結合音樂播放裝置與生理量測之跑步機平台設計
The Design of a Treadmill Platform Combining a Music Playing Device and the Physiological Measurement
陳昌廷
1廖紹傑
1湯士滄
2林俊宏
1*Chen-Chang-Ting, Shaochieh Liao, Jiun-Hung Lin, Shih-Tsang Tang
1崑山科技大學 電子工程學系 2銘傳大學 生物醫學工程學系 台灣 台南市 台灣 桃園縣
Department of Electronic Engineering, Department of Biomedical Engineering, Kun Shan University, Tainan, TAIWAN. Ming Chuan University, Taoyuan, TAIWAN.
摘要
隨著有規律運動習慣人口的增加，漸漸的運動器材 的需求量越來越大，種類也越來越多，其中以居家生活 中的運動器材更為受到重視。本論文以跑步機來做為運 動器材設計的主軸，除了具備市面上跑步機的基本功能 外，如顯示跑步的時間、距離、速度、身體能量消耗計 算...等等功能，以及心跳量測功能搭配生理數據記錄功 能，讓使用者瞭解自己運動中生理負荷之狀況，並且結 合音樂播放裝置，讓運動者透過音樂來舒緩運動時的壓 力，達到放鬆心情，享受運動的效果。
關鍵詞:跑步機、音樂播放、生理
Abstract
With the increased population of regular exercise, the demand of sports equipment has been enhanced as well as the variety has become more complicated, in which home sports equipment are getting emphasized. Based on treadmills, which are equipped with basic functions of displaying time, distance, speed, and energy consumption as well as recording heart rates and physical data for the users being aware of the physiological workload in the exercise, the combination of music playing device allows the exerciser to release the pressure in exercise. It tends to relax the exercisers and have them enjoy the effect of exercise.
Keyword: Treadmill、music playing、physiological
I.前言
在現代的社會中身體健康是人最重要的資產，沒有 健康的身體，再多的財富都是沒有意義的，因此對於身 體上的保健，不外乎的就是運動，養成良好的運動習慣
是健康的開始，經研究證實在運動對於生理及心理的益 處[1-4]。為了普及全民運動風氣，強化國民體質，行政 院體委會也開始執行運動計畫，培養民眾養成規律運動 習慣，根據調查，自 94 年至 97 年新增運動人口約 288 萬 3,682 人， 97 年規律運動人口 24.20﹪，可以看出有 規律運動習慣的人口已大大的增加[5]。
因此隨著有規律運動習慣人口的增加，運動器材的 需求量也越來越大，起初只是達到運動效果，逐漸開始 追求休閒、健康、美容及瘦身等風潮[6]，所以運動器材 的種類也越來越多，市面上常使用於家中之運動器材有 跑步機、單滾輪、健身騎馬機、搖擺機…等等。市面上 常見的跑步機功能不外乎有面板顯示跑步的時間、距 離、速度、心跳量測、卡洛里計算..等等，隨著種類的 繁多，附加的功能也隨著消費者的要求，日益更新，但 是價格上也是越來越昂貴，一般民眾的購買意願也會相 對的降低。
因此本論文以提出以陽春型跑步機目的為主，功能 齊全，價格平價，又加上生理數據的記錄功能來設計跑 步機平台。基本的顯示跑步的時間、距離、速度、身體 能量消耗計算...等等，心跳量測功能主要用來讓使用者 瞭解自己在運動中的生理狀況，加入 MP3 音樂播放功 能，讓使用者可以在運動過程中聆聽音樂，達到放鬆心 情，享受運動的效果，最後加入隨身碟記錄個人資訊功 能，記錄使用者在運動過程中的生理狀況及基本跑步機 的資訊，並以文字檔記錄方式，使用者可以透過離線的 方式，觀看記錄的資訊包括跑步的時間、距離、速度、
身體能量消耗計算、心跳值。讓消費者以平價的方式，
購買所需的跑步機，省了荷包又讓自己達到運動及生理 記錄的功能，透過記錄的方式，使用者可以藉此來做每
次運動量的比較，調整一個最適合自己的運動步調。
II.研究方法 2.1、 手握式心跳量測
在運動過程中，步調與體能消耗息息相關[8-9]，人 們往往會忽略自己的身體狀況，讓自身的體能負荷已達 到極限，最後導致身體負荷不了，而造成身體上的傷 害。因此市面上運動器材也越來越注重生理數據的呈 現，而量測心跳功能在運動器材上，也是很重要的一 環，量測心跳之功能可讓使用者在使用過程中能即時知 道自己身體的負荷狀況，若心跳值超過危險範圍，則會 警告使用者體能已達到了極限，告知使用者該放慢自己 的運動步調或者是該休息，以免身體負荷不了，導致遺 憾。
2.2、 USB 隨身碟儲存裝置
USB 隨身碟技術不斷更新突破的情況下，儲存容量 越來越大，傳輸速度也越來越快，嬌小的體積使得攜帶 方便，成為時下使用率最高的隨身資料儲存硬體[7]。本 裝 置 使 用 偉 詮 電 子 股 份 有 限 公 司 推 出 的 Etrend FMC_2U1S 嵌入式 USB 微控制器，透過單晶片驅動 FMC_2U1S，FMC_2U1S 具備八位元的控制器，可支援 全速（12Mbps）USB 傳輸，並同時支援 SD / SDHC/ MMC 三種儲存介面，單晶片與 FMC_2U1S 溝通介面需利用 8 隻腳位加以驅動，驅動後將會在隨身碟內尋找專用資料 夾，若隨身碟內無此資料夾將會創建一個專用資料夾，
創建或尋找成功後會在資料夾內建立文字檔，並且在文 字檔內寫入運動過程的生理資訊以及運動資訊，其包含 心跳值、消耗卡洛里、跑步里程、跑步時間。
2.3、 音樂對運動的生理影響
研究發現，人們會隨著音樂的韻律性從事工作事 務，天生具有本質會隨著音樂的韻律性從事重複性的活 動，跑步就是其中一種，也因音樂品質影響聆聽者如何 解釋心情及影響心情，如：快樂的音樂可增加聆聽者的 活力及能量；沉悶無變化的音樂，可能引起沮喪甚至害 怕的感覺。音樂已被視為一種專業的臨床醫學治療方 法，其用途廣泛包括了治療教師倦怠；減低癌症患者疼 痛與焦慮以及協助傷害後的復健工作[2]；同樣的在體育 領域中音樂也被應用在耐力訓練，受測者在不同的音樂
情境下運動持續時間有顯著差異。大多數的受測者在有 音樂的情境下運動持續時間最久，無音樂情境下運動持 續時間最短[10]。
III.系統架構
本系統以跑步機架構為 LCD 顯示介面、計算里程、
消耗卡洛里、運動時間、心跳量測、USB 歷史資訊記錄、
MP3 音樂播放…等等，下圖 3.1 為本系統架構示意圖。
本文規劃之音樂播放與生理數據的結合，主要目的 在於可以讓使用者即時知道自己運動時的生理狀況，心 跳量測可讓使用者知道自己是否是在身體可負荷的狀 況下運動；卡洛里的計算可讓使用者自我訂定一個目 標，配合自己身體之素質知道每次運動消耗的卡洛里，
以達到最佳健身的成效；再運用 MP3 音樂播放系統下，
讓使用者可以在心情愉悅的狀況下，以更佳的體能來達 到更好的運動品質；USB 歷史資訊記錄是將每次運動的 資訊(如:心跳值、消耗卡洛里、跑步里程…等等。)記錄 下來，於電腦上 USB 插槽以文字檔的方式做呈現，讓使 用者能夠自行比較每次的運動狀況，來做調整最適合自 己的運動步調。
圖 3.1、系統架構示意圖
(圖中跑步機為 JKECER 公司的 CHEER 455D)
Ⅳ.結果 4.1 手握式心跳量測模組穩定度測試
實驗結果為了測試架構中使用的手握式心跳量測 模組(以下簡稱自製心跳模組)的穩定性，以兩種情況來 分別測試，以靜態量測及動態量測，量測過程中共有三 名受試者，身高為 165~170 公分之間，年齡都為 21~22
歲，並無重大疾病，使用市售 Polar 公司的無線心律帶、
JKECER 公司 CHEER 455D 跑步機的心跳量測功能以及 本架構中的自製心跳模組進行測試，靜態量測先個別進 行三次量測，測試時測試者必須間隔 1 小時後再進行第 二次量測。
實驗數據如表 4.1 與 4.2 所示。數據比對呈現，靜 態量測數據第一次量測的誤差值在±2 之間，而第二次量 測的誤差值在±1 以內；而動態量測數據第一次量測的誤 差值在±3 之間，第二次量測的誤差值在±2 之間；以上 實驗結果所示，靜態量測數據誤差值相當小，尚在可接 受範圍，但動態量測數據就有較大的誤差值，主要因為 三位受試者的體能不均，運動過程中體力衰退，手掌偶 有鬆動造成 訊號量測不均，導致有較 大的誤差值，
CHEER 455D 與自製心跳模組皆有同樣情形，但此誤差 亦是在合理的範圍內。
表 4.1 靜態量測量測
甲生 乙生 丙生
心律帶 77 75 79
自製心跳模組 77±2 75±1 79±2
甲生 乙生 丙生
心律帶 75 73 77
CHEER 455D 75 73±1 77
表 4.2、動態量測量測
甲生 乙生 丙生
心律帶 103 96 108 自製心跳模組 103±3 96±5 108±3
甲生 乙生 丙生
心律帶 108 103 106 CHEER 455D 108±2 103±4 106±4
4.2 USB 隨身碟儲存裝置
本架構中的 USB 隨身碟儲存裝置採用 FMC_2U1S 嵌入式 USB 微控制器，其建立專用資料夾以及資訊記錄 文字檔的功能皆已經完成，為表示其結果，在此以圖片 的方式呈現其建立專用資料夾以及資訊記錄文字檔結 果，如圖 4.1 所示。
圖 4.1 隨身碟內專用檔案結果圖
(A 為專用資料夾、B 為專用文字檔、C 為文字檔內容)
4.3 USB 隨身碟儲存穩定性測試
實驗結果為了測試架構中使用的 USB 隨身碟儲存穩 定性，以三種情況來分別測試，分別以 10、20、30 秒，
儲存一筆資料，測試時間長度為 10、20、30 分鐘，分 別進行測試，測試的資料長度必須是相等的。
實驗數據如表 4.3 所示。數據比對呈現，在儲存的 結果顯示，看來我們 USB 隨身碟儲存穩定性測試，資料 量都沒有漏存，而以 30 分鐘的運動量或者是 10 秒儲存 一筆資料，對於一個居家使用的跑步機，是可以接受的 範圍。
表 4.3USB 隨身碟儲存穩定性測試 10 秒 20 秒 30 秒 10 分鐘 60 筆資料 30 筆資料 20 筆資料 20 分鐘 120 筆資料 60 筆資料 40 筆資料 30 分鐘 180 筆資料 90 筆資料 60 筆資料
4.4 整體實體圖
圖 4.2 跑步機面板顯示圖
圖 4.3 MP3 撥放音樂電路
Ⅴ.討論與結論
從結果中可以看出整個架構都已經完成，目前可以 讓使用者在跑步的時候同時撥放 mp3，也可以提供離線 的分析資訊可以了解使用者的身體狀態，雖然手握式心 跳量測模組的量測值有些許的誤差，在心跳感測的部 份，心跳由於在跑跑步機過程的時候並不會無時無刻握 著心跳握把，導致測量上出現心跳偵測錯誤或產生誤 判，這樣將會造成心跳連續紀錄的不穩定，USB 隨身碟 儲存裝置已反覆測試至無誤之情況，在建檔以及寫入資 料的流程已相當穩定，使用者要在運動結束後瞭解自己 運動過程中的資訊，也能利用文字檔內的資料迅速上 手。未來隨著跑步機功能的增加 USB 隨身碟儲存裝置，
也能配合儲存更多不同的資料。
總結本架構提供了使用者能擁有生理數據控管，運 動中有著音樂的陪伴，上述架構雛型都已完成，但是在 手握式心跳量測模組量測失準的部分還是很需要探討 的一環，運動中手掌鬆動、手掌沒準確的握到心跳模組 上或者是機台抑震不佳都將造成心跳量測值誤差的因 素，我們還需要更努力去找到解決的方法來改善現有的 問題，這樣使用者才能更精準的透過生理數據來了解自 己的生理狀況。未來若要增加更多的生理量測裝置，USB 隨身碟儲存裝置也能配合將這些生理監測裝置所量測 到的資訊，整合到隨身碟內的專用檔裡加以建檔，提供 使用者更多的生理數據。本論文除了達到音樂與生理數 跑步機之外，未來也有助於提升運動器材產業發展，或 是提供給運動研究及復健者使用。
Ⅵ.誌謝
感謝 99 年度崑山科技大學跨院系科技整合專 案補助計畫的經費支助，才得以完成論文的實驗與 研究。
參考文獻
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