智能穿戴设备中人体运动能耗监测系统的设计和分析.doc

· ·· 西北师范大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 智能穿戴设备概述 智能穿戴设备已经具有悠久的发展历史，在 20 世纪 60 年代就呈现出相当规模的思 想和雏形，具有智能穿戴样式的设备则涌现在 70~80 年代。史蒂夫曼的苹果 II 6502 计 算机原型可穿戴计算机研究与发展是其中的代表[1]。智能穿戴设备伴随着计算机软硬件 标准化和互联网快速发展的进程，设备的样式以多样化呈现，逐渐显示出在工业、医疗、 军事、教育、娱乐和许多其他潜在的应用领域重要的研究价值。 智能穿戴设备的快速发展已经迅速融入了生活的各个方面，它标志着人工智能化的 延深，人们不仅可以使用智能穿戴设备来探寻自身和外部的信息，更可以在计算机，互 联网乃至其他条件的人为帮助下更加高效率的处理内外部信息，能够实现更为无缝的交 流。智能穿戴设备的应用领域能够分为体外进化领域和自我量化领域这两大类[3]。 在体外进化领域中，这种类型的智能穿戴设备拥有帮助用户提高获取信息的感知能 力与处理能力 ，它的应用领域极其广泛，文娱休闲或是信息交流再到行业的整体应用， 用户都能够经过具有各式各样功能的智能穿戴设备来达到本身技能的加强和改进。其中 重要的参与者为各大高新科技公司中的智能手表或者智能眼镜等样式为主体，而不用依 赖其余的外部设备如手机等完成与用户交互的功能。代表性的如谷歌，苹果和麻省理工 学院等。 在自我量化领域中，较常见的分为医疗保健和户外活动健身两大应用领域[1]。在此 前，制造商主要参与医疗便携式设备的检测和处理，血压，心率和提供医疗标志程序化， 形式更加多样，包括医疗服，植入芯片等，代表厂商如 Bottle、First Warning、Nubba、 Philips 等。而后者，制造商主要参与的是户外运动的专业和一些初创企业，以轻型便携 式手镯，手表配件为主要形式，体育锻炼或户外数据如能量消耗，实现心率、频率、压 力、潜水深度和高度指标的监测分析和服务，代表公司如萨贡托、耐克、阿迪达斯、Fitbit 等。 智能穿戴设备的主流产品形态包括以手腕为支撑的 Watch 类（包括手表和腕带等产 品），以脚为支撑的 Shoes 类（包括鞋、袜子或者将来的其他腿上佩戴产品），以头部 为支撑的 Glass 类（包括眼镜、头盔、头带等），以及智能服装、书包、拐杖、配饰等 各类非主流产品形态，智能穿戴设备主流产品佩戴示意图如下图 1.1 所示： 1 万方数据 智能穿戴设备中人体运动能耗监测系统的设计和研究 图 1.1 智能穿戴设备主流产品佩戴示意图 人体运动能耗监测系统研究的背景和意义 伴随着社会的不断进步与科技的快速发展，人们生活水平逐渐升高，同时社会上人 群中的肥胖症、高血压、心脏病以及糖尿病等慢性疾病日益增多给很多人带来了身体和 心理的消极影响。在医学领域中证明，人体不合理饮食产生的营养过剩或者身体中的能 量代谢失衡是导致慢性代谢性病的一个极重要的缘故，因此合理饮食和科学的锻炼是极 其重要的。 对大多数人而言，合理的训练强度能够对人体的日常饮食和能量消耗的平衡起到关 键作用，同时又能够提升人体的身体体能和健康程度。以运动健康品牌的智能穿戴设备， 如运动智能手环在国内外市场大放异彩，深受广大人民的喜爱。 特别是其中能量消耗 监测这一块的功能，对人体健康运动的评估起着至关重要的作用。人体运动是人类行为 的一个重要部分，与健康和疾病有不可分割的关系。比如中等和高强度的锻炼是有益于 人体健康，可以减少患心脏病，癌症和死亡率降低。而当运动强度太高则会导致训练伤 的发生，如各种软骨损伤，韧带和肌腱的结构损伤单元的损伤等。关于运动与健康、 训 练与训练效率之间研究的关键在于如何准确的评价人体运动。人体运动方式的多样化， 运动形式极其复杂，对其正确测量较为困难。所以一套评估人体运动的规范标准 , 一 种客观、准确、可靠的测量系统具有重要的研究意义。 2 万方数据 西北师范大学硕士学位论文 论文的主要内容以及各章节安排 本系统是东南大学科技创业园，南京东大移动互联技术有限公司的一项课题研究， 本人在其公司实习期间参与其中的研发工作。首先通过对课题的需求进行分析，设计并 实现了软硬件平台，完成了对加速度信号的采集、蓝牙 4.0BLE 的协议栈配置和用户端 管理软件的设计，完成了蓝牙传输网络、MSP 处理中心和用户中心三者之间的数据交换 和处理、以及能耗算法的实现。最后将能耗监测系统进行组装测试并对测试结果做了有 效性分析。 本文共分七章，各章主要内容安排如下： 第 1 章，绪论。介绍本课题的研究背景和意义，以及论文的主要内容和各章节的安 排。 第 2 章，人体运动中能量消耗的研究。首先，简单介绍了人体中的能量代谢过程；， 介绍了人体运动中的能量消耗；其次给出了常见的能耗测量方法，最后

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