一种基于高原环境下的复合跑步机的制作方法

本发明涉及健身器材领域，尤其涉及一种基于高原环境下的复合跑步机。

背景技术：

所谓的复合健身运动就是既有健体运动，也有健脑运动，而健体运动也应该包括有氧运动、力量练习、柔软体操等多种健身方式。复合健身运动是指将有氧运动、力量训练、柔韧练习等运动方式与日常生活、娱乐休闲结合起来，这样对促进身体健康才更有效。复合健身运动是指采取有氧运动、力量练习、柔软体操以及休闲娱乐相结合的复合式健身方案。复合健身运动是指以有氧运动、肌力练习、柔软体操与传统养生相结合的复合型健身。

高原指的是海拔3000米以上的高度为高原。国内尚无有关对高原一词的明确定义及划分的数据。几十年来，运动生理学家对高原低氧环境引起的生理变化，进行了大量的人体和动物实验研究，研究发现海拔高度不同的高原低氧环境对人体生理的影响程度不同。当人体进入海拔高度在 1500-3000米之间，人们的身体承受能力可以适应此海拔高度，没有任何不舒服的反应，每个人的身体存在着差异性，有些人会感觉到呼吸节奏慢慢加快，身体各个方面的功能会下降，呼吸系统促进身体的各个功能交换基本正常。多数人进入海拔高度在3000-4500 米之间时会出现明显的缺氧状态，如呼吸和脉搏增加、头痛、食欲不振、睡眠差、导致高山病的发生，如果再进一步增加海拔高度将使人们更不适应。所以在现有技术中，在海拔3000米以上的高度进行健身时，使人很难进行，并且即使在健身过程中极易导致高山病的发生。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中的不足，本发明的目的在于，提供一种基于高原环境下的复合跑步机，包括：包裹在跑步机外部的玻璃罩体，设置在玻璃罩体上用于给玻璃罩体内部通风并提供氧气的供氧通风装置以及设置在玻璃罩体上的换气口；

跑步机包括：跑道平台，驱动跑到平台旋转的电机，与跑道平台连接，且向跑道平台上部延伸的两支撑杆；在两支撑杆的水平滑道之间设有操作平台；操作平台上设有容置槽，容置槽内设有与容置槽壁枢接的操控板，操控板的板面正对跑步者的正面，操作平台上还设有操作界面和显示屏；

所述支撑杆包括内管和外管，外管套设在内管外部，外管上设有定位销，外管在内管外部相对滑动，调节操作平台的高度，并通过定位销锁定高度；

所述支撑杆底部设有固定座，固定座底部设有胶类吸盘；固定座的一端设有与固定座铰接的活动座，活动座底部设有胶类吸盘；跑道平台尾端的底部设有胶类吸盘；所述玻璃罩体为四方体全密封结构，玻璃罩体设有玻璃门；

所述玻璃罩体内设有氧含量传感器；

所述供氧通风装置包括：换气风扇以及加氧装置；

还包括：分别与显示屏、氧含量传感器、换气风扇、加氧装置、电机电连接的体测控制系统；

所述体测控制系统包括：面部区域设置模块、光源收发器、面部识别模块、视频预处理模块、视频放大处理模块、心率信号消噪处理模块、心率值转换模块、氧含量接收模块、海拔高度设置模块、海拔高度与含氧量折算模块、跑步机运行速率折算心率模块、心率修正模块、心率与耗氧量折算模块、供氧控制模块、心率持续时间计量模块、电机控制模块、氧量比较模块；

所述面部区域设置模块用于设置面部敏感区域；

所述光源收发器用于获取面部视频图像；

所述面部识别模块用于从获取的面部视频图像中的每一帧中选取面部敏感区域作为后续的心率信号的提取区域；当在获取的视频中，某一帧中的选取面部敏感区域失败时，使用上一帧中的面部敏感区域作为当前帧中的面部敏感区域；

所述视频预处理模块用于对选取的面部敏感区域的视频帧进行计量，当计量的帧数达到预设帧数时，将所述视频帧发送至视频放大处理模块；当计量的帧数未达到预设帧数时，继续计量视频帧直至达到预设帧数；

所述视频放大处理模块用于对所述视频预处理模块发送的视频帧进行视频放大处理，将放大处理后的视频帧在RGB颜色空间内进行分解，形成三幅单通道图像；分别计算三通道图像的面部敏感区域内像素的空间平均值，形成对应每一帧的红绿蓝三个信号值，信号值范围在0~255之间，每一帧的红绿蓝三个信号值形成三个原始信号序列，以使从每一帧中放大出心率信号；

所述心率信号消噪处理模块用于对原始心率信号序列进行带通滤波处理，以调整信号波形和消除噪声的影响；

所述心率计算模块用于对消除噪声的三个信号序列分别进行FFT变换，计算三个信号序列的对应功率谱密度，选取G通道信号序列中最大功率对应的频率作为心率的计算值；

所述海拔高度设置模块用于设置跑步机所处环境的海拔高度；

所述海拔高度与含氧量折算模块用于根据跑步机所处环境的海拔高度折算成所述海拔高度的含氧量；

所述跑步机运行速率折算心率模块用于根据跑步机所处环境的海拔高度以及跑步机运行速率，实时将跑步机运行速率折算成当前用户的心率；

所述心率修正模块用于根据心率计算模块实时计算出的心率与跑步机运行速率折算心率模块实时将跑步机运行速率折算成当前用户的心率进行加权平均得到实时的修正心率；

所述心率与耗氧量折算模块用于将所述修正心率折算成用户的耗氧量；

所述氧含量接收模块用于接收氧含量传感器感应玻璃罩体内的含氧量；

所述氧量比较模块用于对氧含量接收模块接收的玻璃罩体内含氧量与心率与耗氧量折算模块折算的用户耗氧量进行比较；

所述供氧控制模块用于根据跑步机所处环境的海拔高度，对玻璃罩体内进行加氧，使玻璃罩体内的含氧量与零海拔地区的氧含量相同；还用于根据氧量比较模块对氧含量接收模块接收的玻璃罩体内含氧量与心率与耗氧量折算模块折算的用户耗氧量的比较结果，当玻璃罩体内含氧量低于用户耗氧量时，控制加氧装置增加对玻璃罩体内加氧；当玻璃罩体内含氧量高于用户耗氧量，并且玻璃罩体内的含氧量与零海拔地区的氧含量相同时，控制加氧装置减少对玻璃罩体内进行加氧；

所述心率持续时间计量模块用于当跑步机用户的心率在175次/分持续预设的时长时，心率持续时间计量模块通过电机控制模块控制电机进行降速；

所述电机控制模块包括：三相全波整流器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C2、隔离模块、DSP芯片、三相逆变器；

所述三相全波整流器输入端与外电源连接，三相全波整流器输出端一通过电阻R1与三相逆变器的输入端一连接，三相全波整流器输出端二通过电阻R5与三相逆变器的输入端二连接，三相全波整流器输出端三通过电阻R2与三相逆变器的输入端三连接；

电阻R6与电阻R7形成串联电路一，串联电路一与电容C2形成并联电路一，并联电路一的一端与三相全波整流器输出端一和三相逆变器的输入端一的连接线路连接，并联电路一的另一端与三相全波整流器输出端二和三相逆变器的输入端二的连接线路连接；

电阻R3、电阻R4形成串联电路二，串联电路二与电容C2形成并联电路二，并联电路二的一端与三相全波整流器输出端一和三相逆变器的输入端一的连接线路连接，并联电路二的另一端与三相全波整流器输出端三和三相逆变器的输入端三的连接线路连接；

三相逆变器的输出端与电机连接；电容C1和电容C2分别用于储能滤波；电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7分别用于限流，防止线路上电时，电流过大，并且限制对电容的充电电流，在电容放电时，限制放电电流过大；

DSP芯片包括：脉冲宽度调制模块、速度反馈模块、串行外接口、急停模块；

所述急停模块用于控制电机急停；

所述脉冲宽度调制模块与三相逆变器连接，用于通过调节三相逆变器的输出脉冲的宽度、频率、幅值调节电机的输出转速；

所述电机内部设有速度传感电路，在电机的机座上设有三个互差120°电角度的定子位置传感器；

所述速度反馈模块通过隔离模块分别与定子位置传感器和速度传感电路连接；定子位置传感器与用于输出三个脉宽为180°电角度的位置信号，速度传感电路用于输出速度信号，速度反馈模块用于接收定子位置传感器和速度传感电路输出的信号；

所述串行外接口与显示器连接，串行外接口用于将电机的工作状态输出显示器显示；

玻璃罩体内还设有用于感应玻璃罩体内温度的温度传感器、用于感应玻璃罩体内湿度的湿度传感器；

体测控制系统还包括：温度接收模块、湿度接收模块、身份ID模块、数据处理模块、数据存储模块、人机交互模块、跑步计时模块、跑步计速模块、跑步距离计量模块、卡路里消耗计算模块、个性化设置模块、计时模块、数据收发送模块、数据管理模块、事件管理模块、报表模块、IP地址管理模块、安防模块、信息交流模块；

温度接收模块用于接收温度传感器感应玻璃罩体内的温度；湿度接收模块用于接收湿度传感器感应玻璃罩体内的湿度；

身份ID模块用于使用户设置个人身份信息，将个人身份信息储存在数据存储模块内，并在每次使用跑步机时，对用户信息进行连续记录储存；

数据处理模块用于将得到的各种数据进行整理，将得到的各类原始数据信息与个性化设置模块设置的阈值以及往期使用跑步机数据，进行对比形成资源统计信息；

跑步计时模块用于计量用户当次使用跑步机的时长；

跑步计速模块用于计量用户当次使用跑步机的平均速度、最大速度、最小速度；

跑步距离计量模块用于计量用户当次使用跑步机的距离；

卡路里消耗计算模块用于计量用户当次使用跑步机所消耗的卡路里；

个性化设置模块用于根据用户个人需要设置当次跑步的距离、时长、速度；

数据存储模块用于采用开放的存储平台Oracle、MySQL或者Sybase来进行系统的数据存储，并保存每个用户历史数据，生成相应的趋势分析报告，进行保存；

计时模块用于根据获取的北斗时钟源时间信息设置运行时间；

所述数据收发送模块用于使体测控制系统收集、整理、分析的数据通过WIFI或者zigee或CAN的形式与服务器或者与手机、或者与电脑进行数据交互，共享数据存储模块储存的数据信息，并接收服务器或者手机、或者电脑发送的数据信息；

所述数据收发送模块包括：发送数据处理模块、差分编码模块、PN码频谱扩展模块、调制模块、数控振荡器模块、解调模块、带通滤波器、差分解调模块、输出处理模块、频率控制模块；

发送数据处理模块用于对服务器将要发送数据字符，进行由单I/O数据转换为双位数据；

差分编码器用于对转换为双位的数据字符，进行差分编码以避免相位模糊；

PN码频谱扩展模块用于使PN码与I通道和O通道的数据字符分别进行模二加，对每个要发送的数据字符都用扩频器的全码序列进行运算，其中PN码预先存储在移位寄存器中，扩频后的I通道和Q通道的数据分别送到调制模块；

调制模块用于利用NCO输出的正弦和余弦信号来调制经过编码和扩频的数字信号，产生一个数字化的已调制的中频输出信号。

数控振荡器模块用于以系统时钟为时钟信号产生高频率分辨率的正弦和余弦信号输出，用来对发射信号进行调制，使体测控制系统接收使用；

解调模块用于对经过采样和量化接收的中频信号进行数字式下变频，产生基带信号。完成相应解调；

带通滤波器用于在滤波器中，用存储在其中的PN码进行相关运算，并分别计算出I通道和Q通道的相关运算的和。

差分解调模块用于根据带通滤波器传输的I通道和Q通道信息，进行差分解调运算，以恢复原始信息；

输出处理模块用于将差分解调模块送来的I通道和Q通道信息经过处理，恢复出原始数据；

频率控制模块用于利用I通道和Q通道产生的信息进行运算，产生频率控制信号对下变频中的输出频率进行控制和调节。

数据管理模块用于从数据角度同时整合用户的距离数据、环境数据、消耗卡路里数据、计速数据、计时数据、温度数据、湿度数据、心率数据、耗氧量数据、海拔高度数据，通过线路、表格、图形的展现形式进行有机整合，通过对数据的可视化管理，让所有数据关键参数醒目地投射到显示屏上；

事件管理模块用于将得到的各类原始数据信息与个性化设置模块设置的阈值以及往期使用跑步机数据进行对比，当当前数据未达到设置的阈值或者与往期数据比较产生不良的效果时，进行报警提示；将报警信息形成报警统计，并存储；

报表模块用于将用户的数据形成分析报告，用户通过分析报告准确评估整个运动情况，获悉用户自身的情况；

IP地址管理模块用于设置IP 地址，根据IP 地址准确的定位跑步机在网络上的地址，使用户通过移动终端与跑步机通信连接；

安防模块用于对体测控制系统进行防护，防止非授权用户登录，以及非授权软件进行安装及登录系统；

信息交流模块用于使具有身份ID的用户之间共享运动信息，并通过收集各个用户的运动信息，整理形成系统整体的运动信息，按照时间段、或按照个人体貌特征、或按照性别形成一系统报告，通过梯形图、或曲线图、或图表展现在显示器上，实现运动经验的共享和管理。

优选地，DSP芯片还包括：故障模块；

所述电机控制模块还包括：电压保护模块、电流保护模块；

所述电压保护模块输出端与故障模块连接，电压保护模块输入端分别与电阻R6与电阻R7形成串联电路一以及电阻R3、电阻R4形成串联电路二连接；

所述电流保护模块输出端与故障模块连接，电流保护模块输入端与三相全波整流器输出端一和三相逆变器的输入端一的连接线路连接，或者与三相全波整流器输出端二和三相逆变器的输入端二的连接线路连接，或者与三相全波整流器输出端三和三相逆变器的输入端三的连接线路连接。

优选地，所述速度传感电路包括：传感芯片、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、光耦隔离U1、光耦隔离U2、光耦隔离U3、磁极传感器一、磁极传感器二、磁极传感器三；

光耦隔离U1的输入端一通过电阻R14与电源连接，光耦隔离U1的输入端一还与磁极传感器一连接；光耦隔离U1的输入端二接地；

光耦隔离U2的输入端一通过电阻R15与电源连接，光耦隔离U2的输入端一还与磁极传感器二连接；光耦隔离U2的输入端二接地；

光耦隔离U3的输入端一通过电阻R16与电源连接，光耦隔离U3的输入端一还与磁极传感器三连接；光耦隔离U3的输入端二接地；

光耦隔离U1的输出端一通过电阻R11与传感芯片二号脚连接；光耦隔离U1的输出端二接地；

光耦隔离U2的输出端一通过电阻R12与传感芯片三号脚连接；光耦隔离U2的输出端二接地；

光耦隔离U3的输出端一通过电阻R13与传感芯片四号脚连接；光耦隔离U3的输出端二接地；

传感芯片一号脚接电源，五号脚接地；磁极传感器一、磁极传感器二、磁极传感器三分别设置在转子轴上；

磁极传感器一、磁极传感器二、磁极传感器三获取转子位置信号，将转子位置信号经过光耦隔离U1、或光耦隔离U2、或光耦隔离U3后，送入传感芯片；

传感芯片通过磁极传感器一、磁极传感器二、磁极传感器三获取转子位置信号，在每一个电流环更新中断服务子程序中检测I/O口的电平状态，实时获得磁极传感器一、磁极传感器二、磁极传感器三输出的信号，实时确定转子位置，向寄存器写入相应的位置信息，并将位置信息传给DSP芯片。

优选地，所述体测控制系统包括：接触式心率检测仪；

所述接触式心率检测仪用于使用户佩戴，使接触式心率检测仪感应用于的心率，使所述心率修正模块根据接触式心率检测仪实时感应的心率与跑步机运行速率折算心率模块实时将跑步机运行速率折算成当前用户的心率进行加权平均得到实时的修正心率，心率与耗氧量折算模块将所述修正心率折算成用户的耗氧量。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

通过获取用户的心率，进而计算耗氧量，对玻璃罩体内进行加氧。而跑步机运行速率折算心率模块是根据以往的经验，由跑步机运行速率以及跑步机所处环境的海拔高度，折算成用户当前的心率。这个是由经验获得的，由于人的个体差异具有一定的误差，为了减小这个误差，本发明中引入了面部区域识别的方式获取用户的心率。还可以通过接触式心率检测仪获取用户的心率。这样尽量保证了耗氧量的计算精准，使在高原环境可以是用户进行训练，能够快速适应高原环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于高原环境下的复合跑步机的整体结构图；

图2为基于高原环境下的复合跑步机的主视图；

图3为皮肤结构体示意图；

图4为入射光线和皮肤接触产生的光学现象示意图；

图5为面部敏感区域示意图；

图6为面部敏感区域示意图；

图7为电机控制模块示意图；

图8为速度传感电路示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将运用具体的实施例及附图，对本发明保护的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。

本实施例提供一种基于高原环境下的复合跑步机，如图1和图2所示，包括：包裹在跑步机2外部的玻璃罩体1，设置在玻璃罩体1上用于给玻璃罩体内部通风并提供氧气的供氧通风装置3以及设置在玻璃罩体2上的换气口4；

跑步机2包括：跑道平台11，驱动跑道平台11旋转的电机23，与跑道平台11连接，且向跑道平台11上部延伸的两支撑杆；支撑杆的顶端设有水平滑道，在两支撑杆的水平滑道之间设有操作平台13；操作平台13的两端分别设有与水平滑道相适配的滑轨，滑轨与水平滑道相配合，使操作平台沿着水平方向滑动；操作平台13上设有容置槽，容置槽内设有与容置槽壁枢接的操控板14，操控板14的板面正对跑步者的正面，操控板14背面设有支撑操控板直立设置的支架，操作平台13上还设有操作界面15和显示屏10。

操控板14可以安置到容置槽内。显示屏10可以平放在操作平台13上。当然操作平台13还可以设置显示屏10的安置位，将显示屏10安置到操作平台13，并且可以平放在操作平台13上。操作界面15与操作平台13与同样的功能按键，便于用户操作使用。

支撑杆包括内管122和外管121，外管121套设在内管122外部，外管121上设有定位销123，外管121在内管122外部相对滑动，调节操作平台13的高度，并通过定位销123锁定高度；

支撑杆底部设有固定座17，固定座17底部设有胶类吸盘16；固定座17的一端设有与固定座17铰接的活动座18，活动座18底部设有胶类吸盘16；跑道平台11尾端的底部设有胶类吸盘16；玻璃罩体2为四方体全密封结构，玻璃罩体设有玻璃门，玻璃门与玻璃罩体采用门轴连接。

玻璃罩体2内设有氧含量传感器；供氧通风装置3包括：换气风扇131以及加氧装置132；

跑步机还包括：分别与显示屏10、氧含量传感器、换气风扇131、加氧装置132、电机23电连接的体测控制系统；该体测控制系统设置在跑步机内部的功能模块未显示。

可以理解的是，大气压力与吸入气体氧分压及血氧饱和度的关系随海拔高度的变化，周围环境空气的氧分压下降，空气密度变小，单位体积所含氧气的质量也相应减少，按氧气体积分数为20.9%，温度。℃计算，如表大气基本参数随海拔高度的变化所示。氧含量百分比以零海拔高度的大气氧含量为标准，随海拔高度增加，空气氧含量下降是造成人体缺氧的主要原因。

大气压力降低，吸入气体氧分压降低，肺内氧分压也随之降低，这样血红蛋白就不能被氧饱和，会出现血氧过少现象。一般认为当气压在7.4x 104Pa时(相当1500m高度)，人体会产生一系列生理变化，但一般都能适应，当气压低于5.3*104 Pa时人体适应就会出现困难。在8-8.5km高处，只有50%的血红蛋白与氧结合，机体内氧的储备降至正常的45%，生命将受到影响，故一般将3.2* 104 Pa(相当于8.5km)的气压值看成气压(高度)的生理界限。

缺氧的一般症状是乏力、眩晕、食欲不振、面色苍白；严重缺氧或急性缺氧则表现为呼吸困难、皮肤紫给、意识丧失、甚至昏迷。在100毫升37℃的血液内、以物理状态溶解的氧，每0.003毫升可产生0.133kPa的氧分压。正常人在静息状态，呼吸海平面空气，以物理状态溶解在动脉血内的氧约0.3毫升%，动脉血氧分压(Pa02)约13.3kPa(100mmHg)；静脉血氧分压(Pv02)正常约5.32kPa (40mmHg)。由于吸入气体的氧分压与血液中氧分压的变化一致，即吸入气体氧分压增大，血液中氧分压也增大，反之，都减小。因此，可用吸入气体氧分压的变化来近似判断血液中氧分压的变化。

吸入气体氧分压可以通过有关大气压力的计算求得，即：吸入气体氧分压=大气压力*20.9%。吸入气体氧分压随海拔高度的变化如下表所示。

健康成年人在安静状态下，每分钟约耗氧250mL，即每天需氧量约360L，但体内贮存的氧仅1.5L左右，即使贮存氧全部被利用也只够组织消耗4-5min。因此，必须不断地自外界吸入氧气，才能维持正常生命活动。如果氧的供给不足或由于体内氧的代谢过程发生障碍，无法获得足够的氧或正常利用氧，以致产生机体的一系列变化，甚至危及生命，这就称为“缺氧”。

本实施例中，体测控制系统包括：面部区域设置模块、光源收发器、面部识别模块、视频预处理模块、视频放大处理模块、心率信号消噪处理模块、心率值转换模块、氧含量接收模块、海拔高度设置模块、海拔高度与含氧量折算模块、跑步机运行速率折算心率模块、心率修正模块、心率与耗氧量折算模块、供氧控制模块、心率持续时间计量模块、电机控制模块、氧量比较模块；

人体皮肤的特殊结构和有其引发的光学现象是进行皮肤图像处理的理论依据，人体皮肤是一个含有多层结构的半透明体，不同的研究人员对皮肤的具体分层有不同的看法。将皮肤看成半透明结构体如图3所示，分别是角质层，表皮层，含有动脉和静脉毛细血管的真皮层，以及含有脂肪的皮下组织层。皮肤的每一层与入射光之间产生的光学现象不尽相同，不同皮肤层中的色素对光的吸收也不同。本实施例主要体现表皮层和真皮层对光的吸收和反射特性，这也是导致反射光能量变化的主要原因。

入射光线在和皮肤接触的过程中产生了复杂的光学现象如图4所示。入射光线到达皮肤的表面时，大约有5%被直接反射掉，剩下的大部分将进入皮肤的下表面。入射光在进入表皮层之后有一部分被黑色素吸收，一部分被散射，而剩余部分的光将穿透表皮层进入下面的真皮层。而由于血色素的存在，在真皮层中同样存在着对光线的吸收和散射现象。不同之处是，光线在表皮层大多是进行前向散射的，所以相对而言比较简单。而进入到真皮层之后，光线将产生前向散射和后向散射，特别是在真皮层的上层-乳突层之后的散射现象较为严重，使得部分入射光返回到空气中。在真皮层之下的网状层，大部分为前向散射，光线将一直到达皮下组织并被反射入射光线除去有一部分从表面和下表面反射回空气中之外，剩余的全部被皮肤中的色素吸收。虽然皮肤中含有的色素种类多种多样，但存在于表皮层的黑色素和真皮层的血色素对光线的吸收最为明显，因此，当皮肤中黑色素及其它组织结构未变时，血色素的多少直接影响入射光的吸收，并最终改变进入 CCD 的反射光能量。

面部区域设置模块用于设置面部敏感区域；面部敏感区域包括人的眼睛、脸部、鼻子和嘴巴，当人眨眼或张嘴是将引起感兴趣区域内像素的变化。具体面部敏感区内的像素的变化是血液流经人脸毛细血管时引起肤色的变化，即视频中人脸区域的像素变化。

如图5、图6显示了面部敏感区域，面部敏感区域设定双眼间的距离为4d，选取长和宽分别为8d和10d的矩形，即为黑色虚线区域所示，这就是获取的面部敏感区域；接着在双眼距离的中点位置上方的d距离处选取一个长和宽分别为3d和3d/2的矩形，为重点分析的面部敏感区域；在双眼中点的下方的0.5d处选取长和宽分别为8d和3d的矩形，为重点分析的面部敏感区域。在检测获取面部敏感区域时，每一帧视频图像都是以这三部分的位置区域作为面部敏感区域来分析和折算得到心率。

光源收发器用于获取面部视频图像；光源收发器可采用摄像头，获取用于心率检测的面部视频图像，这里可以采用高分辨率的摄像头，以提高获取视频图像的清晰度，保证心率转换的准确性。

面部识别模块用于从获取的面部视频图像中的每一帧中选取面部敏感区域作为后续的心率信号的提取区域；当在获取的视频中，某一帧中的选取面部敏感区域失败时，使用上一帧中的面部敏感区域作为当前帧中的面部敏感区域；面部识别模块的面部区域识别为摄像头或摄像机所具有的功能，为常用的手段。这里面部识别模块从获取的面部视频图像中的每一帧中选取面部敏感区域作为后续的心率信号的提取区域；由于用户在运动中，可能在每一图像的获取上出现偏差，则使用上一帧中的面部敏感区域作为当前帧中的面部敏感区域，使图像获取具有一定的连续性。

视频预处理模块用于对选取的面部敏感区域的视频帧进行计量，当计量的帧数达到预设帧数时，将视频帧发送至视频放大处理模块；当计量的帧数未达到预设帧数时，继续计量视频帧直至达到预设帧数；这样的预设帧数是根据跑步机所携带的处理器运算能力所决定的。运算能力强则可以预设较多的帧数，处理能力弱则预设较少的帧数。

视频放大处理模块用于对视频预处理模块发送的视频帧进行视频放大处理，将放大处理后的视频帧在RGB颜色空间内进行分解，形成三幅单通道图像；分别计算三通道图像的面部敏感区域内像素的空间平均值，形成对应每一帧的红绿蓝三个信号值，信号值范围在0~255之间，每一帧的红绿蓝三个信号值形成三个原始信号序列，以使从每一帧中放大出心率信号；

当视频帧的长度达到规定长度时，本实施例设使用的时间长度是30秒，即视频帧的长度为30秒乘以视频的帧率，就对视频片段进行视频放大处理，放大后的视频进行心率信号的提取。视频帧数每隔1秒才更新一次，进行下一次视频放大处理，也就是说相邻两次视频放大处理的视频中有90%的视频帧是相同的。将处理后视频中的每一帧的RGB通道分开，并分别计算各通道面部敏感区域内像素的空间平均值，这样就得到0~255之间的三个值。对应于视频中的每一帧的感兴趣区域就形成了红、绿、蓝三段原始心率信号。

为了观察信号的特性，需要对信号进行归一化处理。具体归一化处理方式为现有技术，是在处理前，有程序人员根据实际情况，写入相应的归一化公式实现，这里不做限定。

归一化完成之后需要对还需要对窗口内的信号进行带通滤波处理，以消除低频呼吸信号和高频噪声对心率检测结果的影响。心率信号消噪处理模块用于对原始心率信号序列进行带通滤波处理，以调整信号波形和消除噪声的影响；考虑到正常人的心率范围为45~240，因此采用带通滤波器的上下截止频率分别为0.75Hz和4Hz。

心率计算模块用于对消除噪声的三个信号序列分别进行FFT变换FFT是一种DFT的高效算法，称为快速傅立叶变换（fast Fourier transform），计算三个信号序列的对应功率谱密度，选取G通道信号序列中最大功率对应的频率作为心率的计算值；

经带通滤波处理后的三个信号序列进行快速傅里叶变换来分别得到三个信号序列的功率谱密度。视频图像中的G通道包含的脉搏波信号较强，因此选取G通道感兴趣区域中像素均值形成的信号序列的最大功率谱对应的频率作为心率值。

心率用来描述心动周期的专业术语，是指心脏每分钟跳动的次数，以第一声音为准。正常成年人安静时的心率有显著的个体差异，平均在75次/min左右。

心率随海拔升高而增加。海拔2260m较零海拔地区的氧含量增加11.3%, 3000m增加21.1%, 3450m增加25.0%, 4100m增加33.8%。在负荷运动情况下，同一负荷随海拔升高心率绝对值增加，各海拔负荷与零海拔地区的氧含量同负荷时心率增加百分比也增加，8公里/小时在零海拔地区的氧含量跑步心率为95.1次/min, 2260m为105.1次/min, 3000m为113.0次/min, 3450m为116.6次/min，4100m为121.7次/min；在高原跑步时，心率变化的另一特点是高原同一海拔随负荷增加较零海拔地区的氧含量同负荷时心率增加百分比减少。可能在缺氧条件下，副交感神经活动增强，跑步时心率减少的部分原因。本实施例以8公里/小时和10公里/小时跑步时的心率变化为例。

为了使运动时心率与耗氧量具有关系，便于得出用户在使用跑步机时的耗氧量，海拔高度设置模块用于设置跑步机所处环境的海拔高度；海拔高度与含氧量折算模块用于根据跑步机所处环境的海拔高度折算成海拔高度的含氧量；

具体的，

由表中数据可见, 当心率平均值为92次/ 分以下时, 每搏耗氧量为7.576毫升, 心率为110次/分以下时每搏耗氧量为8.691毫升, 心率达130次/分以下时, 每搏耗氧量为9.130毫升, 当心率升高到150次/分时, 每搏耗氧量为9.067毫升。心率升高到165次/分时，每搏耗氧量为9.130毫升。心率达到175次/分时每搏耗氧量为9.130毫升。这样就折算出用户在使用跑步机时，在不同跑步的速度下所需要的耗氧量。

为了进一步使心率的折算更为准确，跑步机运行速率折算心率模块用于根据跑步机所处环境的海拔高度以及跑步机运行速率，实时将跑步机运行速率折算成当前用户的心率；即为可以预先设定根据跑步机所处环境的海拔高度以及跑步机运行速率，实时将跑步机运行速率折算成当前用户的心率；这样按照正常的计算方式，可以得出心率值。

心率修正模块用于根据心率计算模块实时计算出的心率与跑步机运行速率折算心率模块实时将跑步机运行速率折算成当前用户的心率进行加权平均得到实时的修正心率；心率与耗氧量折算模块用于将修正心率折算成用户的耗氧量；

这样将两个心率值做了加权平均得到实时的修正心率，提高获取心率值的准确性。

氧含量接收模块用于接收氧含量传感器感应玻璃罩体内的含氧量；氧量比较模块用于对氧含量接收模块接收的玻璃罩体内含氧量与心率与耗氧量折算模块折算的用户耗氧量进行比较；

供氧控制模块用于根据跑步机所处环境的海拔高度，对玻璃罩体内进行加氧，使玻璃罩体内的含氧量与零海拔地区的氧含量相同；这样在玻璃罩体内跑步时与零海拔地区的氧含量的含氧量相同。

供氧控制模块还用于根据氧量比较模块对氧含量接收模块接收的玻璃罩体内含氧量与心率与耗氧量折算模块折算的用户耗氧量的比较结果，当玻璃罩体内含氧量低于用户耗氧量时，控制加氧装置增加对玻璃罩体内加氧；当玻璃罩体内含氧量高于用户耗氧量，并且玻璃罩体内的含氧量与零海拔地区的氧含量相同时，控制加氧装置减少对玻璃罩体内进行加氧；供氧控制模块使玻璃罩体内部的含氧量保持在稳定的水平，给用户一个舒适的环境。

为了避免用户在高原上，心率长时间处于在175次/分以上而影响身体健康。心率持续时间计量模块用于当跑步机用户的心率在175次/分持续预设的时长时，心率持续时间计量模块通过电机控制模块控制电机进行降速；

本实施例中，为了能使精准的控制电机运行，保证跑步机运行稳定。而且具有一定的调速均匀，提高用户体验。如图7所示，电机控制模块包括：三相全波整流器21、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C2、隔离模块26、DSP芯片24、三相逆变器22；

DSP芯片（Digital Signal Process）即数字信号处理技术，DSP芯片即指能够实现数字信号处理技术的芯片。DSP芯片21既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能。

三相全波整流器21输入端与外电源连接，三相全波整流器21输出端一通过电阻R1与三相逆变器22的输入端一连接，三相全波整流器21输出端二通过电阻R5与三相逆变器22的输入端二连接，三相全波整流器21输出端三通过电阻R2与三相逆变器22的输入端三连接；

电阻R6与电阻R7形成串联电路一，串联电路一与电容C2形成并联电路一，并联电路一的一端与三相全波整流器21输出端一和三相逆变器22的输入端一的连接线路连接，并联电路一的另一端与三相全波整流器21输出端二和三相逆变器22的输入端二的连接线路连接；

电阻R3、电阻R4形成串联电路二，串联电路二与电容C2形成并联电路二，并联电路二的一端与三相全波整流器21输出端一和三相逆变器22的输入端一的连接线路连接，并联电路二的另一端与三相全波整流器21输出端三和三相逆变器22的输入端三的连接线路连接；

三相逆变器22的输出端与电机23连接；电容C1和电容C2分别用于储能滤波；电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7分别用于限流，防止线路上电时，电流过大，并且限制对电容的充电电流，在电容放电时，限制放电电流过大；

隔离模块26实现信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高，避免干扰。

DSP芯片21包括：脉冲宽度调制模块28、速度反馈模块29、串行外接口27、急停模块；

急停模块用于控制电机急停；脉冲宽度调制模块28与三相逆变器22连接，用于通过调节三相逆变器22的输出脉冲的宽度、频率、幅值调节电机23的输出转速；电机23内部设有速度传感电路，在电机23的机座上设有三个互差120°电角度的定子位置传感器速度反馈模块29通过隔离模块26分别与定子位置传感器和速度传感电路连接；定子位置传感器与用于输出三个脉宽为180°电角度的位置信号，速度传感电路用于输出速度信号，速度反馈模块用于接收定子位置传感器和速度传感电路输出的信号；串行外接口27与显示器10连接，串行外接口用于将电机的工作状态输出显示器显示；

玻璃罩体1内还设有用于感应玻璃罩体1内温度的温度传感器、用于感应玻璃罩体1内湿度的湿度传感器；

体测控制系统还包括：温度接收模块、湿度接收模块、身份ID模块、数据处理模块、数据存储模块、人机交互模块、跑步计时模块、跑步计速模块、跑步距离计量模块、卡路里消耗计算模块、个性化设置模块、计时模块、数据收发送模块、数据管理模块、事件管理模块、报表模块、IP地址管理模块、安防模块、信息交流模块；

温度接收模块用于接收温度传感器感应玻璃罩体内的温度；湿度接收模块用于接收湿度传感器感应玻璃罩体内的湿度；

身份ID模块用于使用户设置个人身份信息，将个人身份信息储存在数据存储模块内，并在每次使用跑步机时，对用户信息进行连续记录储存；每个使用跑步机的用户可以设置自己的身份ID。体测控制系统根据每个用户的身份ID建立一个数据库，对用户使用跑步机的情况进行储存，使用户每次使用都有一定的延续性。

数据处理模块用于将得到的各种数据进行整理，将得到的各类原始数据信息与个性化设置模块设置的阈值以及往期使用跑步机数据，进行对比形成资源统计信息；为了增加用户训练的目标，用户可以通过个性化设置模块根据个人需要设置当次跑步的距离、时长、速度，每次训练设置了目标，使用户可以根据目标来完成训练，也可以与往期的数据进行比较，提高用户体验。

跑步计时模块用于计量用户当次使用跑步机的时长；跑步计速模块用于计量用户当次使用跑步机的平均速度、最大速度、最小速度；跑步距离计量模块用于计量用户当次使用跑步机的距离；卡路里消耗计算模块用于计量用户当次使用跑步机所消耗的卡路里；

数据存储模块用于采用开放的存储平台Oracle、MySQL或者Sybase来进行系统的数据存储，并保存每个用户历史数据，生成相应的趋势分析报告，进行保存；

计时模块用于根据获取的北斗时钟源时间信息设置运行时间；这样尽管跑步机设置在不同的时区，通过北斗时钟源时间可以统一时间，便于用户之间进行交流。共享训练信息。

所述数据收发送模块用于使体测控制系统收集、整理、分析的数据通过WIFI或者zigee或CAN的形式与服务器或者与手机、或者与电脑进行数据交互，共享数据存储模块储存的数据信息，并接收服务器或者手机、或者电脑发送的数据信息；

所述数据收发送模块包括：发送数据处理模块、差分编码模块、PN码频谱扩展模块、调制模块、数控振荡器模块、解调模块、带通滤波器、差分解调模块、输出处理模块、频率控制模块；

发送数据处理模块用于对服务器将要发送数据字符，进行由单I/O数据转换为双位数据；

差分编码器用于对转换为双位的数据字符，进行差分编码以避免相位模糊；

PN码频谱扩展模块用于使PN码与I通道和O通道的数据字符分别进行模二加，对每个要发送的数据字符都用扩频器的全码序列进行运算，其中PN码预先存储在移位寄存器中，扩频后的I通道和Q通道的数据分别送到调制模块；

调制模块用于利用NCO输出的正弦和余弦信号来调制经过编码和扩频的数字信号，产生一个数字化的已调制的中频输出信号。

数控振荡器模块用于以系统时钟为时钟信号产生高频率分辨率的正弦和余弦信号输出，用来对发射信号进行调制，使体测控制系统接收使用；

解调模块用于对经过采样和量化接收的中频信号进行数字式下变频，产生基带信号。完成相应解调；

带通滤波器用于在滤波器中，用存储在其中的PN码进行相关运算，并分别计算出I通道和Q通道的相关运算的和。

差分解调模块用于根据带通滤波器传输的I通道和Q通道信息，进行差分解调运算，以恢复原始信息；

输出处理模块用于将差分解调模块送来的I通道和Q通道信息经过处理，恢复出原始数据；

频率控制模块用于利用I通道和Q通道产生的信息进行运算，产生频率控制信号对下变频中的输出频率进行控制和调节。

本实施例中，数控振荡器模块的主时钟为40-50MHz。最大传输速率为125-175 Kbps。工作时钟为125-175KHz。PN码长为64位，速率为4-6M/s，工作频率为4-6MHz。下变频中的工作时钟为10MHz，下变频的输出的数字正弦和余弦信号频率为4MHz。

在单I/O数据转换为双位数据中，载波相位共有四个可能的取值，而无论哪种系统，信号都可以看作是载波相互正交的两个二相PSK信号之和。发送数据处理模块的作用主要是把二进制不归零序列分成奇偶两路，每路的码元宽度由T扩展为2T。

编码和解码能减少数字信号在信道传输过程中受到的干扰。

PN码频谱扩展模块是用扩频码序列与待发射的信息信号相乘，并且扩频序列具有比数据比特窄得多的时宽，从而使扩频序列具有比数据序列高得多的频带。在本发明中，服务器和体测控制系统都工作在基带数据同步调制模式。也就是说，PN码序列与符号电平变化沿对齐，且每个符号重复一次。在接收时，也是通过在一个符号时间内同步一个PN码序列，在捕获一个PN码序列的同时，就实现了符号的同步。这样不但可以缩短捕获时间，而且还可以省去一般窄带数字通信中由锁相环路构成的时钟同步系统。保证了服务器和体测控制系统之间数据传输的精准性，使得心率获取，耗氧量数据的传输有一定准确度，减少偏差。

由于信号已经经过了差分编码，信号在调制和解调过程中主要考虑电平转换。

电平转换的实现是用经过扩频后的信号对数控振荡器的数字正弦和余弦波相乘得到的。如果以0对应低电平气，以1对应高电平，那么可以通过判断送过来的扩频信号是0还是1来通过对载波信号求补码或是直接输出来完成对载波调制。

下变频的功能主要是结合数控振荡器，将接收进来的经过采样量化的数字中频信号进行数字式下变频，从而产生基带信号，也就是待解扩的信一号。全部过程均采用数字化处理，在发射部分的调制模块中，数据信息经调制到载波上。相应的，解调时就是通过监测相邻两个符号时间内的相位变化来解调。

带通滤波器的功能就是把输入的序列通过一定的运算，满足一定的要求变成输出序列。对于用来实现扩一频信号解扩的数字滤波器模块来说，带通滤波器将数字下变频模块送来的I通道和Q通道两路信号分别经过两组延迟线，并分别与PN码寄存器中的系数进行相乘，并将结果相加。然后由一个门限判决子模块进行判决后输出解扩后的基带信号。

体测控制系统都采用了模块化软硬件设计，体测控制系统的接收端采用数字中频接收技术在中频对信号进行采样，数字中频接收技术的瞬时处理信号带宽大大增加，动态范围较大，可扩展性较好，灵活性较高，同时由于接收端中减少了模拟环节，使前端引入的噪声更少、在健身房中数据信息传递失真更小，保证用户在高原环境下的健身体验。

体测控制系统之间扩频通信实现了高度集成化；在发送信息前，由单I/O数据转换为双位数据，便于后续处理，降低了系统误码率，提高了通信质量。

数据管理模块用于从数据角度同时整合用户的距离数据、环境数据、消耗卡路里数据、计速数据、计时数据、温度数据、湿度数据、心率数据、耗氧量数据、海拔高度数据，通过线路、表格、图形的展现形式进行有机整合，通过对数据的可视化管理，让所有数据关键参数醒目地投射到显示屏上；

事件管理模块用于将得到的各类原始数据信息与个性化设置模块设置的阈值以及往期使用跑步机数据进行对比，当当前数据未达到设置的阈值或者与往期数据比较产生不良的效果时，进行报警提示；将报警信息形成报警统计，并存储；报表模块用于将用户的数据形成分析报告，用户通过分析报告准确评估整个运动情况，获悉用户自身的情况；这样使用户可以直观的了解训练信息。

IP地址管理模块用于设置IP 地址，根据IP 地址准确的定位跑步机在网络上的地址，使用户通过移动终端与跑步机通信连接；

安防模块用于对体测控制系统进行防护，防止非授权用户登录，以及非授权软件进行安装及登录系统；提高了体测控制系统的防护能力，避免病毒入侵。

信息交流模块用于使具有身份ID的用户之间共享运动信息，并通过收集各个用户的运动信息，整理形成系统整体的运动信息，按照时间段、或按照个人体貌特征、或按照性别形成一系统报告，通过梯形图、或曲线图、或图表展现在显示器上，实现运动经验的共享和管理。

本实施例中，DSP芯片还包括：故障模块；

电机控制模块还包括：电压保护模块、电流保护模块；

电压保护模块输出端与故障模块连接，电压保护模块输入端分别与电阻R6与电阻R7形成串联电路一以及电阻R3、电阻R4形成串联电路二连接；

电流保护模块输出端与故障模块连接，电流保护模块输入端与三相全波整流器输出端一和三相逆变器的输入端一的连接线路连接，或者与三相全波整流器输出端二和三相逆变器的输入端二的连接线路连接，或者与三相全波整流器输出端三和三相逆变器的输入端三的连接线路连接。

电流保护模块采用电阻和电流传感器。电流传感器可以选用霍尔电流传感器，检测电流。使用一个采样电阻来检测各相的电流。电阻值的选取根据用户需要而定，一般应该使它可以起到一个功率变换电路的过流保护作用。电压检测电路与电流检测电路基本相同，电压采样电阻位于直流母线与地之间，通过电阻分压以后，将采样电压送到检测电路是否过压。

本实施例中，为了避免用户在高原上，心率长时间处于在175次/分以上而影响身体健康。当跑步机用户的心率在175次/分以上持续预设的时长时，心率持续时间计量模块通过电机控制模块控制电机进行降速；这里进行调速主要通过速度传感电路来感应速度，进而对电机进行调速。为了保证感应速度的准确性，速度传感电路包括：传感芯片、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、光耦隔离U1、光耦隔离U2、光耦隔离U3、磁极传感器一、磁极传感器二、磁极传感器三；

光耦隔离U1的输入端一通过电阻R14与电源连接，光耦隔离U1的输入端一还与磁极传感器一连接；光耦隔离U1的输入端二接地；

光耦隔离U2的输入端一通过电阻R15与电源连接，光耦隔离U2的输入端一还与磁极传感器二连接；光耦隔离U2的输入端二接地；

光耦隔离U3的输入端一通过电阻R16与电源连接，光耦隔离U3的输入端一还与磁极传感器三连接；光耦隔离U3的输入端二接地；

光耦隔离U1的输出端一通过电阻R11与传感芯片二号脚连接；光耦隔离U1的输出端二接地；

光耦隔离U2的输出端一通过电阻R12与传感芯片三号脚连接；光耦隔离U2的输出端二接地；

光耦隔离U3的输出端一通过电阻R13与传感芯片四号脚连接；光耦隔离U3的输出端二接地；

传感芯片一号脚接电源，五号脚接地；磁极传感器一、磁极传感器二、磁极传感器三分别设置在转子轴上；

磁极传感器一、磁极传感器二、磁极传感器三获取转子位置信号，将转子位置信号经过光耦隔离U1、或光耦隔离U2、或光耦隔离U3后，送入传感芯片；

传感芯片通过磁极传感器一、磁极传感器二、磁极传感器三获取转子位置信号，在每一个电流环更新中断服务子程序中检测I/O口的电平状态，实时获得磁极传感器一、磁极传感器二、磁极传感器三输出的信号，实时确定转子位置，向寄存器写入相应的位置信息，并将位置信息传给DSP芯片。

本实施例中，通过面部区域设置模块、光源收发器、面部识别模块、视频预处理模块、视频放大处理模块、心率信号消噪处理模块、心率值转换模块可以获取用户的心率值。还可以通过接触式心率检测仪获取用户的心率。具体的，体测控制系统包括：接触式心率检测仪；接触式心率检测仪用于使用户佩戴，使接触式心率检测仪感应用于的心率，使心率修正模块根据接触式心率检测仪实时感应的心率与跑步机运行速率折算心率模块实时将跑步机运行速率折算成当前用户的心率进行加权平均得到实时的修正心率，心率与耗氧量折算模块将修正心率折算成用户的耗氧量。

这样可以通过两种方式获取用户的心率，进而计算耗氧量，对玻璃罩体内进行加氧。而跑步机运行速率折算心率模块是根据以往的经验，由跑步机运行速率以及跑步机所处环境的海拔高度，折算成用户当前的心率。这个是由经验获得的，由于人的个体差异具有一定的误差，为了减小这个误差，本发明中引入了面部区域识别的方式获取用户的心率。还可以通过接触式心率检测仪获取用户的心率。这样尽量保证了耗氧量的计算精准，使在高原环境可以是用户进行训练，能够快速适应高原环境。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参考即可。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。