2025年大學(xué)《智能體育工程》專業(yè)題庫——運動健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述運動健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要目標(biāo)和應(yīng)用領(lǐng)域。二、比較加速度計和陀螺儀在運動狀態(tài)監(jiān)測中的特點與區(qū)別。簡述選用其中一種傳感器監(jiān)測步態(tài)時，需要關(guān)注的關(guān)鍵參數(shù)及相應(yīng)的信號處理方法。三、簡述心率變異性（HRV）的基本概念及其在運動負(fù)荷評估和健康狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用原理。四、設(shè)計一個用于監(jiān)測跑步運動的心率與步態(tài)頻率關(guān)聯(lián)性的簡易系統(tǒng)方案。請說明需要哪些核心傳感器，簡述數(shù)據(jù)采集、處理（包括步頻計算和心率關(guān)聯(lián)分析）和結(jié)果顯示的基本流程。五、闡述嵌入式系統(tǒng)在可穿戴運動健康監(jiān)測設(shè)備中的重要作用。列舉至少三種在設(shè)備中常用的嵌入式處理器/微控制器，并說明選擇時需考慮的關(guān)鍵因素。六、簡述將原始生物電信號（如ECG）轉(zhuǎn)換為可分析特征信號的主要步驟，包括信號放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，并說明各環(huán)節(jié)的目的。七、某運動健康監(jiān)測系統(tǒng)需要通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾CAPP。請簡述藍(lán)牙通信在其中的應(yīng)用流程，并說明在選擇藍(lán)牙版本（如BLE）時需要考慮的因素。八、描述機器學(xué)習(xí)/人工智能技術(shù)在運動姿態(tài)識別、運動表現(xiàn)分析或健康風(fēng)險預(yù)測等應(yīng)用中的一般流程，包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、模型選擇、訓(xùn)練與評估等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。九、分析在設(shè)計和部署運動健康監(jiān)測系統(tǒng)時，需要重點考慮的隱私保護與數(shù)據(jù)安全問題，并提出至少三項相應(yīng)的技術(shù)或管理措施。十、假設(shè)你正在設(shè)計一個面向老年人的日常活動與跌倒監(jiān)測系統(tǒng)。請簡述該系統(tǒng)與一般運動健康監(jiān)測系統(tǒng)相比，在功能設(shè)計、傳感器選擇、數(shù)據(jù)分析等方面可能存在的區(qū)別和特殊考慮。試卷答案一、答案：運動健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要目標(biāo)包括：客觀、量化地監(jiān)測人體運動狀態(tài)和相關(guān)生理生化參數(shù)，評估運動負(fù)荷，分析運動效果，促進科學(xué)健身，輔助運動訓(xùn)練，以及監(jiān)測健康狀態(tài)、預(yù)警運動風(fēng)險等。應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，涵蓋專業(yè)競技體育、大眾健身鍛煉、青少年體測、康復(fù)訓(xùn)練、慢性病管理（如心血管疾病、糖尿?。?、老年人健康監(jiān)護、運動傷害預(yù)防等。解析思路：此題考察對運動健康監(jiān)測系統(tǒng)基本概念的理解。解答需首先明確系統(tǒng)的核心目的（量化監(jiān)測、評估、促進健康等），然后列舉其廣泛的應(yīng)用場景，覆蓋從專業(yè)到大眾、從健康到疾病預(yù)防的各個層面。二、答案：加速度計和陀螺儀都是慣性傳感器，用于測量線性加速度和角速度。加速度計可直接測量重力加速度和運動產(chǎn)生的加速度，適用于步態(tài)階段劃分、步頻計算等；陀螺儀測量角速度，適用于姿態(tài)變化、轉(zhuǎn)向等動態(tài)信息捕捉。區(qū)別在于測量物理量不同（線性加速度vs角速度）和敏感軸方向不同。選用加速度計監(jiān)測步態(tài)，關(guān)鍵參數(shù)通常是加速度的幅值、頻率（如步頻）、波形（如觸地沖擊），信號處理方法包括低通濾波（去除高頻噪聲）、高通濾波（提取步態(tài)信號）、帶通濾波（聚焦特定頻率）、峰值檢測、積分（計算位移）等。解析思路：首需比較兩者的核心功能差異。然后針對加速度計監(jiān)測步態(tài)，明確需要提取的與步態(tài)相關(guān)的物理信息（加速度特征），并列舉相應(yīng)的信號處理技術(shù)及其作用。三、答案：心率變異性（HRV）是指心臟每兩次搏動之間的時間間隔（RR間期）的微小波動。它反映了自主神經(jīng)系統(tǒng)（交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)）的動態(tài)平衡狀態(tài)。在運動負(fù)荷評估中，運動初期HRV可能因交感神經(jīng)興奮而下降，隨負(fù)荷增加可能進一步下降或平臺，恢復(fù)期則逐漸升高；在健康狀態(tài)監(jiān)測中，較高的HRV通常表示良好的自主神經(jīng)調(diào)節(jié)功能，較低的HRV可能與壓力、疲勞、疾病等有關(guān)。解析思路：解釋HRV的基本概念（RR間期波動）。闡述其生理學(xué)基礎(chǔ)（自主神經(jīng)調(diào)節(jié)）。重點說明HRV在不同情境下（運動負(fù)荷、健康狀態(tài)）的變化規(guī)律及其意義。四、答案：系統(tǒng)方案設(shè)計：核心傳感器：1個便攜式加速度計（佩戴于腰部或大腿外側(cè)）、1個心率傳感器（如心率帶或腕式光學(xué)傳感器）?；玖鞒蹋?.數(shù)據(jù)采集：加速度計和心率傳感器同步采集數(shù)據(jù)，通過無線方式（如藍(lán)牙）傳輸至處理單元。2.數(shù)據(jù)處理：*對加速度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理（濾波、去噪），提取步態(tài)事件特征（如步態(tài)周期、步頻）。*對心率數(shù)據(jù)進行平滑處理（如移動平均），提取平均心率、心率變異性等參數(shù)。3.關(guān)聯(lián)分析：將提取的步頻數(shù)據(jù)與對應(yīng)時間段內(nèi)的平均心率進行關(guān)聯(lián)分析，計算心率隨步頻變化的趨勢或相關(guān)指標(biāo)（如每分鐘步數(shù)對應(yīng)的心率區(qū)間）。4.結(jié)果顯示：通過連接的設(shè)備（如手機APP）或本地顯示屏，以圖表或數(shù)值形式展示步頻、心率及其關(guān)聯(lián)分析結(jié)果。解析思路：針對具體場景（跑步），選擇合適的傳感器。按系統(tǒng)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)流程（采集-處理-分析-顯示）進行闡述，突出關(guān)鍵步驟和技術(shù)點。五、答案：嵌入式系統(tǒng)是運動健康監(jiān)測設(shè)備的核心，負(fù)責(zé)控制傳感器數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行信號處理算法、運行分析模型、管理電源、實現(xiàn)無線通信和用戶交互等關(guān)鍵功能。常用嵌入式處理器/微控制器包括：STM32系列（高性能、低功耗、應(yīng)用廣泛）、nRF系列（專為低功耗藍(lán)牙設(shè)計）、ESP32（集成Wi-Fi和藍(lán)牙，適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用）、樹莓派（適用于需要較高計算能力的設(shè)備）。選擇時需考慮的關(guān)鍵因素有：處理性能（滿足算法需求）、功耗（影響續(xù)航）、集成度（有無無線通信模塊）、外設(shè)接口（連接傳感器）、開發(fā)難度與社區(qū)支持、成本等。解析思路：首述嵌入式系統(tǒng)在設(shè)備中的核心作用。列舉幾個典型且常用的例子。然后說明在選擇嵌入式平臺時需要權(quán)衡的主要技術(shù)指標(biāo)和應(yīng)用需求。六、答案：將原始生物電信號（如ECG）轉(zhuǎn)換為可分析特征信號的主要步驟包括：1.信號放大：使用生物放大器放大微弱的ECG信號（通常放大數(shù)千倍），同時抑制共模噪聲。常用instrumentationamplifier。2.濾波：應(yīng)用帶通濾波器（通常范圍0.05Hz-100Hz）濾除工頻干擾、肌電干擾等噪聲，保留ECG的主要頻率成分?？赡苓€需陷波濾波器去除50/60Hz工頻干擾。3.模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）：將放大和濾波后的模擬ECG信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便微處理器進行處理。ADC的采樣率需滿足奈奎斯特定理（至少為信號最高頻率的兩倍），通常大于200Hz。4.信號處理：對數(shù)字信號進行進一步處理，如去除基線漂移、QRS波檢測與提取、心率計算、心率變異性分析等，最終得到可用于健康評估的特征參數(shù)。解析思路：按照信號處理的一般流程，從信號源出發(fā)，依次列出生物電信號處理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)（放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、后續(xù)處理），并簡述每個環(huán)節(jié)的目的和技術(shù)方法。七、答案：藍(lán)牙通信應(yīng)用流程：系統(tǒng)中的微控制器作為藍(lán)牙發(fā)射端（或接收端），通過藍(lán)牙協(xié)議棧將采集到的數(shù)據(jù)（或接收來自手機APP的指令）進行封裝，通過天線發(fā)送；手機端的藍(lán)牙模塊作為接收端，解封裝數(shù)據(jù)，并通過藍(lán)牙連接管理模塊將數(shù)據(jù)傳輸給手機操作系統(tǒng)或APP。在選擇藍(lán)牙版本時，需考慮功耗（低功耗藍(lán)牙BLE適用于電池供電設(shè)備）、傳輸速率（高速藍(lán)牙HS用于傳輸大量數(shù)據(jù)如高清音頻）、連接穩(wěn)定性、設(shè)備成本、開發(fā)復(fù)雜度以及兼容性要求。解析思路：描述藍(lán)牙在系統(tǒng)中的基本通信過程（發(fā)射端-接收端-協(xié)議棧-天線）。然后說明選擇藍(lán)牙版本（如BLE/HS）時需要權(quán)衡的主要因素，如功耗與速率。八、答案：機器學(xué)習(xí)/人工智能技術(shù)在運動健康監(jiān)測中的應(yīng)用流程：1.數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：收集大量標(biāo)注好的運動數(shù)據(jù)（如視頻、傳感器數(shù)據(jù)），包括不同動作、姿態(tài)、運動狀態(tài)下的樣本。進行數(shù)據(jù)清洗、歸一化、特征工程，提取有助于模型學(xué)習(xí)的特征。2.模型選擇：根據(jù)任務(wù)類型選擇合適的算法模型。例如，使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）進行運動姿態(tài)識別或視頻動作分類，使用支持向量機（SVM）或決策樹進行分類（如跌倒檢測），使用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）或長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）處理時間序列數(shù)據(jù)（如步態(tài)分析、HRV分析），使用回歸模型進行運動負(fù)荷預(yù)測。3.模型訓(xùn)練：使用準(zhǔn)備好的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集對選定的模型進行參數(shù)優(yōu)化，調(diào)整模型結(jié)構(gòu)或?qū)W習(xí)率等超參數(shù)，使模型能夠?qū)W習(xí)到輸入數(shù)據(jù)與輸出標(biāo)簽之間的映射關(guān)系。4.模型評估：使用未參與訓(xùn)練的測試數(shù)據(jù)集評估模型的性能，常用指標(biāo)包括準(zhǔn)確率、精確率、召回率、F1分?jǐn)?shù)、均方誤差（MSE）等，檢查模型是否存在過擬合或欠擬合。5.模型部署：將訓(xùn)練好的模型集成到運動健康監(jiān)測系統(tǒng)中，用于實時或離線地分析新的輸入數(shù)據(jù)，輸出預(yù)測結(jié)果或評估信息。解析思路：按照機器學(xué)習(xí)項目標(biāo)準(zhǔn)的生命周期，依次闡述數(shù)據(jù)、模型選擇、訓(xùn)練、評估和部署這幾個核心階段。九、答案：設(shè)計和部署運動健康監(jiān)測系統(tǒng)時，隱私保護與數(shù)據(jù)安全需重點考慮：1.數(shù)據(jù)最小化原則：只收集實現(xiàn)功能所必需的最少數(shù)據(jù)。2.數(shù)據(jù)加密：對傳輸中和存儲中的敏感數(shù)據(jù)進行加密（如使用AES、TLS/SSL）。3.用戶授權(quán)與透明度：明確告知用戶數(shù)據(jù)收集的目的、范圍和使用方式，獲取用戶明確同意，并提供用戶控制數(shù)據(jù)（查看、修改、刪除）的途徑。4.訪問控制：嚴(yán)格限制對存儲數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限，實施身份驗證和授權(quán)機制。5.安全審計與漏洞管理：定期進行安全評估和滲透測試，及時修補系統(tǒng)漏洞。6.符合法規(guī)要求：遵守相關(guān)的數(shù)據(jù)保護法規(guī)（如GDPR、個人信息保護法）。解析思路：從原則、技術(shù)、管理、法規(guī)等多個維度，列舉保護隱私和數(shù)據(jù)安全的措施，強調(diào)其重要性和實施方法。十、答案：面向老年人的日?；顒优c跌倒監(jiān)測系統(tǒng)與一般系統(tǒng)相比，區(qū)別和特殊考慮：1.功能側(cè)重：更強調(diào)日常活動量監(jiān)測（久坐提醒）、睡眠質(zhì)量分析、以及關(guān)鍵的跌倒檢測與報警功能。一般系統(tǒng)可能更側(cè)重運動表現(xiàn)分析。2.傳感器選擇：可能需要選用更耐用、防水、佩戴舒適、續(xù)航更長的傳感器。跌倒檢測可能需要更高采樣率的加速度計和陀螺儀，或結(jié)合氣壓計輔助判斷姿態(tài)變化。3.數(shù)據(jù)分析：需要針對老年人的生理特點和活動模式（如行動緩慢、姿態(tài)變化平緩）優(yōu)化算法，提高跌倒檢測的準(zhǔn)確性（減少誤報和漏報），同時能有效識別異常久坐