CN103027696A - 人体运动能量消耗仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人体运动能量消耗仪，主要包括用于监测周围环境温度的温度采集单元、用于监测人体运动能量消耗和脂肪消耗量的三轴加速度传感器数据采集单元、用于监测人体心率的测量单元、中央处理单元、数据存储单元、显示及按键单元、USB接口与电源单元，近距离无线通信单元NFC，人体生理参数输入和数据处理及分析软件装载于中央处理单元，分析软件中配备有步频-能耗和脂肪消耗量预测模型。人体运动能量消耗仪能够完成运动过程中对周围环境温度的监测、运动能量消耗和脂肪消耗量的评估、心率的监测，并且通过USB与PC终端通信或通过近距离无线传输NFC功能，与手机进行连接，通过手机传输网络，实现科学运动和维持摄入-消耗能量平衡的健康管理。

Description

人体运动能量消耗仪

技术领域

本发明涉及人体运动测量及健康管理，特别涉及一种人体运动能量消耗仪，通过对人体运动能量消耗和脂肪消耗量的实时测量与量化评估，实现健康管理。

背景技术

1999年世界卫生组织认为：健康是一种身体、精神和交往上的完美状态，不是身体无病。根据这一定义，经过严格的统计学统计，真正健康的人仅占5%，患有疾病的人占20%，而70%以上的人群处在健康和患病之间的过度状态，世界卫生组织称其为“第三状态”，即“亚健康”状态。

据统计，现代城市人口中，心血管系统的疾病已高居各病之首，其病因与紧张、焦虑、运动不足、肥胖等有密切关系。世界各国的研究表明，不良行为和生活方式如吸烟、酗酒、进食过多、缺乏运动及生活无规律等已经成为心血管疾病、恶性肿瘤、高血压、糖尿病、消化系统疾病等慢性、非传染性疾病的主要原因之一。虽然，随着全民健康运动的广泛开展，许多百姓意识到参加体育锻炼有助于提高身体素质，预防亚健康，但是如何指导百姓科学有效的参加体育锻炼还很缺乏。科学参加体育锻炼不仅可以促进血液循环、提高心肺功能、促进骨骼肌肉的发展，而且还防治疾病培养健康健全的心理以及改善亚健康现状。

中国疾病预防控制中心（CDC）的研究证实，从事中等量的身体活动和锻炼对促进健康的作用最明显，“中等量身体活动是指每天消耗627.8kJ能量或每周消耗4185.5kJ能量的运动。从事这样的活动能够使50%的人明显降低慢性心脏病的发病率，30%的人降低高血压、糖尿病和肿瘤的发病率。”

而在人们的日常生活中，步行运动是最基本的活动，它是一个由神经、生理感知、骨骼和视觉等多个系统同时配合的连续过程，也是所有运动技巧中最熟练的一种。步行运动之所以能促进健康其奥妙在于它是一种和谐的全身运动，它能活动筋骨，锻炼肌肉强健腿足而足部血液畅通又关系到全身气血畅通，使内脏受到气血的滋养，新陈代谢加强，全身各个系统生理机能增强。

运动量的大小最重要反应在能量消耗上，是为了维持能量总摄入与总消耗的平衡。被称为“金标准”的双标水法，其结果适合作为建模所需的真实能量消耗指标的接近值，但由于                                               昂贵，不便获得，代谢气体成分分析法又不适合测试现场测试。一方面是对于运动能量消耗的迫切需求，另一方面是运动现场能量消耗测试的不便，两者之间的矛盾促使国内外学者研究了多种步行运动的能耗测评方法和实现技术。

在早期，人们为了评估和度量运动能量消耗问题，采用计步定量估算的方法。计步器就被人们应用到健康和运动科学中来，计步器的主要应用为计步，而随着MCU的应用，在计步器的基础上增加了运动能耗的评估，但因为计步器的步幅无法很好地确定，所以无法高精度的进行能耗记录，根据国家体育总局科研所的测定，所得到的精度只能徘徊在60%左右。

近些年，有研究学者对行军过程中的能量消耗进行了系统建模，将行进速度、人体重量、负重、行进路线的坡度等行为自变量建立了非线性运动能耗预测模型但测试样本较少；利用心率表征运动能量消耗的研究，也得到了一定的发展，通过对检测到的心率数据作线性回归分析发现，心率与运动能耗具有较好的线性关系，但是心率与表征个体的生理参数、情感因素、环境因素等有关，不被认为能够准确测量能耗；近几年，基于加速度信息的人体运动能量消耗更是运动能量消耗评估领域最为活跃的研究分支。

然而能耗建模研究大多是在跑步机上进行有规律的走路或跑步，但研究表明，跑步机上的步态与实地的步态存在显著差异。

发明内容

为了解决上述技术上问题，研究发现改变步频是人类运动中调节强度的主要方法，通过国内外的研究成果调研也发现，步频与速度，步频与能耗表现出高度相关性，在能耗建模的研究中提出了新的思路：结合场地的步频-速度模型，跑步机的速度-能耗模型，建立能耗模型，建立脂肪消耗量模型，更加符合场地环境的实际情况，测量结果更加精准。本发明提出了一种人体运动能量消耗仪，能够完成周围环境温度的监测，运动能量消耗和脂肪消耗量的评估，运动过程中心率的监测、并且通过USB与PC中端通信或通过近距离无线传输NFC功能，与手机进行连接，通过手机传输网络，实现科学运动和维持摄入-消耗能量平衡的健康管理。

本发明的技术方案是：

人体运动能量消耗仪，主要包括用于监测周围环境温度的温度采集单元、用于监测人体运动能量消耗和脂肪消耗量的三轴加速度传感器数据采集单元、用于监测人体心率的测量单元、中央处理单元、数据存储单元、显示及按键单元、USB接口与电源单元，近距离无线通信单元NFC，人体生理参数输入和数据处理及分析软件装载于中央处理单元，分析软件中配备有步频-能耗和脂肪消耗量预测模型，其特征在于:

所述监测周围环境温度的温度采集单元，包括温度传感器，温度传感器与中央处理单元内部的PGA模块相连接，输出信号送入ADC处理模块转换为数字信号，再经中央处理单元运算后显示于显示单元，用于在使用者使用之前，对周围环境温度的掌控，判定测试环境温度是否符合测量条件，若符合测试条件，则相应选择运动能量消耗或是脂肪消耗量评估或是心率监测功能；

所述的用于监测人体运动能量消耗和脂肪消耗量的三轴加速度传感器数据采集单元，与中央处理单元相连接，通过按键输入单元输入用户生理参数信息，实现对用户的运动能量消耗量和脂肪消耗量的数据采集，并存储于数据存储单元，所述步频-能耗和脂肪消耗量预测模型，分别为指数和对数方程，形式分别为：

，

，其中：A、B、C、D、K、T为修正系数，H为身高，S为行走步数，M为持续运动时间，E为运动能量消耗，

为静息能耗，

为脂肪消耗量；

所述步频-能耗和脂肪消耗量预测模型，根据运动者通过按键单元所输入的年龄、身高、体重及性别，通过对传感器数据采集单元传输的测量数据进行分析，得到步频信息，最后由步频信息直接计算出此次运动能量消耗量及脂肪消耗量，并将消耗量显示于显示单元，与目标值作比对，并提示使用者是否达到目标值，若未到达目标值，可继续锻炼；若已达到目标值，可适度休息；

所述监测人体心率的测量单元，在壳体外部有四个电极片，通过四个电极片采集的人体生物电信号经过中央处理单元内部的PGA模块滤波放大后，将处理后的信号送入ADC处理模块转换为数字信号，再经中央处理单元运算后显示于显示单元，用于监测使用者心率，若心率过慢，则提示使用者适当增加运动量；若心率过快，则提示使用者要适当减少运动量；若超出最大心率值时，则报警，用于提示心率过快或使用错误，引起人们注意；

所述近距离无线通信模块NFC与中央处理单元相连，可与手机或PC端的NFC模块进行点对点的数据传输，将使用者测量数据上传至手机或PC端的个人健康管理平台中。

所述的中央处理单元包括电源处理模块、ADC处理模块、时钟模块、低电压侦测模块，并与显示单元、NFC单元、USB相关接口、数据存储单元连接；

所述的数据存储单元，可分别连续存储多笔三轴加速度传感器采集的加速度信息与人体心率测量数据； 

所述显示及按键单元分别与中央处理单元相连，为用户提供设置与操作友好人机交互界面；

所述USB接口，可实现与计算机相连，可将测量数据上传至PC端的健康管理平台数据库中；

所述电源单元，提供电源给人体运动能量消耗仪；

所述的人体生理参数，包括年龄、身高、体重及性别。

本发明的有益效果     

1.根据步频、身高、体重、年龄的个性化参数建立速度预测模型，达到了较高的精度水平，免去了计算步长所带来的不便或者估算步长的误差。

2.综合场地的步频-速度模型，跑步机上的速度-能耗模型、建立步行运动的能耗模型，该模型比跑步机上获得的步频-能耗模型更加符合场地环境的实际情况。

3.我们的模型可以直接给出脂肪的消耗量，而这是如今人们最想了解的、最希望得到的参数或者数据,也是最能有效反映运动效果的一个数据。

4.实现USB与近距离无线传输NFC的双重功能，实现健康管理。

附图说明

图1是本发明人体运动能量消耗仪的硬件结构示意图；

图2是本发明人体运动能量消耗仪的软件流程图；

图3是本发明人体运动能量消耗仪心率测量部分的软件流程图。

具体实施方案

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，人体运动能量消耗仪，主要包括用于监测周围环境温度的温度采集单元103、用于监测人体运动能量消耗和脂肪消耗量的三轴加速度传感器数据采集单元104、用于监测人体心率的测量单元102，中央处理单元111、数据存储单元115、显示单元112及按键单元105、USB接口单元114与电源单元101，近距离无线通信单元NFC113，人体生理参数输入和数据处理及分析软件装载于中央处理单元111，分析软件中配备有步频-能耗及脂肪消耗量预测模型。

其中，所述监测周围环境温度的温度采集单元103，与PGA模块106相连接，包括温度传感器，温度传感器与中央处理单元111内部的PGA106模块相连接，输出信号送入ADC处理模块108转换为数字信号，再经中央处理单元111运算后显示于显示单元112，用于在使用者使用之前，对周围环境温度的掌控，判定测试环境温度是否符合测量条件，若符合测试条件，则相应选择运动能量消耗或是脂肪消耗量评估或是心率监测功能；

所述的用于监测人体运动能量消耗和脂肪消耗量的三轴加速度传感器数据采集单元104，与中央处理单元111相连接，通过按键输入单元105输入用户生理参数信息，实现对用户的运动能量消耗量和脂肪消耗量的数据采集，并存储于数据存储单元115；

所述步频-能耗和脂肪消耗量预测模型，分别为指数和对数方程，形式分别为：

，

，其中：A、B、C、D、K、T为修正系数，H为身高，S为行走步数，M为持续运动时间，E为运动能量消耗，为静息能耗，

为脂肪消耗量，所述的静息能耗的运算需要应用到年龄、身高、体重、性别等指标。根据运动者通过按键单元105所输入的年龄、身高、体重及性别，通过对传感器数据采集单元104传输的测量数据进行分析，得到步频信息，最后由步频信息直接计算出此次运动能量消耗量及脂肪消耗量，并将消耗量显示于显示单元112，与目标值作比对，并提示使用者是否达到目标值，若未到达目标值，可继续锻炼；若已达到目标值，可适度休息；

所述监测人体心率的测量单元102，与PGA模块106相连接，在壳体外部有四个电极片，通过四个电极片采集的人体生物电信号经过中央处理单元内部的PGA106模块滤波放大后，将处理后的信号送入ADC处理模块108转换为数字信号，再经中央处理单元111运算后显示于显示单元112，用于监测使用者心率，若心率过慢，则提示使用者适当增加运动量；若心率过快，则提示使用者要适当减少运动量；若超出最大心率值时，则报警，用于提示心率过快或使用错误，引起人们注意；

所述近距离无线通信模块NFC113与中央处理单元111相连，可与手机或PC端的NFC模块进行点对点的数据传输，将使用者测量数据上传至手机或PC端的个人健康管理平台中；

所述中央处理单元111进一步包括：电源处理模块107、PGA模块106、ADC处理模块108、时钟模块109、低电压侦测模块110。其中，所述电源处理模块107，用于为人体运动能量消耗仪供电；所述中央PGA模块106与ADC处理模块108相连接；所述时钟模块109，提供时钟源；所述低电压侦测模块110用于低电压检测。

如图2所示，人体运动能量消耗仪的软件流程示意图，当系统上电后，所述中央处理单元111开始进行相关系统寄存器的配置，配置完成后主程序开始运行，根据按键操作进入不同模式：

计步处理、计算步数模式：所述中央处理单元111会定时采集三轴加速度传感器数据采集单元104的输出信号，而三轴加速度传感器数据采集单元104输出的三轴加速度信号则反映人体的实时运动状况。所述中央处理单元111采集到三轴加速度信号进行适当处理后还原出人体运动的特征曲线，对该曲线进行分析得到精确的运动步数，结合时间窗口又可以得出步频这一参数，从而计算出能量消耗，脂肪消耗量等；

清除使用者数据，清除历史数据模式；

错误画面显示模式；

时间、个人数据设定模式；

测试模式：对三轴加速度传感器进行自检功能，相关元件设施进行自检；

心率测量模式：采用4个电极板将人体两手肌肉的电位差，送至PGA模块106放大，滤波后，由ADC模块108进行AD转换。所述中央处理单元111对AD采样数据进行分析计算，得出心率；

数据传输模式：可分别采用USB数据传输和近距离无线传输NFC。所述的近距离无线传输NFC，是自动连接手机与PC端，根据指令发送相应的测量数据。

如图3所示，人体运动能量消耗仪心率测量部分的软件流程图，系统上电初始化后，进入主程序，跳转至心率测量部分，测量四个极板间存在的电压信号，将信号放大滤波后，由ADC模块108将采样数据进行处理，计算每个采样点的斜率，判断斜率变化情况，最后计算相邻R波周期，再次进行多次采样求平均值，计算心率。

Claims (2)

1.人体运动能量消耗仪，主要包括用于监测周围环境温度的温度采集单元、用于监测人体运动能量消耗和脂肪消耗量的三轴加速度传感器数据采集单元、用于监测人体心率的测量单元、中央处理单元、数据存储单元、显示及按键单元、USB接口与电源单元，近距离无线通信单元NFC，人体生理参数输入和数据处理及分析软件装载于中央处理单元，分析软件中配备有步频-能耗和脂肪消耗量预测模型，其特征在于:

所述监测周围环境温度的温度采集单元，包括温度传感器，温度传感器与中央处理单元内部的PGA模块相连接，输出信号送入ADC处理模块转换为数字信号，再经中央处理单元运算后显示于显示单元，用于在使用者使用之前，对周围环境温度的掌控，判定测试环境温度是否符合测量条件，若符合测试条件，则相应选择运动能量消耗或是脂肪消耗量评估或是心率监测功能；

所述的用于监测人体运动能量消耗和脂肪消耗量的三轴加速度传感器数据采集单元，与中央处理单元相连接，通过按键输入单元输入用户生理参数信息，实现对用户的运动能量消耗量和脂肪消耗量的数据采集，并存储于数据存储单元，所述步频-能耗和脂肪消耗量预测模型，分别为指数和对数方程，形式分别为：                                               

，，其中：A、B、C、D、K、T为修正系数，H为身高，S为行走步数，M为持续运动时间，E为运动能量消耗，

为静息能耗，

为脂肪消耗量；

所述步频-能耗和脂肪消耗量预测模型，根据运动者通过按键单元所输入的年龄、身高、体重及性别，通过对传感器数据采集单元传输的测量数据进行分析，得到步频信息，最后由步频信息直接计算出此次运动能量消耗量及脂肪消耗量，并将消耗量显示于显示单元，与目标值作比对，并提示使用者是否达到目标值，若未到达目标值，可继续锻炼；若已达到目标值，可适度休息；

所述监测人体心率的测量单元，在壳体外部有四个电极片，通过四个电极片采集的人体生物电信号经过中央处理单元内部的PGA模块滤波放大后，将处理后的信号送入ADC处理模块转换为数字信号，再经中央处理单元运算后显示于显示单元，用于监测使用者心率，若心率过慢，则提示使用者适当增加运动量；若心率过快，则提示使用者要适当减少运动量；若超出最大心率值时，则报警，用于提示心率过快或使用错误，引起人们注意；

所述近距离无线通信模块NFC与中央处理单元相连，可与手机或PC端的NFC模块进行点对点的数据传输，将使用者测量数据上传至手机或PC端的个人健康管理平台中。

2.根据权利要求1所述的人体运动能量消耗仪，其特征在于： 

所述的中央处理单元包括电源处理模块、ADC处理模块、时钟模块、低电压侦测模块，并与显示单元、NFC单元、USB相关接口、数据存储单元连接；

所述的数据存储单元，可分别连续存储多笔三轴加速度传感器采集的加速度信息与人体心率测量数据； 

所述显示及按键单元分别与中央处理单元相连，为用户提供设置与操作友好人机交互界面；

所述USB接口，可实现与计算机相连，可将测量数据上传至PC端的健康管理平台数据库中；

所述电源单元，提供电源给人体运动能量消耗仪；

所述的人体生理参数，包括年龄、身高、体重及性别。

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