本发明涉及群组心肺耐力测试和个性化训练装置和方法，尤其涉及基于一种简易的压感台阶的群组化心肺耐力测试和个性化训练装置及方法。
背景技术：
当前，我国国民的体质健康状况总体呈下降趋势，代谢性疾病、心脑血管疾病、肿瘤等慢病的发病率持续增加，而一些特殊群体，如戒毒、劳教、监狱人员等因为先前不健康的生活方式和之后单一的管理环境，也存在很多亟待解决的健康问题，如何实现科学化的管理和人性化的关怀，是国家实现长久稳定发展的重要问题。
目前的心肺耐力测试国内外常用的主要包括：(1)场地测试：库博12min跑测试和20m往返跑测试；(2)基于功率车或跑步机的astrand测试法等；(3)基于台阶的二步台阶测试、一步台阶测试等。场地测试对于一些单一封闭的环境不适宜，如劳教所、戒毒所、监狱；功率车或跑步机又过于昂贵，不适合批量化测试。
关于台阶测试，目前国内应用的主要是基于普通台阶的一步台阶测试法，固定时间(3分钟)、固定节拍频率(上下台阶30次/分钟，一次指从预备姿势开始，听到第一响声时，一只脚踏在台阶上；第二响声时，踏台腿伸直，另一脚跟上台并立；第三响声时，先踏台的脚下地；第四声时，另一只脚也下地还原成预备姿势。)来测试，仅通过运动后心率来判断运动的强度、评估心肺耐力水平，并在《中国成年人体质测定标准手册》中属于惯用手法。此种方法优点是可以在室内进行，不需要昂贵的设施，并可以在很短的时间内完成。然而当前方法中没有考虑到用户对于固定时间和固定节拍频率时的运动耐受程度，大多用户无法坚持完成或跟不上上下台阶的频率，并且运动过程中缺乏心率监测和疲劳程度的评估，所以运动风险较高，且也有文献证明测试结果的精确度也不高。
当前测试过程中，还需要人为对用户上下台阶的频率进行监督，因为一旦测试中跟不上上下台阶频率达到3次就需要立即停止运动，否则会影响测试结果的评估，然而监督过程中人为主观因素较多，误差较大，群组测试或训练时监管的人力成本较高。
技术实现要素：
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于压感台阶的群组心肺耐力测试和个性化训练装置及方法，通过监测运动过程中的压力分布和心率变化数据，对人群同时进行群组化的心肺耐力测试，测试后生成个性化的指导方案，通过无线音频传输装置，从而实现个性化的训练。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
一种基于压感台阶的群组心肺耐力测试和个性化训练装置，包括：压感台阶装置、无线心率监测装置、服务平台和无线音频传输装置；
所述压感台阶装置包括台阶装置和压力传感器，所述台阶装置表面分布有压力传感器，所述压力传感器采集用户测试或训练时上下台阶的压力分布数据信号，经过统计处理后，获得压力分布统计数据，并将所述压力分布统计数据无线上传至服务平台；
所述无线心率监测装置采集和上传用户测试或训练时的实时心率数据至服务平台；所述服务平台收集、存储用户的基本信息；接收无线心率监测装置和压感台阶装置上传的所述数据，服务平台根据上传的数据进行心肺耐力评估，给出训练指导方案，所述训练指导方案包括节拍频率和训练时间，所述节拍频率再转化成节拍音频；
所述无线音频传输装置接收所述节拍音频，所述节拍音频输出给用户，指导用户训练。
所述压力分布统计数据包括用户上下台阶的频率数据和用户压力分布变化的比例数据，所述用户上下台阶的频率数据指用户固定时间间隔上下台阶的次数，用于判断用户测试或训练时能否跟上节拍频率，所述用户压力分布变化的比例数据指用户运动中的压力分布点移动变化的比例，当达到设定的所述比例时，即可判断用户接近疲劳，通知用户休息。
所述压感台阶装置能够对群组用户同时进行心肺耐力测试和个性化的台阶训练；所述个性化的台阶训练指每个用户接收所述训练指导方案不同，群组用户通过佩戴所述无线音频传输装置进行个性化的训练。
所述台阶装置由多节段的台阶组成，每节段台阶的高度均能够调节；所述压力传感器采集用户测试或训练时上下台阶的压力分布数据信号，经过统计处理后，获得压力分布统计数据，所述压力分布统计数据包括用户上下台阶的频率数据和用户压力分布变化的比例数据，通过所述的用户上下台阶的频率数据判断用户测试或运动时是否能跟上节拍频率，便于及时指导，实现群组用户同时进行心肺耐力测试，所述用户压力分布变化的比例数据指用户运动中的压力分布点移动变化的比例，每个用户的训练指导方案不同，台阶训练时达到设定的所述比例的时间不同，实现群组用户同时进行个性化的台阶训练。
所述服务平台接收无线心率监测装置和压感台阶装置上传的数据，进行心肺耐力评估时是根据心率和压力分布统计数据可判断用户训练时强度和时间是否适宜，保证用户训练时的安全性，服务平台能及时调整训练指导方案，形成用户与服务平台对训练指导方案的执行、调整到再执行的闭环系统。
本发明一种基于压感台阶装置的群组心肺耐力测试和个性化训练方法，包括以下步骤：
步骤1、用户基本信息收集；
步骤1.1、通过运动风险评估问卷获得用户的健康信息；
步骤1.2、根据所述基本信息和健康信息，进行用户筛选获得适宜运动人群，并进行运动风险评估获得运动风险评估结果；
步骤2、服务平台预先设定测试或训练时固定时间间隔用户应达到的上下台阶的频率数据，测试时通过压感台阶获取用户上下台阶的频率数据，两种数据比对，判断用户是否跟上节拍频率，并统计固定时间间隔未跟上节拍音频的次数；
步骤3、服务平台根据运动风险评估结果设定用户测试时的心率上限值和用户压力分布变化的比例数据的上限值，根据上限值限定用户测试时的最大耐受强度，确保用户测试时的安全性；
步骤4、基于压感台阶的群组心肺耐力测试和个性化训练装置，群组用户可同时进行心肺耐力测试，测试时用户均佩戴心率表或心率带；
步骤5、用户测试时上传实时心率，压感台阶表面的压力传感器会上传压力分布统计数据，所述压力分布统计数据包括用户上下台阶的频率数据和用户压力分布变化的比例数据，服务平台通过所述的用户上下台阶的频率数据判断用户测试时是否能跟上节拍频率，若无法跟上，服务平台会提示管理员，管理员指导用户停止测试；
步骤6、服务平台根据用户测试时上传的实时心率、用户运动结束后1分钟至1分30秒、2分钟至2分30秒、3分钟至3分30秒的三个恢复期的心率评估用户心肺耐力水平；
步骤7、服务平台根据用户心肺耐力水平，给出用户的个性化台阶训练指导方案，方案中包括节拍频率和运动时间；
步骤8、用户佩戴无线蓝牙耳机，接收适合自己的节拍频率，根据自己的节拍进行训练，训练中继续佩戴心率表或心率带；
步骤9、服务平台根据用户训练时的心率曲线和压力分布统计数据变化，判断用户此次训练强度是否适宜，进行适当调整，便于下一次训练。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明基于压感台阶，将传感器应用到圧感台阶表面，可以采集和监测运动过程中用户上下台阶的压力分布数据信号，并且结合无线心率监测装置获取的用户运动过程中的实时心率，综合评估心肺耐力水平，精确度更高，服务平台可通过上传的用户上下台阶的频率数据进行判断用户测试或训练时能否跟上上下台阶频率，便于立即终止用户测试或调解训练时节拍频率，更适合群体化测试或训练的管理。
(2)通过运动过程中的心率变化结合压力分布统计数据，通过压力分布变化的比例数据实时监督运动中的疲劳程度，因为用户在运动无法坚持时，会有不同的表现，心率急速增高或运动时身体姿势发生变化，通过这两项指标综合评估一次指导方案的训练强度是否适宜，安全性和科学性更强。
(3)本发明包括压感台阶装置、无线心率监测装置、服务平台和无线音频传输装置，具体实施中造价成本低廉，原理和装置构造简单、执行时易控制，较适合批量人群使用。
(4)本发明测试时每节段台阶高度可调，通过服务平台判断用户上下台阶的频率，当用户跟不上上下台阶频率达到3次就指导其立即停止运动，用户通过佩戴无线心率监测装置，上传实时心率，实现群组用户同时测试；训练时通过个性化的指导方案和用户佩戴无线音频传输装置，实现群组用户同时进行个性化的训练，比较适合封闭式管理、群体化科学训练的人群环境，如监狱、戒毒、劳教等领域。通过台阶式训练，不仅可提高心肺耐力水平，还可锻炼下肢力量，提高骨质强度。
(5)本发明测试和训练时，通过服务平台进行测试或训练的启动、监督和控制，集中化管理，可控性强，并节省了群体化管理的人力成本。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图中显示：压感台阶装置1；无线心率监测装置2；服务平台3；无线音频传输装置4。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细的说明。
如图1所示，本发明一种基于压感台阶的群组心肺耐力测试和个性化训练装置包括：压感台阶装置1、无线心率监测装置2、服务平台3和无线音频传输装置4。
压感台阶装置1由台阶装置和压力传感器组成，所述台阶装置由多节段的台阶组成，每节段台阶的高度均可调节，所述的压力传感器能接受用户上下台阶时脚踏的压力分布信号数据，根据压力分布信号数据进行压力点分布的统计分析处理，获取压力分布统计数据，所述压力分布统计数据包括用户上下台阶的频率数据(即统计固定时间间隔，如1分钟以内上下台阶的次数)和用户压力分布变化的比例数据，通过所述的用户上下台阶的频率数据判断用户测试或运动时是否能跟上节拍频率，便于及时指导，实现群组用户同时进行心肺耐力测试。测试或训练时，根据要求，事先设定固定时间间隔(如2秒钟或是1分钟)用户应该要达到的上下台阶的频率(如1次/2秒或30次/分钟，上下台阶1次指从预备姿势开始，听到第一响声时，一只脚踏在台阶上；第二响声时，踏台腿伸直，另一脚跟上台并立；第三响声时，先踏台的脚下地；第四声时，另一只脚也下地还原成预备姿势。)，在测试或训练过程中，将与压力传感器实际获得的用户上下台阶的频率数据进行对比，若用户上下台阶的频率数据小于事先设定的用户应该要达到的上下台阶的频率时(如实际用户上下台阶频率为28次/分钟，那么28＜30，则认为这一分钟，用户跟不上节拍频率至少2次)，则认为用户跟不上节拍频率。
如若用户测试时出现跟不上上下台阶频率达到3次，服务平台便提示管理员“测试终止”，管理员指导其立即停止运动，若训练时出现跟不上上下台阶频率达到5次，则服务平台便提示管理员“用户跟不上频率，请降低训练频率”，管理员便通过服务平台给予较低的节拍频率，通过无线蓝牙耳机传输给用户，指导用户训练。
所述用户压力分布变化的比例数据指用户运动中的压力分布点移动变化的比例，当用户运动接近疲劳时，用户上下台阶的压力分布点会有变化。每个用户的训练指导方案不同，台阶训练时达到设定的所述比例的时间不同，用户通过实现群组用户同时进行个性化的台阶训练。本发明具体实施时，首先进行人群实验，找出刚开始疲劳时，压力分布变化的程度，获得压力分布统计数据，即压力分布点移动的比例(如压力分布点移动的比例为50％，即当50％的压力点的位置发生偏离)，当达到这个比例时，可判断用户接近疲劳，服务平台会提示“用户疲劳”，管理员可通知用户休息，若继续运动会有危险。
无线心率监测装置2采集和上传用户台阶测试或训练的实时心率数据；服务平台3收集、存储用户的基本信息，接收无线心率监测装置2和压感台阶装置1上传的数据，服务平台3根据上传的实时心率数据进行心肺耐力水平的综合评估，判断用户心肺耐力的低、中、高水平。服务平台3根据上传的用户上下台阶的频率数据判断用户测试或运动时是否能跟上节拍频率，给予不同的提示。
每个用户根据心肺耐力水平结合用户个人的健康状况，给出个性化的训练指导方案。训练指导方案包括节拍频率和训练时间，节拍频率再转化成节拍音频(根据设定的节拍频率播放音频，然后再通过蓝牙传输给不同的蓝牙耳机)；无线音频传输装置4接收所述的节拍音频，节拍音频输出给每个用户，指导用户进行个性化的训练。
下面详细介绍一种基于压感台阶的群组心肺耐力测试和个性化训练方法的具体实施过程：
步骤1、服务平台通过注册收集用户基本信息，包括性别、年龄、身高、体重、不健康的生活方式调查(吸烟、饮酒、毒品使用、药物使用情况调查)。
步骤1.1、服务平台通过运动风险评估问卷(心血管、骨骼、呼吸系统等疾病或不适症调查)获得用户的健康信息。根据所述基本信息和健康信息，进行用户筛选获得适宜运动人群，并进行运动风险评估获得运动风险评估结果，即运动风险高、中、低危，对于高危人群，可暂不进行本发明中的测试和训练，首先进行专业的康复训练，恢复体能；对于中危人群，可适当降低运动强度，如降低节拍频率和运动时间。
步骤1.2、将心率表或心率带、蓝牙耳机等的设备号与用户基本信息一一对应，便于数据上传、整理和及时发现需要指导的用户。
步骤2、服务平台预先设定测试或训练时固定时间间隔用户应达到的上下台阶的频率数据，测试时通过压感台阶获取用户上下台阶的频率数据，两种数据比对，判断用户是否跟上节拍频率，并统计固定时间间隔未跟上节拍频率的次数；
步骤3、服务平台根据运动风险评估结果设定用户测试时的心率上限值和用户压力分布变化的比例数据的上限值，根据上限值限定用户测试时的最大耐受强度，确保用户测试时的安全性；
步骤4、基于权利要求1所述一种基于压感台阶的群组心肺耐力测试和个性化训练装置，群组用户可同时进行心肺耐力测试，测试方式可选择国内常用的一步台阶测试法，通过固定时间和固定节拍频率来测试，测试时用户均佩戴心率表或心率带；
步骤5、用户测试时上传实时心率，压感台阶表面的压力传感器会上传压力分布统计数据，所述压力分布统计数据包括用户上下台阶的频率数据和用户压力分布变化的比例数据，服务平台通过所述的用户上下台阶的频率数据判断用户测试时是否能跟上节拍频率，若无法跟上，服务平台会提示管理员，管理员指导用户停止测试；如用户测试时出现跟不上上下台阶频率达到3次，服务平台便提示“测试终止”，管理员指导其立即停止运动。
用户压力分布变化的比例数据和心率会实时上传，若达到步骤3中所述的心率上限值或压力分布统计数据的上限值之一的话，从姿势变化和心脏供氧角度，判断用户达到了其运动耐受的疲劳度，指导其停止测试或训练，防止运动过度导致的摔倒或是受伤。
步骤6、心肺耐力测试结束后，服务平台记录用户完成后1分钟至1分30秒、2分钟至2分30秒、3分钟至3分30秒等3个恢复期的心率恢复曲线，计算得到台阶测试指数(台阶指数＝登台阶运动持续时间(s)×100/(2×恢复期3次心率之和))来评估人体心肺耐力水平；若未达到固定时间和台阶数时，用户已达到心率上限值或压力分布统计数据(即压力分布点移动的比例)的上限值，二者只要有任何一项达到上限即可，提示用户终止测试，同样记录终止测试后3个恢复期的心率，计算台阶测试指数来评估其心肺耐力水平，并标注达到上限值的运动持续时间，便于训练指导方案的调整。如测试者1分钟便达到了上限值，停止测试，虽然测试评估的心肺耐力水平达到了中等，但是训练时训练指导方案应先按照中低水平的强度指导其训练，防止训练时运动过度造成的损害或运动强度过大造成运动无法坚持。
步骤7、服务平台根据用户心肺耐力水平，给出用户的个性化台阶训练指导方案，根据心肺耐力水平低、中、高水平分别给予低、中、高强度的台阶训练方案；若用户测试时没有完成测试或是测试时不上上下台阶频率达到3次者，训练方案应选择低一级水平。训练方案中包括节拍频率和运动时间，具体实施时，需要通过样本试验来评估不同节拍频率(20次/分钟、25次/分钟、30次/分钟等)和运动时间(3、5、10、15分钟等)搭配后的运动强度水平，从而确定低、中、高强度的台阶训练方案组成。
步骤8、台阶训练时，群组用户均佩戴无线蓝牙耳机，接收适合自己的节拍频率，根据自己的节拍进行台阶训练，训练中继续佩戴心率表或心率带，实时心率上传。
步骤9、服务平台根据用户训练时的心率曲线和压力分布统计数据变化，判断用户此次指导方案的训练强度是否适宜，若训练时出现跟不上上下台阶频率达到5次，则服务平台便提示管理员“用户跟不上频率，请降低训练频率”，管理员便通过服务平台进行适当调整，如给予较低的节拍频率，通过无线蓝牙耳机传输给用户，指导用户训练。便于下一次训练方案的改进。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。