李鹏飞 吕永忠
（甘肃省体育科学研究所 甘肃 兰州 730050）
本系统由四个部分组成,分别为腕式心率表、腕式智能手机、电信组网设备以及监测终端。腕式心率表由光波照射到皮肤表面，心率表光波通过照射和反射方式传送到心率手表的光电接受装置，相关数据与已有模型数据进行对比来分析运动员耗氧情况；
腕式智能手机用于测试心率数据的接收和无线发送；
组网设备用于数据在广域网中的无线传送；
监测终端用于教练员实时观察运动员心率，监测运动员生理状态。在实际训练过程中多名运动员手腕同时穿戴腕式心率表和智能手机，通过广域网采集运动员的心率数据并发送到教练员手持监控终端。教练会通过观察运动员的实时心率变化来分析训练负荷。
1.1、研究对象
本研究以运动员动态心率监测系统的设计、研发及应用为研究对象。
1.2、研究方法
（1）文献资料法。
通过中外文献检索数据库了解基本的知识结构和建模理论,结合实际需要进行研发。
（2）实验法。
根据运动员动态心率监测系统的可操作性进行试验,通过重复试验进行测试,从中不断改进,最终形成本系统。
2.1、系统硬件组成与特点
运动员动态心率监测系统硬件四方面组成。产品特点：（1）心率监测反应灵敏，测试结果准确、稳定；
（2）可同时对多名重点队员进行监控和评价，适用于大多数专业运动队的训练科目；
（3）利用全国电信网络进行数据传送，做到无死角传输，监控训练不受场地的影响；
（4）体积小巧、便于携带；
（5）产品能够使教练员直观地掌握运动员在实际训练中的心率变化情况，对训练过程的监控具有及时性和科学性，教练员可以根据具体情况对训练计划进行及时调整，减小训练的盲目性，增加训练的有效性。
（1）心率表。
选用量产国际知名品牌心率表，通用蓝牙数据接口。选型注意事项：①能够保证探测深色皮肤测量的准确性（即使运动员手臂上有纹身也能准确进行心率测量）；
②为了减轻运动员负载，尽量选用低重量、小体积、方便穿戴的产品。
（2）数传手机。
选用量产国产品牌手机，自主研发应用软件。选型注意事项：为了减轻运动员负载，尽量选用低重量、小体积、方便穿戴的产品，如腕式手机。
（3）电信组网设备。
通过中国电信网络进行数据传输。
（4）教练员终端。
选用量产国产知名品牌平板笔记本，自主研发应用软件。选型注意事项：尽量选用高亮度、平板、轻便的产品。
2.2、系统软件设计
运动员动态心率监测系统软件由心率检测软件和教练员终端计算机软件两部分构成。
（1）心率检测软件设计。
①软件需求
解决心率表和数传手机蓝牙配对、数据接收、运动队名称和运动员姓名输入、映射端口域名及其端口号输入、数据无线电信网络发送。
a.数传手机和心率表蓝牙配对；
b.心率表数据蓝牙接收。需分析心率表的蓝牙数据格式，进行数据解析；
c.受测运动队名称及运动员姓名的输入。软件显示界面上具有运动队名称和运动员姓名输入栏，可以输入6 个字符，支持汉字输入；
d.映射端口域名及其端口号输入。软件显示界面上具有映射端口域名输入栏，可以输入英文字符，例如“jiawei.ipqq.net”；
具有端口号输入栏，可以输入数字字符，如“10076”；
e.数据无线电信网络发送。把解析后的心率表有用信息、运动队名称、运动员姓名等数据打包成TCP 数据包，然后通过4G 网络发送到指定的映射端口域名(指定了端口号)。
②主要功能
a.数据通信功能主要实现数据接收和数据解析。数据接收，用于从匹配的蓝牙设备(心率表)中接收心率数据；
数据解析，用于对接收到的数据按特定的协议进行解析处理；
b.数据显示功能用于将解析的数据，包括运动员姓名、运动项目、实时心率，显示在界面上；
c.网络发送功能用于将运动员姓名、运动项目和实时心率数据，通过网络发送到设置的服务器IP 地址上；
d.网络状态检测功能实时检测网络的通信状态，并将检测到的状态显示出来。
③主要指标要求
a.软件性能指标,采集数据率：约1 次/s；
b.环境指标要求,心率检测软件运行所需要的基本硬件环境标准(表1 所示)；
表1 硬件环境表
心率检测软件运行所需的软件环境由操作系统、应用软件、软件具和编程语言组成，该软件运行所需的软件环境要求(表2所示)。
表2 软件环境要求表
④软件设计
心率检测软件由初始化单元、参数设置单元、蓝牙接收单元、接收数据处理单元、网络发送单元、网络状态检测单元、显示单元组成。
a.初始化单元。初始化单元是软件的入口，完成全局变量赋值、界面初始化、网络初始化，开启软件定时。界面初始化,对界面布局进行初始化，主要是初始化界面中各个控件的大小和位置。网络初始化,对网络发送服务套接字初始化。软件定时,软件主定时周期为200ms，通过主定时计数，生成1s 定时函数。在定时函数中，完成界面显示的更新、状态检测等功能；
b.参数设置单元。参数设置单元用来设置以下参数：运动员姓名、运动项目、服务器IP 地址及端口、心率表蓝牙设备。运动员姓名、项目：用来设置训练人员姓名和训练项目。心率表蓝牙设备：心率检测软件通过蓝牙与心率表连接，接收心率表的数据。软件启动后通过选择蓝牙设备，设置与哪个心率表连接；
服务器IP 地址和端口：用来设置网络接收端的IP 地址和端口；
c.蓝牙接收单元,在蓝牙接收服务线程中，实时检测蓝牙端口是否有数据。一旦有数据到来，首先判断帧头和数据长度是否满足要求。只有满足协议规定要求的数据帧才会记录并进入到数据处理单元进行处理；
d.接收运动员心率数据处理单元对蓝牙接收到的数据进行解析，并进行容错处理。接收数据主要指瞬时心率。数据处理单元将瞬时心率、接收时的时间、设置的运动员姓名和运动项目打包成一帧待发送的数据；
e.心率检测软件网络发送单元由接收数据处理单元调用。接收心率数据处理单元打包完一帧完整的数据后，调用网络发送单元，将数据通过网络发送出去。发送的目的IP 和端口由参数设置单元设置；
f.网络状态检测单元由定时函数调用。在1s 的定时函数中，调用网络状态检测单元，定时检测网络连接状态。网络状态检测单元采取定时ping 服务器IP 地址，如果有返回值，则网络处于连接状态；
g.显示单元由定时函数调用。用来实时显示运动员姓名、运动项目和接收到的心率数据。
⑤软件实现
运行心率检测软件：在手机显示界面上找到名称为“运动员动态心率检测系统”软件图标，点击图标运行软件，出现下图所示欢迎界面(图1 所示)。
图1 软件欢迎界面
参数设置界面：约2s 后，软件进入设置界面，在“运动队”一栏中填写运动队名称，如：“女子中长跑队”、“男子自行车队”、“摔跤队”等；
在“运动员”一栏中填写运动员名字或代号，如：“张三”、“男队员1”等，点击“保存”按键，进入“输入密码以确认存储”界面，输入正确的密码后保存设置。
和心率表的第一次匹配：保证心率表处于心率测量状态，在“发现设备”栏就会出现“MIO GLOBAL-ALPHA2”的设备标识，点击该标识，程序会自动连接该心率表，同时在“已知设备”栏显示该设备的代码。网络通讯建立：如果手机的“移动数据”处于打开状态，“设备状态”栏会自动显示“网络通讯建立”，同时在心率显示栏出现被测运动员的心率数值。心率显示界面：设置界面完成后约两秒，程序自动进入心率显示界面，
⑥安装和调整
将“心跳检测手机版.apk”安装包拷贝到手机上，运行后自动安装心率检测软件；
手机开启蓝牙，与心率表进行匹配连接。软件自动接收心率表的数据，显示在界面上，同时发送到服务器IP 地址。
（2）教练员终端计算机软件。
①软件需求
解决教练员终端计算机和nat123 端口映射软件在内网启动映射、多组心率数据接收、运动队名称和运动员姓名解析、瞬时心率解析、平均心率计算、心率数据图形显示。a.自动加载NAT123 软件，完成nat123 端口映射软件内网映射；
b.多组心率数据接收。利用TCP 通讯协议，接收端口映射网站转发的心率数据；
c.受测运动队名称以及运动员姓名解析。软件显示界面上具有运动队名称和运动员姓名显示栏，可以显示6 个汉字的运动队名称和运动员姓名，可依据运动队名称把运动员自动归类到多个运动组；
d.瞬时心率解析。解析运动员瞬时心率值；
e.平均心率计算。通过滑窗算法求取运动员平均心率值；
f.心率数据图形显示。相关测试数据以相关图表的形式进行呈现。
②主要功能
a.数据传输功能主要达到数据接收和数据解析。数据接收，用于从互联网指定的服务器中接收心率数据；
数据解析，用于对接收到的数据按特定的协议进行解析处理；
b.数据显示功能用于将解析的数据，包括运动员姓名、运动项目、实时心率，显示在终端上；
c.心率曲线绘制功能用于将心率数据以曲线形式显示出来，并可以切换平均心率和瞬时心率；
d.数据表格显示功能用于将数据以表格形式显示出来。包括姓名、运动项目、瞬时心率、平均心率、采集时间；
e.网络状态检测功能实时检测网络的通信状态，并将检测到的状态显示出来；
f.心率设备在线状态检测功能实时检测心率设备是否在线，并将最多8 个心率设备的状态显示出来。
③主要指标要求
a.软件性能指标
监测数据率：约1 次/s；
监测心率设备数量：8 个。
b.环境指标
第一，硬件环境
监测终端软件运行所需的硬件环境要求(表3 所示)。
表3 硬件环境表
第二，软件环境
监测终端软件运行所需的软件环境由操作系统、应用软件、软件具和编程语言组成，该软件运行所需的软件环境要求(表4所示)。
表4 软件环境要求表
④软件设计
监测终端软件由初始化单元、网络接收单元、接收数据处理单元、网络状态检测单元、曲线绘制单元、心率设备在线状态检测单元、显示单元、数据存储单元组成。
a.初始化单元,初始化单元是软件的入口，完成全局变量赋值、界面初始化、网络初始化，开启软件定时。界面初始化：对界面布局进行初始化，主要是初始化界面中各个控件的大小和位置。网络初始化：对网络接收服务套接字初始化，进行网络接收服务线程的初始化。软件定时：软件主定时周期为200ms，通过主定时计数，生成1s 定时函数。在定时函数中，完成界面显示的更新、状态检测等功能；
b.网络接收单元在网络接收服务线程中，实时检测网络端口是否有数据。一旦有数据到来，首先判断帧头和数据长度是否满足要求。只有满足协议规定要求的数据帧才会记录并进入到数据处理单元进行处理；
c.接收数据处理单元对接收到的数据进行解析，并进行容错处理。每一个有效数据帧长度40 字节，数据内容包括运动员姓名、项目名称、采集时间和瞬时心率。数据处理单元对瞬时心率进行容错处理，抛弃异常数据，以免影响统计数据的真实性；
d.网络状态检测单元,当网络接收单元中连续若干个周期都没有接收到数据时，在1s 定时函数中开启网状态检测。网络状态检测单元采取定时ping 某外部网站，如果有返回值，则网络处于连接状态；
e.曲线绘制单元,曲线绘制单元由1s 定时函数调用。将解析后的心率和采集时间绘制在图表中。最多支持8 路心率数据，以不同的颜色进行区别；
f.心率设备在线状态检测单元,用于检测心率设备是否在线。当心率设备软件启动后，自动以每秒一帧的周期发送心率数据。监测终端软件根据接收到的数据判断心率设备是否在线。连续若干个周期都没有接收到数据时，判定该路心率设备未连线；
g.显示单元由定时函数调用。用来实时显示每路心率设备的数据，包括运动员姓名、运动项目、瞬时心率、平均心率。并以表格形式显示出来；
h.数据存储单元由接收数据处理单元调用。当数据解析正确时，按照定义的数据格式，将解析数据存储到本地磁盘中。
⑤软件实现
监测终端开机后，自动加载NAT123 软件，并自动运行终端软件。终端软件主界面(图2 所示)。
图2 监测终端软件主界面
软件按每2s 一次的周期检测网络状，如果互联网未连接时，以红色文字显示；
当互联网连接时，隐藏文字消息。软件以1 次/s 的周期轮询检测8 个心率设备在线状态，如果某个心率设备在线，则在界面中显示该设备所属的运动员名称和心率数据。心率曲线显示界面：点击“曲线”栏，进入心率曲线显示界面(图3 所示)。
图3 心率曲线显示界面
测试结束后，点击“关闭”按钮，退出终端软件。
正样机研制开始于2020 年1 月，于2020 年6 月完成产品试制、调试和验证工作。
（1）正样机研制充分考虑了实际需要提出的意见和建议，研制方案做了如下重大调整：
①心率表采用目前国际最准确可靠的美国迈欧心率表，该表采用腕式结构，测量精度和心电图测量结果的相似度达到99%；
②心率数据传输采用电信广域网，彻底解决了监测场地覆盖范围的问题，在全国电信网络覆盖范围内均可使用，如果使用了国际漫游，在全世界电信网络覆盖范围内也可正常使用；
（2）正样机研制过程中主要解决的技术问题主要是软件研制，有如下几个方面：
①“运动员动态心率检测系统”APP 软件研制：该软件解决了心率表数据蓝牙接收、运动队分组、运动员姓名输入和心率数据无线电信网络发送问题；
②8个心率表和心率显示平板计算机组网及其软件研制：这些工作解决了心率数据在电信广域网内的通讯问题；
③终端显示软件的完善：通过软件完善，增加了平均心率计算、心率数据曲线显示、心率数据表格显示、运动时心率数据自动存储、存储心率数据回放、运动员告警心率设定、运动队组别区分和显示、运动员姓名显示等等功能，同时对显示界面进行了系统的平面优化设计。
现阶段心率一直是竞技体育中判定运动训练强度的有效指标，由于人体的心率具有在不同的机能状态下呈现出不同数值这一特征,且运动负荷不同,心率表现也会不同。所以心率指标在运动训练过程中是动态波动的。同时，在训练中心率还能侧面反映出专项训练方法和手段的合理性以及训练恢复过程、恢复手段的效果。所以在现代竞技体育训练中,心率监测尤为广泛,而动态的实时的心率监测在运动训练中极为重要。在日常训练中教练员可以根据运动员动态心率进行日常训练负荷的调整,这样训练计划更为合理客观。传统的心率监测手段都是通过训练后进行测试,这样的测试不能做到及时的监测数据,同时这种测试也会影响到训练效果。本系统通过腕式心率表、腕式智能手机、电信组网设备和监测终端，实现了运动员远程心率的实时监测，相比传统心率测试系统表现得更为精确、直观。心率动态监测系统对运动队的数字化建设有着积极意义，同时也践行了“科训结合”这一理念。
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