Abstract: Objective: A smart coach system is designed to let users freely enjoy coaching services and scientifically achieve fitness. Methods: To establish the models which were used to calculate exercise intensity through target heart rate, the data of Harvard-step-test and bicycle experiments of 17 volunteers were collected and specific sport heart-rate models were established for different group (separated into five levels base on cardiorespiratory endurance, 1 in bad level, 3 in less-ordinary level, 3 in ordinary level, 3 in good level, 7 in extremely good level). The Music-sport model also has been built by theoretical derivation, to achieve exercise intensity control by adjusting the music tempo. Finally, we designed a smart coach system, that combined wearable devices, mobile intelligence platform and web technology. Results: The specific sport heart-rate model was more effective in calculating exercise intensity, through target heart rate, than the average sport heart-rate model. In practical verification, subject heart rate was well controlled within the target scale among each phrase. Conclusion: This coach system can effectively help users achieve scientific fitness results. Key Words: Coach system; Heartbeat rol; Sport-heartbeat model; Music-sport model
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技术与应用
生命科学仪器 2015 第13卷/12月刊
age为年龄，I为训练期强度百分比。例如一个40岁成年人，
训练期强度百分比设定为70~80%，则此人训练期理想心率应
介于126~144之间。假如该使用者所在人群的运动心跳模型为
HR=1.2*PPM+50，将126~144带入HR，得到RPM约为每分钟
天内完成，避免时间拉长导致心肺耐力产生过大变化。
1.3.2 实验流程
（1）使用者筛选
使用体育活动准备量表[13]（Physical Activity Readiness
63.3~78.3转左右，将RPM带入式（2）可知：将音乐速度设
为126~156拍，使用者会更容易达到理想心率。
HR=(220-age)*I
（3）
1.3 实验
1.3.1 实验对象与实验装置
通过半年的实验共收集17位男性自愿者数据，所有的自
愿者皆已告知实验内容并签署同意书，平均年龄为22.45±1.66
通常一个完整的运动周期分为三个阶段：暖身期、训练 期和缓和期。各个阶段可以设置不同的运动强度，式（3） 通过设定的运动强度及年龄计算各阶段的目标心率，式中：
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图2 系统架构图 Fig.2 Structure of system
图3 系统工作流程图 Fig.3 Workflow chart of system
岁。采用45公分台阶进行HST[12]测试（如图4(a)所示），利用
原地脚踏车（Monark 839e，如图4(b)所示）进行实验，测验
过程中皆需穿戴心率感测器（miCoach，如图4(c)所示）进行
心率收集。过程中需注意受试者的体能状况，使用者心肺耐
力分级以及运动心跳模型建立不得于同一天进行，但需在15
完两圈的时间就等于每小节演奏完的时间，如此即可引导运
动时的速度，达到目标运动强度。假设目标心率需要转速30
RPM，也就是2秒1转，选择4/4音乐的话，每个音符演奏时间
应为1秒（2秒除以2），则需要推荐的音乐速度等于60拍（1
分钟/1秒）。得到脚踏车转速与音乐节拍数的关系：
BPM=RPM*2
（2）
图1 音乐速度 Fig.1 The tempo of music
1.2 健身教练系统架构与工作流程 1.2.1 系统架构
系统主要由四部分组成（如图2所示）：（1）Web服务 器，提供注册、运动历史浏览、音乐数据库管理、运动心跳 模型和音乐运动模型的实现等功能，可以依据使用者的心肺 耐力等级给予推荐的音乐。（2）智能平台，执行Web服务器 所提供的音乐，同时通过计算运动中即时心率与目标心率差 距来对音乐速度微调，引导使用者的运动速度，使其向目标 心率靠近，并于运动结束后将数据上传到Web服务器。（3） 穿戴式设备， 包括心率感测器和高品质运动耳机。心率感测 器用于对运动者进行实时心率监测，基于蓝牙4.0传输协议设 计。（4）健身设备，脚踏车或者跑步机。 1.2.2 系统工作流程
Design of a Wisdom Coach System
Sun Shangyun1, Lin Zhongzhi2, Wu Shuicai1* (1. College of Life Science and Bio-engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124; 2.Department of Computer Science and Information Engineering,Changgung University ,Taiwan 333)
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一种智慧健身教练系统的研制
孙尚云1，林仲志2，吴水才1*
（1. 北京工业大学生命科学与生物工程学院，北京 100124；2. 台湾长庚大学资讯工程系，台湾 333）
摘要 目的：研制一种智慧健身教练系统，让使用者可以随时随地享受教练服务，达到科学健身效果。方法：通过实 验收集17位自愿者的哈佛登阶(HST)与脚踏车数据，建立不同心肺耐力等级人群（状况分布为不好1人、稍差3人、普通 3人、尚好3人、很好7人）运动强度（脚踏车转速）与心跳模型，实现通过目标心跳推算运动强度；并通过理论推导构 建音乐速度与运动强度模型，实现以调节音乐速度来控制运动强度；最终结合穿戴式设备、移动智能平台以及Web技 术，设计智慧健身教练系统。结果：各人群选择自身对应的运动心跳模型，在不同运动强度下心跳预测效果优于通用 模型预测。测试者使用本系统参加实际健身时，各阶段的心跳都被很好地控制在预先设定的目标区域内。结论：本文 研制的教练系统可以有效地帮助使用者达到科学健身的效果。 关键词 智慧健身；教练系统；心跳控制；运动心跳模型；音乐运动模型
括号内的120是BPM值，表示每分钟演奏120个四分音符，即
每个四分音符的长度等于0.5秒（1分钟除以120等分），1小
节就是2秒长（0.5秒乘以4拍）。BPM的数值越大代表速度越
快。
所有的正规节拍中，每小节第一下为强拍，第三下为
弱强拍，其余节拍为弱拍。因此，如果训练者每次将惯用脚
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都踩在每小节的重拍上（强拍和弱强拍），那么训练者踩踏
音乐速度。
1.1.1 运动心跳模型
运动时的心率难以保持稳定状态，这是由于运动强度及
心肺耐力状况所致。本研究探寻各心肺耐力人群的运动强度
与心跳变化的关系，并建立运动心跳模型。预测心率与运动
强度的关系如式（1），其中HR表示运动心率，Div表示不同
心肺耐力群体差异常数，OnSet为初始化常数，RPM（转/每
合适的运动强度、取得较好的效果。 现今市场上的穿戴式健身教练设备主要通过心跳信号
（如：polar心率表[4]）和加速度信号（如：小米手环[5]）来帮 助使用者实现对运动强度的控制。由于运动心跳是确定运动 负荷强度的理想参数[6,7]，所以通过心跳控制运动强度成为了 一种科学健身的指导方法。这种方法的优点在于实时性强， 使用者可以通过查看及时心率与目标心率的差距来对自己的 运动强度做出调整；缺点在于信号采集不够稳定，易受干 扰，使用者也不可能频繁地查看目标心率达成度，且主观调
* 基金项目：国家自然科学基金 (7151101018) 通讯作者：吴水才，教授，研究方向：生物医学信号与图像处理、生物医学电子与医疗仪器，E-mail：wushuicai@
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整运动强度并不容易。加速度信号则大多用来计步以实现运 动强度的评估[8]，这种方法的优点在于信号采集简单，缺点 是计步的算法不够精确，而且运动强度靠计步累积起来，实 时性不够强。
分）为脚踏车转速，用来表示运动强度。
HR=Div*RPM+OnSet
（1）
1.1.2 音乐运动模型
运动心跳模型可以计算不同心率对应的运动强度，但要