本发明属于学生体育检测肺活量测试，具体涉及学生体质健康肺活量测试方法、系统及设备。
背景技术：
1、肺活量，是人体重要生命体征之一，是指最大吸气后尽力呼气的气量，与性别、身高、体重、地域等指标相关并存在较大的个体差异。肺活量监测是学生体质测试的必测项目之一，进行肺活量测试时，需使用者使用漏斗式吹嘴向测试的仪器用力呼气，而目前市面上的电子式肺活量测试计，如现有技术中申请号为cn201810708901.4的中国专利申请文件公开的一种电子肺活量测试仪及基于物联网的肺活量测试系统，电子肺活量测试仪包括壳体组件、吹气组件、压差传感器、和电子控制装置；所述吹气组件包括吹气管，所述吹气管包括节流装置，所述节流装置具有节流孔；所述电子控制装置包括肺活量主控板，所述肺活量主控板包括主控电路、存储模块和流量测量电路；所述存储模块包括压差-流量函数程序模块和肺活量计算模块，其中，所述压差-流量函数是压差-流量分段拟合函数；所述肺活量计算模块借助于所述压差-流量函数程序模块能够通过积分计算得到总的肺活量值。但是现有技术中，由于采用的电子感应器的原理不同、生产商不同，或者即使同一品牌同一型号的肺活量计，使用几个月后，因为电子零部件老化、外力震动使感应器的敏感性能降低等原因，导致同一个人使用不同的肺活量计测试时，采集的肺活量数值有几百毫升的偏差。如果在没有对肺活量计进行校准操作的情况下，检测者直接进行肺活量检测，可能会导致肺活量测试数据的不准确，无法准确地反映体育达标测试(即学生体质健康测试)过程中的肺活量指标是否达到不及格、及格、良好和优秀等相应的评定标准。
2、因此，急需一种可以对压差式肺活量测试仪在测试过程中的压力值进行准确滤波去噪并有效提取有效的压力值信号，并且对于肺活量计算过程中造成流过连通管而产生阻力形成阻力曲线的圆柱状面积中的气体流通过的单位环形面积而流通过的流量进行进一步细致性的模型构建，并根据肺活量检测后进行不及格、及格、良好和优秀的评级的学生体质健康肺活量测试方法、系统及设备。
技术实现思路
1、本发明针对上述缺陷，提供一种学生体质健康肺活量测试方法、系统及设备。本发明提供的方法通过在进气端和出气端设置具有多个轴向平行的毛细管对进气端呼进的气体形成阻力，再通过压差传感器实时监测进气端和出气端的压力差，对压力值信号进行快速傅里叶变换后，经过消除复信号实部和虚部的直流偏置进而起到滤波去除高斯白噪声的技术效果后，进一步进行快速傅里叶逆变换，得到压力值信号的解析信号，便于后续的包络线提取，通过包络线提取剔除能量值较低的压力值信号，完成高通滤波后，实现了进一步提高后续肺活量检测仪瞬时流量动态模型计算记过的准确度的技术效果，通过利用进气端和出气端压力值差值构建具有环状截面流体单位增量的肺活量检测仪瞬时流量动态模型，能够从微观上反应压力值对肺活量单次检测时长t内的肺活量结果的影响。
2、本发明提供如下技术方案：学生体质健康肺活量测试方法，所述方法基于压差式肺活量检测仪对肺活量进行检测，所述包括以下步骤：
3、步骤1：实时监测肺活量检测仪进气端和出气端的压力值pi(t)；i为in或out；
4、步骤2：对采集到的压力值进行快速傅里叶变换，得到频域内的离散压力值，并进行去噪预处理，得到去除噪声后的离散压力值
5、步骤3：根据所述步骤2得到的去处噪声后的离散压力值，进行快速傅里叶逆变换，得到去除噪声后的离散压力值的解析信号
6、步骤4：根据所述步骤3得到的解析信号提取肺活量检测仪进气端的上包络线以及出气端的压力值曲线上包络线；去除肺活量检测仪进气端和出气端的压力值曲线上包络线上能量值低于剔除能量阈值的点；
7、步骤5：计算单次吹气时长的时间范围内的肺活量；
8、步骤6：根据所述步骤1～所述步骤5构建的肺活量检测模型，进行三次肺活量检测，计算三次肺活量的平均值，判断肺活量检测平均值是否达到相应的肺活量测试标准，给出相应的评定等级。
9、可选的，所述步骤2包括以下步骤：
10、步骤21：对采集到的压力值pi(t)进行快速傅里叶变换，得到频域内的离散压力值pi(ω)：
11、
12、其中，i为in或out，当i为in时，pin(t)为所述步骤1实时监测得到的肺活量检测仪进气端压力值，pin(ω)为对pin(t)快速傅里叶变换得到的频域内进气端离散压力值；当i为out时，pout(t)为所述步骤1实时监测得到的肺活量检测仪出气端压力值，pout(ω)为对pout(t)快速傅里叶变换得到的频域内出气端离散压力值；ω＝2πf，f为采样频率；j为虚数；
13、步骤22：对得到的频域内的第n个离散压力值pi(n)进行高斯白噪声表示：
14、pi(n)＝pr,i(n)+θsi(n)；
15、其中，pi为pi(ω)的简写，pr,i(n)为频域内第n个离散压力值的真实值，si(n)为频域内第n个离散压力值pi(n)的高斯白噪声，θ为高斯白噪声权重系数；
16、步骤23：计算频域内的第n个离散压力值pi(n)的高斯白噪声si(n)偏离样本离散压力高斯白噪声均值的偏移差dei(n)以及频域内的第n个离散压力值pi(n)偏离总样本的真实值的均值的偏移差δpi(n)：
17、
18、其中，n为经过所述步骤21的快速傅里叶变换得到的频域内离散压力值的总数；si(m)为经过快速傅里叶变换得到的频域内的第m个离散压力值的高斯白噪声，为样本离散压力高斯白噪声均值；
19、
20、其中，ai(n)为频域内的第n个离散压力值pi(n)的幅值，为频域内第n个离散压力值pi(n)的相位，ar,i(m)频域内的第m个离散压力值的真实值pr,i(m)的幅值，为频域内第m个离散压力值的真实值pr,i(m)的相位；m∈{0,1,2,…,n-1}，n∈{0,1,2,…,n-1}；
21、步骤24：计算n个频域内的离散压力值pi(n)偏离总样本均值的偏移差δpi(n)与n个高斯白噪声si(n)偏离样本离散压力高斯白噪声均值的偏移差dei(n)的互相关特征值cri、频域内的n个高斯白噪声si(n)偏离样本离散压力高斯白噪声均值的偏移差dei(n)的自相关特征值sci以及频域内的高斯噪声自共轭特征值coi；
22、步骤25：构建高斯噪声最小化优化权重求解模型：
23、
24、其中，为互相关特征值cri的复共轭，为取计算结果的实部；求解得到使频域内的高斯噪声最小的最优权重θbest，θbest使频域内的第n个离散压力值pi(n)的高斯白噪声si(n)偏离样本离散压力高斯白噪声均值的偏移差dei(n)以及频域内的第n个离散压力值pi(n)偏离总样本的真实值的均值的偏移差δpi(n)均达到稳定，且此时高斯白噪声最小；
25、步骤27：根据所述步骤26求解得到的使频域内的高斯噪声最小的最优权重θbest，计算去除噪声后的频域内的第n个离散压力值
26、
27、可选的，所述步骤24中频域内的n个离散压力值pi(n)偏离总样本均值的偏移差δpi(n)与n个高斯白噪声si(n)偏离样本离散压力高斯白噪声均值的偏移差dei(n)的互相关特征值cri的计算公式如下：
28、
29、其中，为频域内的第n个离散压力值pi(n)的高斯白噪声si(n)偏离样本离散压力高斯白噪声均值的偏移差dei(n)的复共轭；为求取的实部；
30、所述步骤24中频域内的n个高斯白噪声si(n)偏离样本离散压力高斯白噪声均值的偏移差dei(n)的自相关特征值sci的计算公式如下：
31、
32、所述步骤24中频域内的高斯噪声自共轭特征值coi的计算公式如下：
33、
34、其中，为频域内的第n个离散压力值pi(n)的高斯白噪声si(n)偏离样本离散压力高斯白噪声均值的偏移差dei(n)的复共轭。
35、可选的，所述步骤3中根据所述步骤2得到的去除噪声后的频域内的第n个离散压力值进行快速傅里叶逆变换，计算去除噪声后的频域内的第n个离散压力值的解析信号
36、
37、其中，为频域内的第n个离散压力值的解析信号的实信号振幅，为频域内的第n个离散压力值的解析信号的实信号相位，为与频域内的第n个离散压力值的解析信号的实信号振幅对应的经过快速傅里叶逆变换得到的时域内幅值，为与频域内的第n个离散压力值的解析信号的实信号相位对应的经过快速傅里叶逆变换得到的时域内相位。
38、可选的，所述步骤4包括以下步骤：
39、步骤41：构建根据解析信号提取肺活量检测仪进气端的压力值曲线上包络线以及出气端的压力值曲线上包络线的计算公式：
40、其中，li为肺活量检测仪的压力值曲线上包络线；|·|为计算模函数，即代表计算的模，为计算的模，代表计算的模，
41、步骤42：计算压力值pi(t)的能量值ei：
42、
43、其中，为与频域内的第n个离散压力值pi(n)的幅值ai(n)对应的时域内幅值；
44、步骤43：构建去除肺活量检测仪进气端和出气端的压力值曲线上包络线上能量值较低的点的剔除能量阈值ei,thr的计算公式：
45、
46、步骤44：判断计算得到的压力值pi(t)的能量值ei低于所述剔除能量阈值ei,thr是否低于剔除能量阈值ei,thr，当计算得到的压力值pi(t)的能量值ei低于所述剔除能量阈值ei,thr时，则去除相应的压力值曲线上包络线上t时刻采集到的压力值pi(t)，否则保留包络线上t时可采集到的压力值pi(t)。
47、可选的，所述步骤5中构建的肺活量检测仪瞬时流量动态模型包括以下步骤：
48、步骤51：根据所述步骤4得到的进气端的压力值曲线上包络线以及出气端的压力值曲线上包络线，计算t时刻肺活量检测仪进气端与出气端的连通管内气体实时流动稳态模型：
49、
50、其中，v为气体流经肺活量检测仪进气端与出气端连通管的实时流速；σ为气体在连通管内流通过程中的粘滞系数；
51、步骤52：根据所述步骤51构建的模型，得到t时刻气体在肺活量检测仪进气端与出气端连通管的厚度为dr的环状截面流体单位增量的单位流速dv，以及在实施流速为v的情况下流过厚度为dr的环状截面流体单位增量的流量dq：
52、
53、dq＝v2πrdr
54、其中，l为肺活量检测仪进气端与出气端连通管的长度；
55、步骤53：计算t时刻在半径为r的肺活量检测仪进气端与出气端连通管内m个毛细管的整个管道截面的流量：
56、
57、步骤54：根据所述步骤53的计算结果，计算单次吹气时长为t的时间范围内肺活量v：
58、
59、其中，t0为吹气时长开始计时时刻。
60、可选的，所述步骤6中的肺活量测试标准即相应的评定等级如下：
61、1)、对于大一至大二的男生：4800ml≤v≤5040ml，评定为优秀；4300ml＜v≤4550ml，评定为良好；3100ml≤v≤4180ml，评定为及格；2300ml≤v≤2940ml，评定为不及格；
62、2)、对于大三至大四的男生：4900ml≤v≤5140ml，评定为优秀；4400ml＜v≤4650ml，评定为良好；3200ml≤v≤4280ml，评定为及格；2350ml≤v≤3030ml，评定为不及格；
63、3)、对于大一至大二的女生：3300ml≤v≤3400ml，评定为优秀；3000ml＜v≤3150ml，评定为良好；2000ml≤v≤2900ml，评定为及格；1800ml≤v≤1960ml，评定为不及格；
64、4)、对于大三至大四的女生：3350ml≤v≤3450ml，评定为优秀；3050ml＜v≤3200ml，评定为良好；2050ml≤v≤2950ml，评定为及格；1850ml≤v≤2010ml，评定为不及格。
65、本发明还提供一种采用如上所述方法的学生体质健康肺活量测试系统，包括压力值采集模块、预处理滤波模块、解析信号计算模块、包络线提取及杂波点去除模块、单次肺活量计算模块以及肺活量达标评定模块。
66、所述压力值采集模块，用于实时监测肺活量检测仪进气端和出气端的压力值pi(t)；i为in或out；
67、所述预处理滤波模块，用于对采集到的压力值进行快速傅里叶变换，得到频域内的离散压力值，并进行去噪预处理，得到去除噪声后的离散压力值
68、所述解析信号计算模块，用于根据所述预处理滤波模块得到的去处噪声后的离散压力值，进行快速傅里叶逆变换，得到去除噪声后的离散压力值的解析信号
69、所述包络线提取及杂波点去除模块，用于根据所述解析信号计算模块得到的解析信号提取肺活量检测仪进气端的上包络线以及出气端的压力值曲线上包络线；去除肺活量检测仪进气端和出气端的压力值曲线上包络线上能量值低于剔除能量阈值的点；
70、所述单次肺活量计算模块，用于计算单次吹气时长的时间范围内的肺活量；
71、所述肺活量达标评定模块，用于根据所述压力值采集模块至所述单次肺活量计算模块构建的肺活量检测模型，进行三次肺活量检测，计算三次肺活量的平均值，判断肺活量检测平均值是否达到相应的肺活量测试标准，给出相应的评定等级。
72、本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上所述的学生体质健康肺活量测试方法的步骤。
73、本发明还提供一种体育达标测试肺活量设备，所述设备为电子设备，包括进气端、出气端、连接进气端和出气端的连接管以及设置在连接管下部的压差传感器、处理器和存储介质；所述连接管中沿其轴向并列平行设置有多根毛细管对进气端吹进的气流形成阻力，所述压差传感器的两端分别与所述进气端和出气端电信号通信连接并在电信号输出端与处理器电信号通信连接；
74、所述存储介质用于存储指令；
75、所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行如上所述的学生体质健康肺活量测试的步骤。
76、本发明的有益效果为：
77、1、本发明提供的方法通过在进气端和出气端设置具有多个轴向平行的毛细管对进气端呼进的气体形成阻力，再通过压差传感器实时监测进气端和出气端的压力差，对压力值信号进行快速傅里叶变换后，经过消除复信号实部和虚部的直流偏置进而起到滤波去除高斯白噪声的技术效果后，进一步进行快速傅里叶逆变换，得到压力值信号的解析信号，便于后续的包络线提取，通过包络线提取剔除能量值较低的压力值信号，完成高通滤波后，实现了进一步提高后续肺活量检测仪瞬时流量动态模型计算记过的准确度的技术效果，通过利用进气端和出气端压力值差值构建具有环状截面流体单位增量的肺活量检测仪瞬时流量动态模型，能够从微观上反应压力值对肺活量单次检测时长t内的肺活量结果的影响，进而有效计算肺活量单次检测是否符合体育达标测试标准，通过三次检测加权平均提高了最终测试达标的公平性，通过方法上的模型构建，本发明提供的方法可以适用于多种具有压差传感器的压差式肺活量检测仪的肺活量检测计算，因此，本发明提供的方法可以适用于各类压差式肺活量检测仪，便于体育达标测试过程中检测结果的统一性，避免产生压差式肺活量检测仪所采用的计算方法不一致所造成的系统误差，进而避免上述情况导致的各个不同学校或不同地域的肺活量测试结果没有可比性的现象发生。
78、2、本发明通过将采集到的进气端和出气端的压力值信号经过快速傅里叶变换，转换得到相应的频域内的离散压力值信号，在后续的肺活量检测仪两端的压力值信号的上包络线提取之前必须消除复信号实部和虚部的直流偏置，否则会影响相位质量，因此本文采用均值相消的方法去除直流偏置，经过求解与二者的互相关特征值cri、二者的自相关特征值sci以及频域内的高斯噪声自共轭特征值coi相关的，使频域内的高斯噪声最小的最优权重θbest，进而使滤波去噪后的肺活量检测仪两端的压力值信号相对于随机抖动和呼吸带来的相位偏移很微弱，经过快速傅里叶变换得到频域内的相位提取并计算n个离散压力值pi(n)偏离总样本均值的偏移差δpi(n)与n个高斯白噪声si(n)偏离样本离散压力高斯白噪声均值的偏移差dei(n)，进而滤波去噪后，肺活量检测仪两端的压力值信号明显增强。
79、3、本发明通过将滤波去噪后的肺活量检测仪两端的压力值信号再次进行快速傅里叶逆变换，能够便于后续的解析信号的提取以及时域内的包络线提取。
80、4、本发明通过进一步对快速傅里叶逆变换得到的时域内的相应的压力值信号的解析信号，对在时域内的解析信号进一步计算其相应的模，进而计算压力值信号的能量值ei，并构建以及高通滤波的剔除能量阈值ei,thr，剔除能量阈值ei,thr对应的时域内所在的点的相位频率即为截止频率，滤波器在输入信号频率低于该频率时，输出信号能量高于到指定比例的频率。截止频率越高,滤波效果越好,对低频成分的衰减也越大。进而能够有效判断该信号点值是否该剔除，以提高包络线提取的准确度。进而通过包络线提取后的低频能量剔除，获得无低频信号干扰的纯重构时域内压力值信号。重建的时域内压力值信号包含对肺活量检测仪最终计算得到的肺活量检测时间段内的流量做出正确决策的信息。
81、5、本发明提供的方法通过压差传感器实时监测进气端和出气端的压力值，进而根据步骤4提取的进气端压力值上包络线和出气端压力值上包络线中各个时刻的压力值点进一步构建肺活量检测仪瞬时流量动态模型，进而得到单位时间内的进气端和出气端的流量值，再进一步计算在单次的整个吹气肺活量检测时长t内的肺活量v，通过构建具有换装截面流体单位增量的肺活量检测仪瞬时流量动态模型，从微观上准确反映了进气端和出气端的压力值对肺活量计算的影响，进而为肺活量的计算提供了微观动态模型。