基于RFID学生手环实现K12学生日常运动评价

广州拙进通信技术有限公司

1. 背景

国内外权威机构建议5-17岁儿童与青少年应在每周内平均每天至少60分钟有氧运动为主的中高强度身体活动，每周至少3天有剧烈强度有氧运动（包含增强肌肉力量、骨骼健康的抗阻活动），限制屏幕前久坐时间，避免课业任务长时间久坐。

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，另外课后再锻炼一个小时，保证每天两个小时，全面培育学生积极心理品质。香港政府专门推出MVPA60资助计划，推动全港学校全面落实学生每天有强度的运动一小时要求。

然而，学校在具体落实相关指南与政策要求时，由于缺乏有效的技术手段，只能停留在全校学生运动时间的规定与全校学生活动的宏观组织层面上，比如增加体育课安排、大课间全校跑操等。对于具体每个学生是否每天参加了运动、运动是否达标等个体的运动评价数据无从知晓，也就谈不上有针对性的调整指导。

基层教育部门与学校亟需探索建立一套操作简便，数据科学，可常态化实施的学生日常运动评价系统，去推动与牵引学生每天运动2小时政策的落地，让学生眼里有光，身上有汗，脚下有力，真正通过长期的适度运动增强学生身体健康与心理健康。

2. 运动评价指标

按照世界卫生组织相关指南的建议，学生日常运动评价指标采用运动强度与运动时长指标。我国有关部门发布的学生运动指南也采用了世卫组织的指南的评价指标。

运动强度可以用最大心率百分比进行评估，其计算公式如下：

最大心率=220-年龄(岁)

最大心率百分比=负荷后即时运动心率/最大心率x 100%。

运动强度与最大心率百分比、RPE量表的对应关系如下表所示。

3. 运动评价数据采集

运动强度是通过运动心率来计算的，要实现长期、常态化的运动评价，采用穿戴手环实现运动心率测量是目前最简单、方便易行的方法。通过对运动时段心率与计步数据的实时采集实现学生运动评价常态化。

学生日常运动评价贯穿学生每天校内外的身体活动，需要实现的数据采集时段与场景如下：

1) 体育课。学生每天一节体育课，运动场地通常为操场或者体育馆。

2) 大课间与校内课后运动时段。大课间通常为学校组织全校的做操或者跑圈活动，运动场地通常为操场或者校内道路（虚拟跑道）。校内课后运动时段运动场地通常为体育馆或者操场。

3) 校外课后运动。校外课后运动时段与场地均不固定。

相应的校内运动数据采集需要实现操场、体育馆、校内道路（虚拟跑道）、校内场地（虚拟运动场）等区域的大并发无感数据采集。

4. 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。由于手环需要长期常态使用，手环的质量要求非常高。

● 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，学生手环不能采用大容量电池，只能使用低容量电池，如何在低电量电池的条件下，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。

● 使用无感知

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。这要求手环具有非常准确的无感位置感知能力。

● 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。

除运动评价外，还可以增加进出校信息推送、体温监测、睡眠、校内一卡通等对家长、学生有价值的功能，使得手环成为日常必配，这个也是常态化使用的关键。

5. 系统设计

5.1 系统拓扑

5.2. 设备部署

5.2.1 标准操场与体育馆设备部署

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。

5.2.2 校内道路（楼梯）虚拟跑道配置

在虚拟跑道路径节点部署基站，实时接收手环上传的计步与心率数据，实现跑步记时与运动强度评价。

5.2.3 操场跑步记时记圈设备部署

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。

5.3 关键技术流程

运动区域位置感知与大并发无线数据传输是系统常态化运行核心能力。 关键技术要点如下：

1) 准确的位置感知技术与工作模式切换。基于无线信号探测实现准确的教室、体育馆、运动场等位置感知，根据位置感知的结果决定手环的工作场景模式。

2) 基于无连接包分多址空中无线通信技术，采用包分多址、slot同步，高效防冲突算法、MAC控制、混合反馈重传HARQ、多信道分集等自主设计的无线关键技术，实现大并发、高可靠数据传输。2台接收设备即可操场区域大于600人同时并发数据传输。

6. 运动评价数据

学生日常运动评价主要是运动强度与运动时长的评价，与学生进行何种活动无关，重点是统计学生中高强度的运动是否达标。

体育课作为学生身体活动的主要场景，除运动强度时长评价指标外，还需对运动负荷结构、运动量等指标进行评价。

6.1 体育课运动测评数据

1) 体育课学生个体评价指标

● 安静心率： 指学生在安静时每分钟的心跳次数。

● 平均心率：体育课心率平均值。

● 最大心率：指人在运动的时候，心脏能达到的极限心率。

● 最高心率：指学生在体育课中最大的心率值。

● 最低心率：指学生在体育课中最低心率值。

● 基本部分平均心率：学生在体育课程中基本部分心率的平均值。

● 课前心率：学生在课前阶段最后一分钟的心率值。

● 课后心率：学生在课后阶段最后一分钟的心率值。

● 有效运动负荷：依据个体安静心率、最大心率、有效运动负荷的累积时间及有效运动负荷平均心率，利用训练冲量计算体育课有效运动负荷。

● 运动负荷结构：对体育课不同运动心率区间与时长计算运动负荷，按照曲线显示体育课运动负荷与时间关系曲线。

● 运动负荷结构评价:基于运动心率曲线的结构图对运动负荷进行评价。

● 有效运动密度：体育课有效运动时间与上课时间的比值。

2) 体育课班级评价指标

● 出勤率：体育课上课学生人数/班级学生总数。

● 课堂负荷达成率：有效运动负荷达标学生数/体育课人数

● 平均有效运动时间：指所有学生有效运动时间的平均值。

● 平均心率：指所有学生平均心率的平均值。

● 开始心率：开始部分所有学生的平均心率。

● 准备心率：准备部分所有学生的平均心率。

● 基本心率：基本部分所有学生的平均心率。

● 结束心率：结束部分所有学生的平均心率。

● 最高心率：指所有学生每分钟平均心率中的最高点（即心率曲线图最高点）。

● 最低心率：指所有学生每分钟平均心率中的最低点（即心率曲线图最低点）。

● 平均强度：指所有学生运动强度的平均值。

● 平均有效运动强度：指所有学生有效运动的平均值。

● 平均运动密度：指所有学生运动密度的平均值。

● 平均有效运动密度：指所有学生有效运动密度的平均值。

● 平均有效锻炼时长：指所有学生有效锻炼时长的平均值。

6.2 每日运动评价数据

每日运动评价只统计学生每天中、高强度运动时长是否达标，不分析具体的运动负荷结构。

1) 学生个体每日运动评价指标

● 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。

● 高运动强度时长：全天高运动强度时长。

● 中运动强度时长：全天中运动强度时长。

● 低运动强度时长：全天低运动强度时长。

● 有效运动时长：全天中、高强度运动时长。

● 剧烈运动时长：全天剧烈运动时长。

2) 班级每日运动评价指标

● 班级运动达标率：班级运动中高强度运动达标人数\班级人。

● 班级平均有效运动时长：班级中高强度运动时长平均值。

● 班级平均心率：每个运动时间段的平均心率。

● 班级最高心率：每个运动时间端的最高心率。

● 班级最低心率：每个运动时间段的最低心率。

7. 基于RFID学生手环的系统实现

7.1 关键用户体验要求满足情况

● 心率测量准确性要求满足情况

RFID学生手环采用高端心率传感器芯片，针对青少年运动特点，对运动心率算法进行优化。下图是RFID学生手环运动心率数据曲线与知名品牌运动心率带的对比测试数据曲线。

● 数据传输准确性要求满足情况

标准400m跑道操场，只需2台无线接收设备，即可支持600人以上大并发运动数据采集。

● 学生使用无负要求满足情况

手环电池容量150mAh，每天运动一小时，使用时间10天以上。

手环重量9g（带屏手环19g），佩戴无感，不影响运动。

● 学校管理无负担满足情况

数据采集设备固定部署，无需老师做任何安装部署操作。

手环学生日常佩戴，回家充电，自行维护，学校只需做佩戴要求。

● 家长管理无负担满足情况

学生每天进出校信息即时微信推送家长，解决家长对孩子安全关切痛点，方便家长接送孩子。

孩子每天、周、月运动数据与达标情况推送家长，方便家长引导督促孩子加强运动，锻炼体质。

手环续航10天 ，家长对手环的日常维护无负担。

7.2 系统平台

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

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。

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。

8. 实际运行学校案例

RFID学生手环在帝都某小学常态化运行情况如下。

● 设备部署与安装

● 评价数据