吳巖印，徐宏偉，駱芝英，劉俊松，張　舜，王　群

海勤人員運動量監(jiān)測記錄裝置的設計

吳巖印，徐宏偉，駱芝英，劉俊松，張舜，王群

目的：研究一種用于監(jiān)測海勤人員體能訓練運動量情況的便攜式裝置。方法：該裝置由控制組件、晶振時鐘、按鈕、3D加速度傳感器和有機發(fā)光二極管（organic light-emitting diode，OLED）顯示屏組成。數(shù)據(jù)監(jiān)測包括與健身器械配套使用和單獨使用2個模式，通過USB接口與個人計算機（personal computer，PC）端傳輸數(shù)據(jù)。結果：樣機完成后經(jīng)過反復測試，基本達到了設計要求，成功實現(xiàn)了參訓人員運動量的采集與監(jiān)測。結論：該裝置能夠對海勤人員的體能訓練目標執(zhí)行情況進行有效記錄與評估，提升其體能訓練的質量及軍事作業(yè)的完成能力。

海勤人員；運動量監(jiān)測；體能訓練

0　引言

活躍在航空航天和航海領域的軍事飛行、潛艇與潛水人員面臨著復雜而特殊的作業(yè)環(huán)境，繁重而多變的軍事任務要求他們不但要具備較強的體能，而且還要具有適應航空航天和航海水下作業(yè)環(huán)境及武器裝備要求的專項體能，這種能力形成的最佳途徑為訓練[1]。海勤人員在海上作業(yè)時間過長、運動量不足、受訓條件限制等方面的問題，是執(zhí)行長遠航任務面臨的主要挑戰(zhàn)。因此，結合海勤人員體能訓練的特點，研制一種準確、便攜、低成本的運動量監(jiān)測裝置，實現(xiàn)在運動或訓練現(xiàn)場進行實時監(jiān)測，隨時記錄官兵每日的運動量，從而將運動化整為零，且使運動在多個地點都可以進行，再將相應的記錄數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳遞到專業(yè)后勤保障機構，由專家對官兵進行個性化指導和考核，很好地解決海勤人員的正常身體鍛煉問題。

1　記錄裝置設計

本研究硬件要解決的技術問題是提供一種海勤人員運動量監(jiān)測記錄裝置，該裝置不但具有加速度傳感器計步器的功能，還可以方便地識別運動器械，采集運動數(shù)據(jù)，并能將數(shù)據(jù)上傳到個人計算機（personal computer，PC）。樣機設計外形如圖1所示。

圖1　樣機外觀

1.1結構設計

為了解決上述技術問題，海勤人員運動量監(jiān)測記錄裝置設計包括控制組件、晶振時鐘、按鈕、3D加速度傳感器和有機發(fā)光二極管（organic light-emitting diode，OLED）顯示屏。

控制組件包括與電源模塊相連的數(shù)據(jù)存儲器、中央處理器、A/D轉換模塊、濾波模塊和驅動模塊。中央處理器與數(shù)據(jù)存儲器、A/D轉換模塊和驅動模塊相連；濾波模塊的一端與A/D轉換模塊相連，另一端與3D加速度傳感器相連；OLED顯示屏與驅動模塊相連；晶振時鐘和按鈕均與中央處理器相連?？刂平M件還包括接口電路模塊，其與中央處理器、電源模塊和USB接口相連。

1.2硬件組成

裝置的連接關系如圖2所示，包括控制組件、晶振時鐘、按鈕、3D加速度傳感器、OLED顯示屏和USB接口。

圖2　裝置連接關系示意圖

1.3重要部件

該裝置選用3D加速度傳感器，其為一種能夠測量三維空間（X、Y、Z）加速度的電子設備，能最大程度地避免各種信號干擾，從而獲得三維空間上的加速度數(shù)據(jù)。實際使用時，可將3D加速度傳感器隨意放置在人體任何位置。人體在運動過程中產生的3軸（X、Y、Z）上的運動或傾斜會引起3D加速度傳感器內的活動硅結構少量位移，之后3D加速度傳感器會將檢測到的上述位移傳遞到控制組件，最終在OLED顯示屏進行相應的顯示。

在本裝置中，晶振時鐘、按鈕、3D加速度傳感器、OLED顯示屏、USB接口均能通過市購的方式獲得，控制組件內的各項模塊也能通過市購的方式獲得，例如：3D加速度傳感器采用Analog Devices Inc的A DXL345BCCZ型號；中央處理器采用深圳宏晶科技有限公司生產的STC12C5A60S；接口電路模塊采用Cypresssemiconductorcorporation生產的CY7C68013。

2　裝置應用

實際使用時，將3D加速度傳感器置于人體上，可對中央處理器發(fā)出各種指令，例如“檢測”或“傳輸數(shù)據(jù)”；晶振時鐘負責向中央處理器提供相應的時間信息，例如各種運動的起始和結束時間。每個不同的健身器械插座設置不同的電阻值，相對應的，在數(shù)據(jù)存儲器內預先存儲有不同健身器械插座電阻所對應的電壓值?？赏ㄟ^USB接口實現(xiàn)與健身器械插座相連。

2.1數(shù)據(jù)監(jiān)測

2.1.1與其他健身器械配套使用

當USB接口插入健身器械插座時，健身器械插座上的電阻和接口電路模塊中的固定電阻串聯(lián)，不同的電阻會形成不同的電壓，中央處理器內的A/D端將此電壓值轉化為數(shù)字信號，并調取數(shù)據(jù)存儲器內的電壓值進行比對，從而識別出是什么健身器械，然后自動進入該器械的測量模式。

人體在運動過程中產生的3軸（X、Y、Z）上的運動或傾斜會引起3D加速度傳感器內的活動硅結構少量位移。3D加速度傳感器將監(jiān)測到的關于位移量的信息傳遞給濾波模塊，經(jīng)過濾波模塊濾波處理后的信號進一步傳遞給A/D轉換模塊，A/D轉換模塊負責將模擬信號轉化為數(shù)字信號；中央處理器根據(jù)接收到的該信號和從晶振時鐘處獲得的時間信息，計算出關于人體的實時運動強度、速度的數(shù)據(jù)，并將上述數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)存儲器內的相應健身器械名下。數(shù)據(jù)存儲器以天為單位存儲上述數(shù)據(jù)。

中央處理器通過驅動模塊使OLED顯示屏工作，從而將上述計算所得的數(shù)據(jù)（包括所對應的健身器械的名稱）在OLED顯示屏上進行顯示，顯示內容包括步數(shù)、能量消耗量、有效鍛煉時間、目標完成率、健身器械名稱和運動量等。

2.1.2單獨使用

由于USB接口不外接健身器械，因此接口電路模塊不傳遞相應的信息給中央處理器，中央處理器自動默認此時進行的是加速度傳感器計步器的工作。單獨使用和與健身器械配套使用的工作流程大體相同，只是最后OLED顯示屏上顯示的內容有變，主要為人體的有效步數(shù)、能量消耗、運動時間、運動速度和行走距離等。

2.2數(shù)據(jù)傳輸

當中央處理器收到相應的傳輸數(shù)據(jù)指令且USB接口插入PC后，中央處理器負責調取數(shù)據(jù)存儲器內的數(shù)據(jù)，并通過相互配套的接口電路模塊和USB接口將數(shù)據(jù)向外傳輸，例如傳輸至PC端軟件，再進一步上傳到網(wǎng)絡服務器。

3　討論

軍事體能訓練效果評定在國內外雖有很多研究報道，但運用到實際工作中有較多的缺陷，也沒有統(tǒng)一的方法及標準，如前蘇聯(lián)最常見的C JletyHoB氏法負荷量大、檢查時間長，評定標準不易控制，不能確切反映身體功能狀況和訓練效果。目前，國內的研究主要著眼于常規(guī)條件下的體能運動方法，對特殊條件下的體能訓練方法研究較少。體能訓練監(jiān)測效果主要采取血液指標監(jiān)測，存在有創(chuàng)性[2-3]。研究主要基于人工測量，以問卷調查推測身體活動中消耗的能量（physical activity energy expenditure，PAEE）的方法準確性較低，需要配合客觀準確的PAEE測量方法使用，應用有一定的局限性，不適合大樣本人群的使用[4]。與上述PAEE測量方法相比，較為簡便的人體運動測量一般是用加速度計實現(xiàn)的，兼具準確性高、攜帶方便、性價比高等優(yōu)點[5]。加速度計在

（????）（????）能量代謝檢測中已被廣泛使用[6]，對日常體力活動的測量效度較高[7]。國內已有以加速度計為運動量采集模式的野戰(zhàn)作訓體能消耗測試儀的研制[8]，但是針對海勤人員體能訓練特點的監(jiān)測裝置設計還未有報道。

海勤人員運動量監(jiān)測記錄裝置樣機完成后，選取了來我院療養(yǎng)的3個批次共311人次的海勤人員，在其1個月療養(yǎng)期間內的繼續(xù)體能訓練過程中對該裝置進行了應用測試。利用該裝置記錄下官兵療養(yǎng)期間的每日運動量，實現(xiàn)了運動量的采集、儲存和傳輸?shù)囊螅瓿闪嗽簝券燄B(yǎng)期間體能訓練數(shù)據(jù)的監(jiān)測和保存，為下一步海勤人員體能訓練量的量化管理提供了科學依據(jù)。

未來該裝置可與其他體能訓練生理、生化參數(shù)監(jiān)測[9-10]配合使用，將相應的記錄數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳遞到專業(yè)的部隊后勤保障機構，成為部隊健康管理大數(shù)據(jù)平臺的體能監(jiān)測項目數(shù)據(jù)之一，由專家結合官兵的健康檔案，進行個性化指導和考核，實現(xiàn)官兵正常身體鍛煉的記錄及效果評估問題。

[1]高永喜，張明月.海勤人員軍事體能訓練教程[M].北京:人民軍醫(yī)出版社，2010:350.

[2]呼文亮，雷志勇.平原和高原戰(zhàn)士耐力跑后部分生化指標的改變[J].解放軍預防醫(yī)學雜志，2007，25（3）:190-191.

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[4]屈寧寧，李可基．國際體力活動問卷中文版的信度和效度研究[J]．中華流行病學雜志，2004，25（3）:265-268．

[5]張虎軍，張楠楠.人體運動監(jiān)測技術的發(fā)展與應用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2011，32（8）:83-85.

[6]吉喆，崔玉鵬.加速度計在能量代謝檢測中的應用現(xiàn)狀[J].中國運動醫(yī)學雜志，2012，31（9）:839-843.

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[10]程洪海，宋立新，張磊，等.武警戰(zhàn)士新訓期體能訓練課生理負擔量及尿蛋白評測[J].武警醫(yī)學院學報，2009，18（6）:481-483.

（收稿：2014-05-22修回：2014-09-13）

Design of exercise quantity monitoring and recording device for navy serviceman

WU Yan-yin,XU Hong-wei,LUO Zhi-ying,LIU Jun-song,ZHANG Shun,WANG Qun
(Naval Convalescent Section,Hangzhou Sanatorium of Nanjing Military Area Command,Hangzhou 310002,China)

Objective To develop a portable device to monitor and record the exercise quantity of navy serviceman. Methods The device was composed of control components,a oscillator clock,buttons,3D acceleration sensor and a organic light-emitting diode(OLED)screen.The monitoring involved in two modes of exclusive use and use combined with exercise apparatus.The device could be connected with PC for data transmission through USB interface.Results Trials proved that the device met the desired requirements and could be used for the data acquisition and monitoring of the exercise quantity of the serviceman.Conclusion The device can record and evaluate the physical fitness training of navy serviceman.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（5）：47-48，69]

navy serviceman;exercise quantity monitoring;physical fitness training

[中國圖書資料分類號]R318；TS736.2；R821A

1003-8868（2015）05-0047-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.047

南京軍區(qū)醫(yī)藥衛(wèi)生科研項目面上課題（MS147）

專利：國家實用新型專利（ZL 201220511857.6）

吳巖?。?966—），男，主任醫(yī)師，主要從事特勤療養(yǎng)管理方面的研究工作。

310002杭州，南京軍區(qū)杭州療養(yǎng)院海勤療養(yǎng)區(qū)（吳巖印，徐宏偉，駱芝英，劉俊松，張舜，王群）

徐宏偉，E-mail:364494760@qq.com