CN109276851A - 一种展示食物摄入与能量代谢关系的互动体验系统 - Google Patents

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何梅
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Abstract

本发明属于科普教育技术领域，具体涉及一种展示食物摄入与能量代谢关系的互动体验系统。该系统包括单车，速度传感器，阻力传感器，计时器，终端设备，显示设备；终端设备根据骑行速度、骑行阻力和骑行时间，计算出骑行过程中运动能量消耗值、人体总能量消耗值和需要消耗预设食物的热量；显示设备至少显示骑行过程中人体总能量消耗值、人体的总能量消耗值占所述预设食物的热量的百分比。本发明围绕系统营养“吃动平衡”开发的互动体验系统，可让公众直观、可视化地切身感受吃进去的食物是如何代谢消耗的，进一步理解能量代谢的意义，为公众提供了全新的健康科普体验。

Description

一种展示食物摄入与能量代谢关系的互动体验系统
技术领域
本发明属于科普教育技术领域，具体涉及一种展示食物摄入与能量代谢关系 的互动体验系统。
背景技术
近年来改善营养健康状况，提升国民健康科学素养已逐渐成为共识。卫生部 2010年公布的《营养改善工作管理办法》指出“从事营养工作的专业部门及人 员应当提供科学实用、通俗易懂的营养与健康知识”。国务院《中国食物与营养 发展纲要(2014-2020)》指出“全面普及营养知识，提高全民营养意识。加强对 居民食物与营养的指导，开展多种形式、多种类型的营养知识教育，加强营养知 识宣传，提高城乡居民的营养科学知识和自我保健意识，引导居民的食物消费方 向，提高全民科学、合理膳食的自觉性”。2016年国务院发布《健康中国2030 规划纲要》强调“要加强健康教育，提高全民健康素养。”《国民营养计划2017-2030》 中要求重点开展“吃动平衡”行动，积极推进全民健康生活方式行动，广泛开展以“三减三健”(减盐、减油、减糖，健康口腔、健康体重、健康骨骼)为重点 的专项行动。
以上各政策均表明全面普及营养健康知识、提高国民健康素质、促进健康饮 食、远离疾病，是国家发展的重要方向之一。当前中国展示营养健康相关内容的 展馆较少，展出内容多是基础营养知识，相对片面，公众很难应用到生活中。此 外，如何从海量信息中获取真正科学的健康知识已经成为一件难事。所以，不断 研发创新实用的互动宣教展品，为公众建立一个专业的有影响力的营养健康科普 互动平台，势在必行。
由于我国基础教育中“健康素质教育”的缺失，公众普遍缺乏系统的营养健 康知识。为更好地进行健康科普教育，2012年起北京市营养源研究所结合科研 优势，在市科委科协的支持下建立了北京营养健康展览馆，成为市级科普教育基 地，开放六年来累计接待近3.2万人次，科普工作初见成效。
随着公众对营养日益重视，由于场地、设施限制，原有展馆多以平面展板展 示为主，已无法满足公众的互动体验需求。因此希望通过互动展品的开发与创新， 打造具有领先水平的现代化营养健康互动科普场馆，以更好地促进健康事业发展、 提升健康科学素养。
发明内容
本发明旨在利用北京市营养源研究所市级科普教育基地现有场地及营养领 域专业优势，开展人体系统营养健康互动体验展教品的研发，并通过实践应用， 打造具有领先水平的现代化多媒体营养健康互动科普场馆，传播正确的营养健康 科学知识，为公众带来全新的健康互动体验，全面提升健康科学素养。
具体而言，本发明提供一种展示食物摄入与能量代谢关系的互动体验系统， 其包括：单车，速度传感器，阻力传感器，计时器，终端设备，显示设备；
所述单车包括单车本体、主动轮；
所述速度传感器与所述主动轮连接；所述速度传感器用于获取骑行速度(V， 即主动轮的转速)，并向所述终端设备发送所述骑行速度；
所述阻力传感器与主动轮连接；所述阻力传感器用于获取骑行阻力(F阻， 即主动轮的阻力)，并向所述终端发送所述骑行阻力；
在本发明中，所述骑行阻力与施加到所述主动轮的动力相等。
所述计时器用于获取骑行时间(T)，并向所述终端设备发送所述骑行时间；
所述终端设备用于根据所述骑行速度、所述骑行阻力和所述骑行时间，计算 出骑行过程中的运动能量消耗值(E骑)；
所述终端设备还用于接收输入的体验者身高、体重、性别、年龄等参数，并 根据输入的体验者身高、体重、性别、年龄等参数计算出骑行过程中人体的总能 量消耗值；
所述终端设备还用于接收(例如体验者)输入的预设食品的种类及重量，计 算出需要消耗该预设食物的热量；
所述显示设备与所述终端设备连接；所述显示设备用于接收并显示所述终端 设备发出的信号；
所述显示设备至少显示骑行过程中人体的总能量消耗值以及显示骑行过程 中人体的总能量消耗值占所述预设食物的热量的百分比。
进一步地，所述显示设备还可显示骑行过程中人体的总能量消耗值占全天摄 入总能量的百分比。
进一步地，所述显示设备还可显示若想消耗完所述预设食物的热量，还需要 的骑行时间(在一定的骑行速度条件下)。
进一步地，所述显示设备还可实时显示所述骑行速度(即所述主动轮的转速)。
当体验者年龄较大(例如老年人或超过60岁的人)或较小(例如青少年或 儿童)时，若骑行速度过快可能会对该类体验者造成身体伤害。为确保体验者安 全，所述互动体验系统还包括速度比较器，所述速度比较器与所述速度传感器连 接，所述速度比较器将特定人群(例如老年人、青少年或儿童)的安全骑行速度 设为标准值，所述速度比较器将所述速度传感器检测到的所述骑行速度(即所述 主动轮的转速)与预设的安全骑行速度进行比较，如果经判断所述骑行速度(即 所述主动轮的转速)超过或即将超过预设的安全骑行速度时，则所述速度比较器 向所述终端设备发出信号，启动警报。
所述警报可由连接于所述终端设备的警报装置发出，也可由所述显示设备以 声音和/或文字、图像等形式发出；本发明不做具体限定。
本发明中，若无特殊指明，所述骑行速度与所述主动轮的转速含义相同。
本发明所述单车可与常规单车例如健身单车结构相同。
进一步地，所述单车还可包括被动轮，所述被动轮与所述主动轮通过传送件 连接，所述传送件可为齿轮、链条或皮带等中的任一种。
进一步地，所述单车还包括车把，所述车把固定设置在单车本体上。所述车 把可以包括一个或两个把手。
进一步地，所述单车还包括脚踏板，所述脚踏板与所述主动轮通过转轴连接。
进一步地，所述单车还包括车座。体验时，体验者坐在车座上，手握车把， 脚踩脚踏板，在体验者踩踏脚踏板的过程中，脚踏板通过转轴带动车轮转动。
进一步地，所述单车还包括固定架，用于固定单车本体，例如将单车本体固 定在地板上。
进一步地，所述终端设备可以设于车把上，以方便体验者操作。所述终端设 备也可以离体设于单车本体之外。不管设于何种位置，所述终端设备均与所述速 度传感器及显示设备连接。
所述速度传感器、速度比较器均可采用常规设备，本领域技术人员可根据需 要进行选择使用；本发明不做具体限定。
所述终端设备可以为计算设备，例如个人电脑(pc)、智能手机、平板电脑 等设备。
所述终端设备可以提供体验者相关参数(例如身高、体重、性别、年龄等) 输入界面，体验者可以通过体验者相关参数输入界面输入体验者参数，终端设备 可以通过体验者相关参数输入界面接收体验者输入的相关参数。
所述终端设备还可以提供预设食物种类及重量输入界面，体验者可以通过体 验者该界面输入预设食物种类及重量，终端设备可以通过该输入界面接收体验者 输入的预设食物种类及重量，并计算出需要消耗该预设食物的热量。
预设食物可选择已知其单位重量热量值的种类；该信息可从已知文献资料获 得，或从市售预包装食品的营养标签获得。表1列出了21种常见食物的能量数 据。本领域技术人员可根据需要进行选择使用；本发明不做具体限定。
表1 21种食物的能量数据
所述显示设备可以为显示屏(显示器)，或带显示屏(显示器)的计算设备， 例如个人电脑(pc)、智能手机、平板电脑等设备；或者所述显示设备也可为电 视机。
为进一步增加体验乐趣，所述显示设备可为虚拟现实(Virtual Reality，VR) 设备，例如虚拟现实头盔或虚拟现实眼镜。
为进一步增加体验的趣味性，所述终端设备还可以提供用于显示至少一个虚 拟场景选项，接收体验者在至少一个虚拟场景选项中选择的目标虚拟场景选项， 将目标虚拟场景选项对应的虚拟场景确定为目标虚拟场景，并向显示设备发送目 标虚拟场景；显示设备用于呈现目标虚拟场景。
所述虚拟场景例如可为城市道路、山地道路、海滨道路、乡村田野道路或公 园小径等。
在一个具体实施方式中，所述终端设备也可同时具有所述显示设备的功能， 即所述终端设备具有显示屏，用于显示拟显示的相关信息(或能够执行所述显示 设备的相关功能)。例如所述终端设备与所述显示设备可为同一设备或为一体机。
本发明还提供一种利用上述互动体验系统展示食物摄入与能量代谢关系的 方法，包括：
向所述终端设备输入体验者的身高、体重、性别、年龄等参数；
向所述终端设备输入预设食品的种类及重量，通过所述终端设备计算出需要 消耗该预设食物的热量；
体验者在所述单车上进行骑行；
通过所述速度传感器获取骑行速度(即所述主动轮的转速)及通过所述计时 器获取骑行时间，并向所述终端设备发送所述骑行速度及骑行时间；
通过所述终端设备根据所述骑行速度和所述骑行时间计算出骑行过程中的 运动能量消耗值；
通过所述终端设备根据所输入的体验者身高、体重、性别、年龄等参数计算 出骑行过程中人体的总能量消耗值；
通过显示设备显示本次骑行过程中人体的总能量消耗值以及显示所述骑行 过程中人体的总能量消耗值占所述预设食物的热量的百分比。
或者进一步地，所述显示设备还可显示本次骑行过程中人体的总能量消耗值 占全天摄入总能量的百分比；显示若想消耗完所述预设食物的热量，还需骑行时 间及骑行速度；实时显示骑行速度(即所述主动轮的转速)；实时显示骑行过程 中能量消耗值等中的任一种或几种。
进一步地，上述展示食物摄入与能量代谢关系的方法，还包括：向所述终端 设备输入体验者的身高、体重、性别、年龄等参数，通过所述终端设备根据输入 的体验者身高、体重、性别、年龄等参数以及所输入的预设食物的热量，计算出 在设定体验时间T(例如180秒)欲消耗所述预设食物的热量所需的骑行速度。
进一步地，上述展示食物摄入与能量代谢关系的方法，还包括：在所述显示 设备上显示所述设定体验时间T(例如180秒)的倒计时，实时显示运动能量消 耗值，并以数字或指示灯或进度条等形式模拟显示能量消耗进度，这样可以清晰 地模拟出运动过程中能够消耗多少热量。设定体验时间T(例如180秒)体验结 束后，显示设备显示本次骑行过程中的运动能量消耗值；所述运动能量消耗值占 所述预设食物的热量的百分比；所述运动能量消耗值占全天摄入总能量的百分比； 若想消耗完所述预设食物的热量，还需要的骑行时间(骑行速度)等信息。结合 上述能量代谢互动体验设施；可让体验者进一步直观、可视化地理解“吃动平衡” 的意义。
本发明中，所述骑行过程中的运动能量消耗值可通过下式计算：
E骑＝P骑×T
其中，E骑表示骑行过程中的运动能量消耗值，P骑表示骑行功率，T表示骑 行时间。
所述骑行功率可通过下式计算：
P骑＝F阻×V
其中P骑表示骑行功率，F阻表示骑行阻力(即所述主动轮的阻力)，V表示 骑行速度(即所述主动轮的转速)。
一般地，对于给定的所述单车，其骑行阻力F阻是确定的，可以通过现有常 规方法测定。
另外，对于所述单车，其骑行阻力F阻可通过阻力旋钮进行调节，可以通过 所述阻力传感器进行测定。
骑行过程中人体的总能量消耗值可通过下式计算：
E总＝E骑+E基础＝(P骑+P基础)×T
其中，P基础表示人体的基础代谢消耗的功率，根据体表面积计算法(赵松山，1984)，可通过下式计算：
P基础(kJ/h)＝[0.00659×身高(cm)+0.0126×体重(kg)-0.1603]×BMR[kJ/(m2·h)] (参考文献：孙长颢等.营养与食品卫生学[M]，北京：人民卫生出版社，2007.)
其中，BMR为人体基础代谢率，可通过现有文献获得，例如可通过表2查 得：
表2人体基础代谢率表[kJ/(m2·h)]
年龄(岁) 男 女 年龄(岁) 男 女 年龄(岁) 男 女
1～ 221.8 221.8 17～ 170.7 151.9 50～ 148.8 139.7
3～ 214.6 214.2 19～ 164.0 148.5 55～ 148.1 139.3
5～ 206.3 202.5 20～ 161.5 147.7 60～ 146.0 136.8
7～ 197.9 200.0 25～ 156.9 147.3 65～ 143.9 134.7
9～ 189.1 179.1 30～ 154.0 146.9 70～ 141.4 132.6
11～ 179.9 175.7 35～ 152.7 146.4 75～ 138.9 131.0
13～ 177.0 168.6 40～ 151.9 146.0 80～ 138.1 129.3
15～ 174.9 158.8 45～ 151.5 144.3
注：1kJ＝0.239kcal
参考文献：葛可佑等.中国营养科学全书[M].北京：人民卫生出版社，2004：17.
所述骑行过程中人体的总能量消耗值占所述预设食物的热量的百分比可通 过下式计算：
其中，X表示所述骑行过程中人体的总能量消耗值占所述预设食物的热量的 百分比，E总表示骑行过程中人体的总能量消耗值，E预设表示所述预设食物的热 量。
所述预设食物的热量可通过下式计算：
E预设＝E1×M
其中，E预设表示所述预设食物的热量，E1表示某预设食物单位重量热量值，M表示某预设食物重量。
预设食物单位重量热量值可通过现有技术获得，例如，每100克面包的热量 值(E1)为1149.5kJ(参见表1)。
所述骑行过程中人体的总能量消耗值占全天摄入总能量的百分比可通过下 式计算：
其中，Y表示所述骑行过程中人体的总能量消耗值占全天摄入总能量的百分 比，E总表示骑行过程中人体的总能量消耗值，E全天表示全天摄入总能量。
全天摄入总能量计算方法可参考现有文献，例如可根据《中国居民膳食营养 素参考摄入量(2013版)》中国居民膳食能量需要量(EER)。具体地，不同年 龄、不同性别、轻体力活动水平人群，可通过表3查得：
表3中国居民膳食能量需要量(EER)
注：未制定参考值者用“—”表示。
参考文献：中国居民膳食营养素参考摄入量(2013版)[M]，中国营养学会编著，北京： 科学出版社，2014：652.
若想消耗完所述预设食物的热量，还需骑行时间(T余)可通过下式计算：
T余＝(E全天-E总)/(P骑+P基础)
本发明中，若无特殊指明，所述热量与能量的含义相同。
有益效果：
本发明围绕系统营养“吃动平衡”，开发出一套展示食物摄入与能量代谢关 系的互动体验系统，让公众直观、可视化地切身感受吃进去的食物是如何代谢消 耗的，进一步理解能量代谢的意义，为公众提供了全新的健康科普体验。
附图说明
图1为本发明展示食物摄入与能量代谢关系的互动体验系统的结构示意图；
图2为采用本发明系统的互动体验流程示意图。
图3-图5分别为图2中A-H的局部放大图。
图6本发明展示食物摄入与能量代谢关系的互动体验系统的实物照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例 用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安 装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸 连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也 可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况 理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明展示食物摄入与能量代谢关系的互动体验系统包括：单 车1，速度传感器(图1中未示出)，阻力传感器(图1中未示出)，计时器(图 1中未示出)，显示设备2，终端设备3；所述单车包括单车本体11、主动轮12。
进一步地，所述互动体验系统还包括速度比较器(图1中未示出)，所述速 度比较器与所述速度传感器连接。
进一步地，所述单车还可包括被动轮13，车把14，脚踏板15，车座16，固 定架17等。
在本发明一种具体实施方式中，为节约成本，可将所述单车的骑行阻力(F 阻)设为定值，这样可以省略阻力传感器。所述终端设备预存储已设为定值的骑 行阻力(F阻)，根据公式P骑＝F阻×V可直接计算出骑行功率，继而计算出骑行过 程中的运动能量消耗值。
各部件之间的连接关系及其作用参见上文。
如图1-图5所示，上述互动体验系统的一种具体操作说明如下
1)系统启动：按下显示设备(或终端设备)背面左下方金属按钮，一键启 动。
2)输入信息：点击终端设备任意处进入信息输入界面，移动滚动条，依次 选择年龄、性别、身高、体重。
3)选择食物：点击终端设备选择喜爱的食物，终端设备会显示摄入1份(100g) 该食物的能量值。
4)准备骑行：调整单车座椅到合适高度坐好，脚踩踏板，手扶车把，注意 看显示设备提示，准备骑行。
5)骑行时间T(例如180秒)：在最短时间内完成加速过程，之后尽量保持 匀速骑行，调整呼吸，如有不适，及时停止体验，注意安全。骑行过程中显示设 备会显示能量消耗数值、进度条及倒计时。
6)骑行结束，显示设备会显示以下数据：
a)本次骑行的能量消耗值；
b)该能量消耗值占摄入所选食物总能量的百分比；
c)该能量消耗值占全天摄入总能量的百分比；
d)若想消耗完所选食物的全部能量，还需骑行运动多长时间。
如图1-图5所示，上述互动体验系统的一种体验方法如下：
体验者在触摸屏输入身高、体重、性别、年龄，并选择摄入某一预设食物后， 终端设备计算出需要消耗该食物的热量，通过速度传感器得出骑行过程中的速度 值，再换算为骑行功率(P骑＝F阻×V)，设定体验时间为T(例如180秒)，进而 得出骑行过程中的运动能量消耗值(E骑＝P骑×T)，以及总能量消耗值(E总＝E骑 +E基础)。
骑行时，大显示屏倒计时T(例如180秒)，并且实时显示运动能耗值，并 以指示灯的形式模拟显示能耗进度，这样可以清晰地模拟出运动过程中能够消耗 多少热量，T时间(例如180秒)体验结束后，显示设备显示本次骑行的能量消 耗、占预设食物的能量比例、占全天能量的摄入比例、如需消耗完预设食物的能 量还需要骑行的时间。结合上述能量代谢互动体验设施，让体验者进一步理解“吃 动平衡”的意义。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述， 但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显 而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于 本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种展示食物摄入与能量代谢关系的互动体验系统，其特征在于，包括：单车，速度传感器，阻力传感器，计时器，终端设备，显示设备；
所述单车包括单车本体、主动轮；
所述速度传感器与所述主动轮连接；所述速度传感器用于获取骑行速度，并向所述终端设备发送所述骑行速度；
所述阻力传感器与主动轮连接；所述阻力传感器用于获取骑行阻力，并向所述终端发送所述骑行阻力；
所述计时器用于获取骑行时间，并向所述终端设备发送所述骑行时间；
所述终端设备用于根据所述骑行速度、所述骑行阻力和所述骑行时间，计算出骑行过程中的运动能量消耗值；
所述终端设备还用于接收输入的体验者身高、体重、性别、年龄参数，并根据输入的体验者身高、体重、性别、年龄参数计算出骑行过程中人体的总能量消耗值；
所述终端设备还用于接收输入的预设食品的种类及重量，计算出需要消耗该预设食物的热量；
所述显示设备与所述终端设备连接；所述显示设备用于接收并显示所述终端设备发出的信号；
所述显示设备至少显示骑行过程中人体的总能量消耗值以及显示骑行过程中人体的总能量消耗值占所述预设食物的热量的百分比。
2.根据权利要求1所述的互动体验系统，其特征在于，所述互动体验系统还包括速度比较器，所述速度比较器与所述速度传感器连接，所述速度比较器将特定人群的安全骑行速度设为标准值，所述速度比较器将所述速度传感器检测到的所述骑行速度与预设的安全骑行速度进行比较，如果经判断所述骑行速度超过或即将超过预设的安全骑行速度时，则所述速度比较器向所述终端设备发出信号，启动警报。
3.根据权利要求1或2所述的互动体验系统，其特征在于，所述单车还包括被动轮，所述被动轮与所述主动轮通过传送件连接；和/或，
所述单车还包括车把，所述车把固定设置在单车本体上；和/或，
所述单车还包括脚踏板，所述脚踏板与所述主动轮通过转轴连接；和/或，
所述单车还包括车座。
4.根据权利要求1-3任一项所述的互动体验系统，其特征在于，所述显示设备为虚拟现实设备，包括虚拟现实头盔、虚拟现实眼镜。
5.根据权利要求1-4任一项所述的互动体验系统，其特征在于，所述显示设备还显示骑行过程中人体的总能量消耗值占全天摄入总能量的百分比；和/或，
所述显示设备还显示若想消耗完所述预设食物的热量，还需要的骑行时间；和/或，
所述显示设备还实时显示所述骑行速度。
6.一种利用权利要求1-5任一项所述互动体验系统展示食物摄入与能量代谢关系的方法，其特征在于，包括：
向所述终端设备输入体验者的身高、体重、性别、年龄参数；
向所述终端设备输入预设食品的种类及重量，通过所述终端设备计算出需要消耗该预设食物的热量；
体验者在所述单车上进行骑行；
通过所述速度传感器获取骑行速度及通过所述计时器获取骑行时间，并向所述终端设备发送所述骑行速度及骑行时间；
通过所述终端设备根据所述骑行速度和所述骑行时间计算出骑行过程中的运动能量消耗值；
通过所述终端设备根据所输入的体验者身高、体重、性别、年龄等参数计算出骑行过程中人体的总能量消耗值；
通过显示设备显示本次骑行过程中人体的总能量消耗值以及显示所述骑行过程中人体的总能量消耗值占所述预设食物的热量的百分比。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述显示设备还：显示骑行过程中人体的总能量消耗值占全天摄入总能量的百分比；显示若想消耗完所述预设食物的热量，还需骑行时间及骑行速度；实时显示骑行速度；实时显示骑行过程中能量消耗值中的任一种或几种。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，还包括：向所述终端设备输入体验者的身高、体重、性别、年龄参数，通过所述终端设备根据输入的体验者身高、体重、性别、年龄参数以及所输入的预设食物的热量，计算出在设定体验时间欲消耗所述预设食物的热量所需的骑行速度。
9.根据权利要求6-8任一项所述的方法，其特征在于，还包括：在所述显示设备上显示所述设定体验时间的倒计时，实时显示运动能量消耗值，并以数字或指示灯或进度条形式模拟显示能量消耗进度，以清晰地模拟出运动过程中能够消耗多少热量；设定体验时间体验结束后，显示设备显示本次骑行过程中的运动能量消耗值；所述运动能量消耗值占所述预设食物的热量的百分比；所述运动能量消耗值占全天摄入总能量的百分比；若想消耗完所述预设食物的热量，还需要的骑行时间。
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