基于RFID学生手环推动学生每天运动2小时落实
广州拙进通信技术有限公司
1. 背景
每天适度的身体活动有助于学生的身体健康与心理健康。国家教育部要求保障中小学生每天综合体育活动时间不低于2小时，每天保证一节体育课，保证每天两个小时，全面培育学生积极心理品质。
当前学校都已经按照教育部要求落实了每天2个大课间、一节体育课、15分钟课间的课表安排。但是，学生实际上有没有运动，运动强度是否达标，实际上无从知晓。如何通过日常运动数据的分析去推动学生真正动起来，进而通过AI对运动大数据进行分析，形成对学生的日常运动指导，是学校与教育部门希望解决的问题。
2. 难点与挑战
过去十年，对学生日常运动进行监测与评价尝试了不同的技术路线，主要的技术包括视频技术与运动手环技术，成功的案例不多。
过往学校选择实施较多的是基于视频的方案，主要是在操场部署多路视频，通过视频抓拍与人脸识别技术，实现对学生的跑步记时记圈。较多学校采用这个方案的原因是只需部署设备，对学生没有要求。但是，在实际运行中，在户外环境，批量学生在跑步状态下，批量视频抓拍与人脸识别的准确性基本不能达到100%准确；此外，按照世界卫生组织（WHO）的指南以及国家相关部门发布的指南与规范，运动强度的评价是基于运动心率。基于视频的运动评价方案本身就是不科学的。
基于运动手环的方案通过学生佩戴手环，对运动心率监测实现运动评价，技术路线是科学的。但是，过往学校实际采用这种技术方案的不多，既有技术难点原因，也有日常管理难点原因。
技术上的难点与挑战有如下几点：
- 大并发实时数据传输。在运动区域的学生数量多，在局域环境下，上千学生的大并发实时心率数据采集上传对通信技术有很高的挑战。
- 运动场景感知。准确的运动场景感知是保证运动数据采集准确性的基础。消费级运动手环对运动数据的测量是基于佩戴者基于手环按钮操作进入运动数据采集状态的。对于学生日常应用，主动操作手环的要求显然是非常高的门槛，这要求手环能自动感知运动场景与状态，自动进入运动数据监测状态。学校运动场地千差万别，如何实现准确的运动场景感知有技术挑战。
日常管理上的难点与挑战如下：
- 常态化手环佩戴管理。要实现常态化运动评价，需要学生每天佩戴，这涉及到上千学生，如何让孩子愿意戴，不增加老师负担，不增加学校负担，不增加家长负担，这是个难题。
- 常态化手环维护管理。一个学校上千学生，手环的充电、损耗、维修都是必须要处理的工作。过去很多学校采购了手环，实际上都没有正常使用，原因就是日常工作量大。
总体而言，基于运动手环实现日常学生运动数据采集与评价，推动学生真正每天运动起来，是学校与教育部门的共识。主要的挑战是技术上怎么实现常态化应用需要解决技术与管理难点。
3. 常态化应用要求与核心用户体验
要实现基于手环实现学生运动评价的常态化应用，必须要满足“数据准确、学校管理无负担、学生使用无负担，家长支持”这四个基本要求。
1) 数据准确
数据准确既包括运动状态下心率与计步数据测量的准确性，也包括心率与计步数据的传输准确性。
- 数据测量准确性要求主要是对手环采用的心率传感器、计步传感器以及相应的算法要能准确实现运动状态下的心率与计步数据测量。
- 数据传输准确性要求是指手环测量的心率\计步数据能准确上传到后台，数据传输准确性要求的难点是大并发数据的无线传输的准确性，尤其是大课间、课后活动这些时段，大部分学生集中在操场上进行运动，需要解决在操场区域范围上千人大并发的数据上传的准确性问题。现有的4G广域无线技术、蓝牙BLE无线技术、Lora\ZIGEE\WIFI等局域无线通信技术均无法满足如此密集的数据传输要求。
2) 学生使用无负担
要实现学生使用无负担，手环需要做到如下几点：
● 重量轻、佩戴舒适， 结构牢固耐用
由于手环需要在运动状态下佩戴，因此手环重量要极轻，佩戴无感。运动状态下手腕部会出汗，手环的表带与佩戴方式要解决出汗时带来的不适。剧烈运动时，难免身体对抗，手环的结构要牢固耐用。
● 长续航
手环需满足全天候使用需求，长续航是核心用户体验，正常佩戴使用情况下至少保证一周。受佩戴舒适要求限制，学生手环如何在配置小容量电池的条件下，满足持续使用一周的要求，对产品低功耗设计有很高的要求。
● 使用无感
日常使用过程中，学生只需当手表佩戴，无需做任何配置操作。手环进入运动区域，自动启动运动监测模式，开始实时心率测量与上传。在非运动区域，手环需自动停止实时心率采集上传，以节省电量消耗。
● 位置感知的无感与准确性
基于功耗的原因，手环只能在运动区域才会启动运动采集模式，这要求手环能自动无感识别运动区域与时段，无需人为操作。
3) 学校管理无负担
学校只需引导与要求学生佩戴手环，通过日常运动评价数据激励与督促学生加强运动锻炼。
无需老师进行复杂的设备配置与维护。
4) 家长支持
学生日常运动评价数据除学校使用外，也推送给家长，学校、学生、家长共同配合，基于评价数据引导孩子加强运动。此外， 每天的学生进出校信息推送，对家长而言是每天都希望看到的数据。
4. 评价数据
4.1. 校内每天运动2小时评价数据
校内每天运动2小时评价，遵循我国有关部门发布的学生运动指南以及世卫组织《5-17岁儿童身体活动指南》评价方法与指标，基于校内运动采集设备采集的学生运动心率数据，实现日常运动评价，主要数据如下：
- 运动时长：全天运动时长
- 有效运动时长：全天中高强度以上运动时长
- 运动结构：全天高、中、低运动强度时长分布
- 运动密度：有效运动时长与运动时长比值
- 运动平均心率：每个运动时间段的平均心率
- 最高心率：每个运动时间段的最高心率
- 最低心率：每个运动时间段的最低心率
4.2. 全天运动评价数据
部分学校希望对学生全天校内外运动情况进行评价，综合考虑成本与使用习惯，以全天计步数据作为学生全天校内运动参考评价数据，根据学生全天计步数据，分为未达标、达标、优秀、过量4档评价。目前暂时未见有学术论文对计步数据作为运动分类的研究，我司基于某常态化应用我司手环的学校亿级计步数据记录，使用AI工具分析，得出未达标、达标、优秀、过量4档评价对应的计步数值。
5. 技术方案
5.1 系统拓扑
5.2. 设备部署
学校标准操场，只需部署2台基站，接入学校网络。实现全校学生体育课、大课间以及课后时段运动强度与运动时长数据采集。
学生在晨跑、早上大课间、体育课、下午大课间、课后等时段进入操场区域\体育馆\运动区域，手环自动感知操场区域，自动启动运动评价模式，实时采集心率与计步数据，上传给基站，基站转发给后台。
在标准操场运动评价设备部署基础上，考虑到较多学生会选择跑步作为体育考试科目，学校可以在标准设备部署基础上，增加定标器设备，实现准确的跑步计时、计圈统计。通过不同的启点标记，可以实现日常50m、100m、400m、1000m的跑步计时计圈，方便学生自我训练，及时知晓跑步成绩。
其它非标准运动场地，参考操场部署1-2台基站，实现运动数据采集。
5.3. 系统功能
系统平台功能模块如下：
- 系统管理：实现学校、班级、学生信息管理、手环数据绑定、账号权限管理等配置功能。
- 设备管理：设备参数配置，设备状态管理
- 进出校考勤：实现进出校考勤统计与信息推送
- 运动评价：实现学生、班级、年级运动评价数据统计与记录管理
- 跑步计时：实现日常跑步计时计圈。
- 计步排名：实现个人、班级、年级计步达标与排名
- 健康管理：学生日常计步、睡眠、静息心率数据记录与统计
- 数据看板：实现各种统计数据呈现，包括校级、区级不同数据看板。数据看板支持定制。