對原始數據統計、計算后的數據。

　　(2)云服務器端主要功能

　　本系統服務器端使用c#語言在.net環境中開發。系統管理員輸入用戶名密碼后可對系統用戶、用戶運動數據進行管理。服務器端的數據分析模塊在每一次接收移動客戶端傳來的數據后都要對數據進行統計分析，得出最大運動心率、最小運動心率、平均心率的信息并存入數據分析表。當用戶由客戶端向服務器端發出請求時，將分析后的數據以及對運動的合理化建議傳輸到客戶端供用戶查看。

　　結語

　　本系統有效地將傳感器、開發板、移動客戶端app開發和服務器端系統設計結合起來，能夠對運動心率進行實時監測并對存儲的心率數據進行統計分析，為合理健康運動提供了解決方案。

　　參考文獻：

　　[1]馬達，周春光，王喆，等.基于網絡的個人健康管理實時監控健康分析平臺[J]. 吉林大學學報(理學版)，2010，48(3)：461-463.

　　[2]吳劍鋒，林玉婷，周震.“互聯網+”運動健康產品設計發展研究[J].包裝工程，2017(22)：16-19.

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