健身計(jì)步器研究綜述

苗子蕊　吉麗娜

摘要：步行或者跑步等健身運(yùn)動(dòng)是一種大眾健身和鍛煉身體的很好方式，研究證明在合適的步數(shù)和步頻參數(shù)下，健身效果比較明顯。目前主流的記錄步數(shù)和步頻的工具就是健身計(jì)步器，包括可穿戴式運(yùn)動(dòng)手環(huán)、基于智能手機(jī)的運(yùn)動(dòng)APP等，本文分析了計(jì)步器的多個(gè)方面研究成果并提出一些需要改進(jìn)的建議加以研究。

關(guān)鍵詞：跑步；健身；計(jì)步器

中圖分類號：G819 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）11-0263-02

Overview of Fitness Pedometer Research

MIAO Zi-rui， JI Li-na

（School of Physical Education， ZunyiNormal College， Zunyi 563006， China）

Abstract：Exercise such as walking or running is a great way to get fit and exercise.The results show that the fitness effect is obvious in the appropriate number of steps and frequency parameters.Currently， the main tools for recording steps and steps are fitness pedometers， including wearable sports bracelets and mobile apps based on smart phones.This paper analyzes several aspects of the pedometer and puts forward some suggestions for improvement.

Key words： running； fitness； pedometer

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步發(fā)展，人們生活水平和質(zhì)量要求的逐漸提高，身體健康和健身運(yùn)動(dòng)的問題越來越受到普通大眾的關(guān)注。然而在快節(jié)奏的生活和工作壓力以及激烈的社會(huì)競爭下，很多人都呈現(xiàn)出亞健康狀態(tài)并且沒有太多的時(shí)間去專業(yè)健身房參加健身運(yùn)動(dòng)或訓(xùn)練。長距離步行或者跑步等健身運(yùn)動(dòng)是一種大眾健身和鍛煉身體的很好方式，記步器在這種流行運(yùn)動(dòng)方式下應(yīng)運(yùn)而生，然而計(jì)步器的數(shù)值對運(yùn)動(dòng)效果的相關(guān)性以及不同的計(jì)步器效果差距較大，本文對此展開研究。

1 步數(shù)與運(yùn)動(dòng)量的關(guān)系

國際著名的德國醫(yī)學(xué)專家赫爾曼教授的研究成果表明：走路或者慢跑運(yùn)動(dòng)能夠有效地提高供氧能力，數(shù)據(jù)顯示能夠比靜坐時(shí)多8至12倍，因此，慢跑是保持健康的最好手段之一，特別是運(yùn)動(dòng)條件和氛圍不是太理想的普通大眾。近幾年的科學(xué)研究已證明，跑步運(yùn)動(dòng)對身體健康具有諸多的有益作用，例如可以增加人體血液流動(dòng)，氧氣的在血液中的輸送能力得到提高；可以增強(qiáng)肺部功能，提高肺活量以及吸入氧氣的能力；能夠改善心臟活動(dòng)功能，預(yù)防心臟病等突發(fā)癥狀，強(qiáng)大心肌的力量，提高心肌血液的供應(yīng)能力；可以增加人體骨質(zhì)的密度，預(yù)防骨質(zhì)疏松等常見疾病[1]。

針對每天步行多少步數(shù)的研究問題，日本學(xué)者Hatano博士提出的10000步參考數(shù)值，國內(nèi)戴劍松等學(xué)者的應(yīng)用計(jì)步器測量日常體力活動(dòng)的研究論文表明30分鐘/天的中等強(qiáng)度體力活動(dòng)基本能實(shí)現(xiàn)10000步的目標(biāo)，達(dá)到良好的運(yùn)動(dòng)效果。美國運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)會(huì)（ASCM）和美國疾控中心（CDC）早期的研究成果也表明，跑步運(yùn)動(dòng)對于糖尿病的康復(fù)具有一定的效果，因此建議具有糖尿病的患者能夠做到日行萬步的運(yùn)動(dòng)量[2，3]。

因此，只要在合適的運(yùn)動(dòng)步數(shù)和步頻參考數(shù)值下進(jìn)行走路或者跑步，可以達(dá)到良好的運(yùn)動(dòng)量和能耗效果，從而各種智能計(jì)步器應(yīng)運(yùn)而生。

2 計(jì)步器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

跑步計(jì)步器一種計(jì)量工具，主要作用是運(yùn)用科學(xué)的技術(shù)手段來計(jì)算運(yùn)動(dòng)量的有效數(shù)值，避免少量或者過量的運(yùn)動(dòng)，除了單一的統(tǒng)計(jì)步數(shù)外，還有統(tǒng)計(jì)和計(jì)算行走距離、速度、時(shí)間、步頻等數(shù)據(jù)，擴(kuò)展功能有測算卡路里或熱量消耗。

2.1計(jì)步器的發(fā)展

意大利的倫納德·達(dá)芬奇醞釀的計(jì)步器是有史記載的最早的計(jì)步器，而現(xiàn)存最早的計(jì)步器則是在他之后的1667年制造的。在亞洲，最早的計(jì)步器是由日本的Gcn.naiHiraga于1755年制造而成。在很長的一段時(shí)間內(nèi)，由于很多人并不清楚計(jì)步器的功能和用途，所以它并未被廣泛使用，這說明軟硬件的發(fā)明創(chuàng)造只有能夠被人們所使用才能發(fā)揮其作用。日本人使用計(jì)步器已經(jīng)50多年的歷史，主要用于體育運(yùn)動(dòng)和分析記錄行走步調(diào)。1965年，計(jì)步器正式進(jìn)入日本商用市場，并被命名為manpo-meter（manpo的日語含義是10000步）。此時(shí)的計(jì)步器設(shè)計(jì)原理較為簡單，通過機(jī)械原理和構(gòu)造而成，利用擺鐘原理作為記步的主要方法，采取加重的機(jī)械開關(guān)來檢測是否邁動(dòng)步伐，裝置內(nèi)附加了一個(gè)簡單的計(jì)數(shù)器。之后的很多年，取代機(jī)械式計(jì)步器的是電子式裝置。目前已經(jīng)流行智能計(jì)步器，包括可穿戴式的計(jì)數(shù)設(shè)備或基于智能手機(jī)的一些應(yīng)用，除了步數(shù)的數(shù)值之外還提供其他體質(zhì)參數(shù)的運(yùn)算和估計(jì)參考值，極大地增添了運(yùn)動(dòng)帶來的科學(xué)和樂趣。

2.2 計(jì)步器的分類

2.2.1 可穿戴式手環(huán)

目前市場上廣為使用的可穿戴式手環(huán)主要是腕帶式，保留了傳統(tǒng)的計(jì)步功能外，很多額外的體質(zhì)參數(shù)監(jiān)測模塊被嵌入到設(shè)備中，這類產(chǎn)品的研究和生產(chǎn)主要集中于國內(nèi)外的一些運(yùn)動(dòng)科技公司。國外的智能手環(huán)品牌如Basis Carbon steel、Fitbit、Magellan Echo、Jawbone、Runtastic Orbit、Garmin Vivofit、Misfit Shine、Nike+ fuelband等，可以監(jiān)測心率、汗水率、睡眠狀況以及皮膚溫度，同時(shí)可以自動(dòng)判斷用戶是在走路、跑步、停止或是騎行，實(shí)時(shí)分析用戶運(yùn)動(dòng)水平并進(jìn)行提醒，功能比較齊全。國內(nèi)的智能手環(huán)主要有IT科技巨頭公司如華為、小米等公司的科技產(chǎn)品，包括計(jì)步、行走或跑動(dòng)距離、步頻、行走速度、睡眠監(jiān)測和久坐提醒等功能，除此之外，由于通過藍(lán)牙模塊連接了智能手機(jī)，因而增加了諸如來電提醒、配用手機(jī)屏幕解鎖、振動(dòng)鬧鐘和免密支付等特色功能。可穿戴式手環(huán)的基本功能實(shí)現(xiàn)硬件原理圖如圖1所示[4，5]。

2.2.2 智能手機(jī)APP

基于智能手機(jī)操作系統(tǒng)和軟硬件設(shè)計(jì)的APP已經(jīng)占據(jù)了跑步計(jì)步工具的大部分市場。耐克作為國外的知名運(yùn)動(dòng)品牌，旗下所開發(fā)的Nike+ Running智能手機(jī)應(yīng)用軟件，能夠?qū)⑴懿骄€路、目標(biāo)完成進(jìn)度等參數(shù)顯示在界面上，提升運(yùn)動(dòng)者跑步的樂趣。同時(shí)，該應(yīng)用軟件使用 GPS 定位技術(shù)記錄時(shí)間、距離、速度和卡路里的消耗值，并且提供語音播報(bào)和反饋功能，自動(dòng)上傳到公司云平臺存儲(chǔ)，供使用者瀏覽自己的跑步記錄、路線和所在地的海拔數(shù)值。

國內(nèi)的有咕咚智能運(yùn)動(dòng)、春雨計(jì)步器、動(dòng)動(dòng)計(jì)步器、樂動(dòng)力和去運(yùn)動(dòng)等，這些基于Android、iOS或者Windows phone等智能手機(jī)操作系統(tǒng)的APP幾乎都會(huì)以手機(jī)內(nèi)置的很多傳感器等硬件模塊開發(fā)應(yīng)用功能，基于GPS和北斗衛(wèi)星定位技術(shù)，可以在室外環(huán)境下精確追蹤運(yùn)動(dòng)路線?？梢詫?shí)時(shí)監(jiān)測時(shí)速、配速、完成運(yùn)動(dòng)用時(shí)、界面顯示實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況、查閱歷史記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，同時(shí)將這些信息分享到自己的朋友圈或者社交網(wǎng)絡(luò)。

2.2.3 運(yùn)動(dòng)品牌公司智能鞋

國外諸如耐克和阿迪達(dá)斯運(yùn)動(dòng)品牌公司都曾做過相關(guān)的研究和制造，最早的智能鞋由阿迪達(dá)斯北美總部的科學(xué)家克里斯琴.帝本內(nèi)托領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)小組從2001年初開始研制，這種智能鞋內(nèi)置微處理器芯片和智能模塊，具有調(diào)整適應(yīng)襯墊的作用。阿迪達(dá)斯公司的產(chǎn)品Adidas 1是世界上第一款采用傳感器的運(yùn)動(dòng)鞋，傳感器能夠?qū)π拥谋苷鹣到y(tǒng)進(jìn)行精確的檢測，檢測精度很高，檢測范圍較大。智能鞋內(nèi)嵌的單片機(jī)以10000次/s的運(yùn)算速度計(jì)算分析檢測到的模擬數(shù)據(jù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果驅(qū)動(dòng)微型電機(jī)來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)鞋內(nèi)的避震系統(tǒng)，提供最佳的緩沖效果，內(nèi)置微型電池模塊可以保證100小時(shí)電量供應(yīng)。另一家耐克公司的Nike+智能運(yùn)動(dòng)鞋則結(jié)合內(nèi)置的傳感器和Nike+同名應(yīng)用軟件，能夠追蹤用戶的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)路線等，早期只開發(fā)了基于iPhone手機(jī)的iOS APP，目前已經(jīng)擴(kuò)展有Android 的APP。

國內(nèi)如運(yùn)動(dòng)品牌公司李寧和IT科技公司小米聯(lián)合推出的智能概念運(yùn)動(dòng)鞋，鞋內(nèi)配置了軍用級運(yùn)動(dòng)傳感器芯片，能夠記錄用戶的運(yùn)動(dòng)時(shí)間、步數(shù)、速度、路徑軌跡、消耗卡路里等，具有超高的防水級別和超長的電池使用時(shí)間。該產(chǎn)品的特色之處是采用了基于小米手環(huán)的大數(shù)據(jù)分析算法，可以實(shí)時(shí)連接到小米運(yùn)動(dòng)APP進(jìn)行記錄和顯示。

3 計(jì)步器精確性研究

3.1 計(jì)步器的算法

目前大多數(shù)的穿戴式手腕計(jì)步器均使用加速度傳感器來感知和測量步數(shù)（有的產(chǎn)品會(huì)配備重力感應(yīng)器作為補(bǔ)充協(xié)作），算法根據(jù)三軸加速度傳感器的空間位置變化，計(jì)算并模擬出各自的空間曲線，依照加速度傳感器感應(yīng)到的兩次波峰波谷之間的時(shí)間間隔來判定是行走狀態(tài)或是其他狀態(tài)。如果在較短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了連續(xù)波峰，就可以判斷為行走狀態(tài)，如果是兩次波峰出現(xiàn)的時(shí)間間隔超出一定的數(shù)值就判斷為靜止?fàn)顟B(tài)。通過濾波處理，屏蔽輕微和初始狀態(tài)的一些干擾可以提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，可以調(diào)整參數(shù)來適配不同硬件的傳感器差異，提升魯棒性[6，7]。

基于智能手機(jī)的APP應(yīng)用開發(fā)而言，Google公司推Step Counter Sensor接口，由內(nèi)置的硬件或操作系統(tǒng)程序計(jì)算步數(shù)的變化，簡化了應(yīng)用程序的開發(fā)工作。程序開發(fā)人員只需要遵照已實(shí)現(xiàn)的算法讀取計(jì)步傳感器的參數(shù)值， 與本地緩存數(shù)值匹配，判斷步數(shù)的增加與否。在屏幕關(guān)閉時(shí)，啟動(dòng)Batch Mode模式，配合協(xié)處理器，延遲獲取數(shù)值，節(jié)約電量。該算法可以自適應(yīng)地在加速度傳感器和計(jì)步傳感器兩種狀態(tài)間進(jìn)行切換，以適應(yīng)斷電和關(guān)屏幕關(guān)閉時(shí)的問題。

3.2 存在的一些問題

問題1：基于GPS的距離計(jì)算只適用于室外信號良好的路段，對于建筑物或者室內(nèi)等地方不能計(jì)算出運(yùn)動(dòng)距離，更談不上精確度的問題。

問題2：因?yàn)榕懿秸咴谀承r(shí)間段并沒有甩手動(dòng)作或者有甩手動(dòng)作但是并沒有邁腿動(dòng)作，基于加速度傳感器或者重力傳感器等硬件的設(shè)備很難精確記錄運(yùn)動(dòng)的步數(shù)，從而導(dǎo)致社交圈內(nèi)很多曬記錄的人有作假行為，這也變相的說明步頻精準(zhǔn)度差的問題。

4 總結(jié)

綜上所述，走路或者跑步適合大部分人們的體育健身活動(dòng)，智能計(jì)步器可以客觀有效地記錄人們的步數(shù)、行走距離、行走速度和步頻等數(shù)據(jù)，根據(jù)計(jì)步器的目標(biāo)設(shè)置，提醒和監(jiān)督人們參加體育運(yùn)動(dòng)對大眾健康意義深遠(yuǎn)，下一步的研究內(nèi)容應(yīng)該關(guān)于步數(shù)和步頻的精確計(jì)算和記錄工作上。

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