健身计步器研究综述

苗子蕊　吉丽娜

摘要：步行或者跑步等健身运动是一种大众健身和锻炼身体的很好方式，研究证明在合适的步数和步频参数下，健身效果比较明显。目前主流的记录步数和步频的工具就是健身计步器，包括可穿戴式运动手环、基于智能手机的运动APP等，本文分析了计步器的多个方面研究成果并提出一些需要改进的建议加以研究。

关键词：跑步；健身；计步器

中图分类号：G819 文献标识码：A 文章编号：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

随着社会的不断进步发展，人们生活水平和质量要求的逐渐提高，身体健康和健身运动的问题越来越受到普通大众的关注。然而在快节奏的生活和工作壓力以及激烈的社会竞争下，很多人都呈现出亚健康状态并且没有太多的时间去专业健身房参加健身运动或训练。长距离步行或者跑步等健身运动是一种大众健身和锻炼身体的很好方式，记步器在这种流行运动方式下应运而生，然而计步器的数值对运动效果的相关性以及不同的计步器效果差距较大，本文对此展开研究。

1 步数与运动量的关系

国际著名的德国医学专家赫尔曼教授的研究成果表明：走路或者慢跑运动能够有效地提高供氧能力，数据显示能够比静坐时多8至12倍，因此，慢跑是保持健康的最好手段之一，特别是运动条件和氛围不是太理想的普通大众。近几年的科学研究已证明，跑步运动对身体健康具有诸多的有益作用，例如可以增加人体血液流动，氧气的在血液中的输送能力得到提高；可以增强肺部功能，提高肺活量以及吸入氧气的能力；能够改善心脏活动功能，预防心脏病等突发症状，强大心肌的力量，提高心肌血液的供应能力；可以增加人体骨质的密度，预防骨质疏松等常见疾病[1]。

针对每天步行多少步数的研究问题，日本学者Hatano博士提出的10000步参考数值，国内戴剑松等学者的应用计步器测量日常体力活动的研究论文表明30分钟/天的中等强度体力活动基本能实现10000步的目标，达到良好的运动效果。美国运动医学会（ASCM）和美国疾控中心（CDC）早期的研究成果也表明，跑步运动对于糖尿病的康复具有一定的效果，因此建议具有糖尿病的患者能够做到日行万步的运动量[2，3]。

因此，只要在合适的运动步数和步频参考数值下进行走路或者跑步，可以达到良好的运动量和能耗效果，从而各种智能计步器应运而生。

2 计步器国内外研究现状

跑步计步器一种计量工具，主要作用是运用科学的技术手段来计算运动量的有效数值，避免少量或者过量的运动，除了单一的统计步数外，还有统计和计算行走距离、速度、时间、步频等数据，扩展功能有测算卡路里或热量消耗。

2.1计步器的发展

意大利的伦纳德·达芬奇酝酿的计步器是有史记载的最早的计步器，而现存最早的计步器则是在他之后的1667年制造的。在亚洲，最早的计步器是由日本的Gcn.naiHiraga于1755年制造而成。在很长的一段时间内，由于很多人并不清楚计步器的功能和用途，所以它并未被广泛使用，这说明软硬件的发明创造只有能够被人们所使用才能发挥其作用。日本人使用计步器已经50多年的历史，主要用于体育运动和分析记录行走步调。1965年，计步器正式进入日本商用市场，并被命名为manpo-meter（manpo的日语含义是10000步）。此时的计步器设计原理较为简单，通过机械原理和构造而成，利用摆钟原理作为记步的主要方法，采取加重的机械开关来检测是否迈动步伐，装置内附加了一个简单的计数器。之后的很多年，取代机械式计步器的是电子式装置。目前已经流行智能计步器，包括可穿戴式的计数设备或基于智能手机的一些应用，除了步数的数值之外还提供其他体质参数的运算和估计参考值，极大地增添了运动带来的科学和乐趣。

2.2 计步器的分类

2.2.1 可穿戴式手环

目前市场上广为使用的可穿戴式手环主要是腕带式，保留了传统的计步功能外，很多额外的体质参数监测模块被嵌入到设备中，这类产品的研究和生产主要集中于国内外的一些运动科技公司。国外的智能手环品牌如Basis Carbon steel、Fitbit、Magellan Echo、Jawbone、Runtastic Orbit、Garmin Vivofit、Misfit Shine、Nike+ fuelband等，可以监测心率、汗水率、睡眠状况以及皮肤温度，同时可以自动判断用户是在走路、跑步、停止或是骑行，实时分析用户运动水平并进行提醒，功能比较齐全。国内的智能手环主要有IT科技巨头公司如华为、小米等公司的科技产品，包括计步、行走或跑动距离、步频、行走速度、睡眠监测和久坐提醒等功能，除此之外，由于通过蓝牙模块连接了智能手机，因而增加了诸如来电提醒、配用手机屏幕解锁、振动闹钟和免密支付等特色功能。可穿戴式手环的基本功能实现硬件原理图如图1所示[4，5]。

2.2.2 智能手机APP

基于智能手机操作系统和软硬件设计的APP已经占据了跑步计步工具的大部分市场。耐克作为国外的知名运动品牌，旗下所开发的Nike+ Running智能手机应用软件，能够将跑步线路、目标完成进度等参数显示在界面上，提升运动者跑步的乐趣。同时，该应用软件使用 GPS 定位技术记录时间、距离、速度和卡路里的消耗值，并且提供语音播报和反馈功能，自动上传到公司云平台存储，供使用者浏览自己的跑步记录、路线和所在地的海拔数值。

国内的有咕咚智能运动、春雨计步器、动动计步器、乐动力和去运动等，这些基于Android、iOS或者Windows phone等智能手机操作系统的APP几乎都会以手机内置的很多传感器等硬件模块开发应用功能，基于GPS和北斗卫星定位技术，可以在室外环境下精确追踪运动路线。可以实时监测时速、配速、完成运动用时、界面显示实时的运动情况、查阅历史记录、数据统计，同时将这些信息分享到自己的朋友圈或者社交网络。

2.2.3 运动品牌公司智能鞋

国外诸如耐克和阿迪达斯运动品牌公司都曾做过相关的研究和制造，最早的智能鞋由阿迪达斯北美总部的科学家克里斯琴.帝本内托领导一个小组从2001年初开始研制，这种智能鞋内置微处理器芯片和智能模块，具有调整适应衬垫的作用。阿迪达斯公司的产品Adidas 1是世界上第一款采用传感器的运动鞋，传感器能够对鞋子的避震系统进行精确的检测，检测精度很高，检测范围较大。智能鞋内嵌的单片机以10000次/s的运算速度计算分析检测到的模拟数据，根据计算结果驱动微型电机来实时调节鞋内的避震系统，提供最佳的缓冲效果，内置微型电池模块可以保证100小时电量供应。另一家耐克公司的Nike+智能运动鞋则结合内置的传感器和Nike+同名应用软件，能够追踪用户的运动数据和运动路线等，早期只开发了基于iPhone手机的iOS APP，目前已经扩展有Android 的APP。

国内如运动品牌公司李宁和IT科技公司小米联合推出的智能概念运动鞋，鞋内配置了军用级运动传感器芯片，能够记录用户的运动时间、步数、速度、路径轨迹、消耗卡路里等，具有超高的防水级别和超长的电池使用时间。该产品的特色之处是采用了基于小米手环的大数据分析算法，可以实时连接到小米运动APP进行记录和显示。

3 计步器精确性研究

3.1 计步器的算法

目前大多数的穿戴式手腕计步器均使用加速度传感器来感知和测量步数（有的产品会配备重力感应器作为补充协作），算法根据三轴加速度传感器的空间位置变化，计算并模拟出各自的空间曲线，依照加速度传感器感应到的两次波峰波谷之间的时间间隔来判定是行走状态或是其他状态。如果在较短的时间内出现了连续波峰，就可以判断为行走状态，如果是两次波峰出现的时间间隔超出一定的数值就判断为静止状态。通过滤波处理，屏蔽轻微和初始状态的一些干扰可以提升数据的准确性。同时，可以调整参数来适配不同硬件的传感器差异，提升鲁棒性[6，7]。

基于智能手机的APP应用开发而言，Google公司推Step Counter Sensor接口，由内置的硬件或操作系统程序计算步数的变化，简化了应用程序的开发工作。程序开发人员只需要遵照已实现的算法读取计步传感器的参数值， 与本地缓存数值匹配，判断步数的增加与否。在屏幕关闭时，启动Batch Mode模式，配合协处理器，延迟获取数值，节约电量。该算法可以自适应地在加速度传感器和计步传感器两种状态间进行切换，以适应断电和关屏幕关闭时的问题。

3.2 存在的一些问题

问题1：基于GPS的距离计算只适用于室外信号良好的路段，对于建筑物或者室内等地方不能计算出运动距离，更谈不上精确度的问题。

问题2：因为跑步者在某些时间段并没有甩手动作或者有甩手动作但是并没有迈腿动作，基于加速度传感器或者重力传感器等硬件的设备很难精确记录运动的步数，从而导致社交圈内很多晒记录的人有作假行为，这也变相的说明步频精准度差的问题。

4 总结

综上所述，走路或者跑步适合大部分人们的体育健身活动，智能计步器可以客观有效地记录人们的步数、行走距离、行走速度和步频等数据，根据计步器的目标设置，提醒和监督人们参加体育运动对大众健康意义深远，下一步的研究内容应该关于步数和步频的精确计算和记录工作上。

参考文献：

[1] 蔡雪. 计步器干预对2型糖尿病患者运动量、久坐时间以及体重的影响[D].东南大学，2016.

[2] 姚鴻恩，体育保健学[M]. 北京：人民体育出版社，2001.

[3] 戴剑松，李靖，顾忠科，孙飙.步行和日常体力活动能量消耗的推算[J].体育科学，2006（11）：91-95.

[4] Light-intensity activities are important for estimating physical activity energy expenditure using uniaxial and triaxial accelerometers[J] . Yosuke Yamada，Keiichi Yokoyama，Risa Noriyasu，Tomoaki Osaki，Tetsuji Adachi，Aya Itoi，Yoshihiko Naito，Taketoshi Morimoto，Misaka Kimura，Shingo Oda. European Journal of Applied Physiology，2008 （1）

[5] 徐斌，裴晓芳，李太云.穿戴式智能计步器设计[J].电子科技，2016，29（3）：178-182.

[6] 晏勇，雷航，周相兵，梁潘.基于三轴加速度传感器的自适应计步器的实现[J].东北师大学报：自然科学版，2016，48（3）：79-83.

[7] Gait posture estimation using wearable acceleration and gyro sensors[J] . Ryo Takeda，Shigeru Tadano，Akiko Natorigawa，Masahiro Todoh，Satoshi Yoshinari. Journal of Biomechanics，2009 （15）