何曉龍，史文越，盛張群

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智能手環(huán)/手機(jī)應(yīng)用程序在不同步行速度或路面中的計(jì)步有效性研究

何曉龍，史文越，盛張群

目的：對(duì)智能手環(huán)和智能手機(jī)運(yùn)動(dòng)應(yīng)用程序(APP)在不同步行速度和不同步行地面中計(jì)步的有效進(jìn)行研究，檢驗(yàn)其是否能夠應(yīng)用于登山、野外徒步、田徑場(chǎng)跑步健身以及日常水泥硬化路面的健身計(jì)步。方法：2名受試者分別使用3款智能手環(huán)(佩戴在右手手腕)和4款基于iPhone5s iOS9系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)APP(安裝在同一款手機(jī)，測(cè)試時(shí)手機(jī)放在褲子口袋中)，在實(shí)驗(yàn)室條件下采用跑臺(tái)測(cè)量3.2 km/h、4.8 km/h、6.4 km/h、8.0 km/h、9.6 km/h等5種速度走跑各5 min的步數(shù)(實(shí)際步數(shù)通過(guò)錄像回放精確確定)，之后在室外塑膠田徑場(chǎng)跑道、泥土地、水泥地、山地4種不同路面條件下分別進(jìn)行低速走、正常步速走和快速走各300步。最終比較實(shí)驗(yàn)室內(nèi)和室外智能手環(huán)/手機(jī)運(yùn)動(dòng)APP記錄的步數(shù)與實(shí)際步數(shù)間的差異。結(jié)果：5種速度等級(jí)步行狀態(tài)下智能手環(huán)/手機(jī)運(yùn)動(dòng)APP記步誤差逐漸減小，3.2 km/h速度下與實(shí)際步數(shù)均存在顯著性差異(P均<0.05)，且低速狀態(tài)下不同手環(huán)間記錄步數(shù)差異也較大。室外塑膠跑道、泥地、水泥地、山地4種不同路面在低速步行狀態(tài)下智能手環(huán)/手機(jī)運(yùn)動(dòng)APP存在顯著性差異(P<0.05)。在正常步速和快速走中差異不顯著。結(jié)論：智能手環(huán)/手機(jī)運(yùn)動(dòng)APP計(jì)步功能的有效性主要影響因素為步行速度，步行路面因素影響不大，故可作為大眾在日常健身如登山、塑膠田徑場(chǎng)跑步、水泥硬化路面步行、野外徒步等步行量的自我監(jiān)測(cè)工具，尤其適用于跑步運(yùn)動(dòng)，在雙腳位移速度較慢的體力活動(dòng)中計(jì)步可能存在一定的誤差。

智能手環(huán)；手機(jī)應(yīng)用程序；計(jì)步；速度；路面

1 前言

隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，交通機(jī)動(dòng)化、通訊實(shí)時(shí)化和社交網(wǎng)絡(luò)化導(dǎo)致的以久坐為主要特征的體力活動(dòng)不足生活方式正危害著大眾健康[11,13]。步行是人類(lèi)最基本的身體活動(dòng)形式之一，其人體的健康效益也越來(lái)越受重視，如何便利、準(zhǔn)確地測(cè)量步行量既是該領(lǐng)域研究的關(guān)鍵所在，也是大眾日常了解自身體力活動(dòng)量最為方便和直觀的方式[3,6]。從計(jì)步器到三軸加速度計(jì)，人們一直不斷追求更為簡(jiǎn)便和有效的計(jì)步工具[10]。智能手機(jī)的出現(xiàn)，不僅改變了以往手機(jī)單一通訊的功能，而且改變了人們生活和行為方式，將智能手機(jī)運(yùn)動(dòng)APP應(yīng)用于健身已經(jīng)成為了一種新潮流。與此同時(shí)，智能手環(huán)也得到了迅猛發(fā)展，它通過(guò)記錄日常鍛煉數(shù)據(jù)，并與智能手機(jī)同步和分享，起到指導(dǎo)健康生活的作用。迄今為止，國(guó)內(nèi)已有關(guān)于智能手環(huán)和智能手機(jī)運(yùn)動(dòng)應(yīng)用程序(APP)研制及步態(tài)識(shí)別的報(bào)道[4,5]，很少計(jì)步功能準(zhǔn)確性的研究文獻(xiàn)，而評(píng)估計(jì)步功能的準(zhǔn)確性包含了兩個(gè)方面，即不同步行速度和不同步行路面[10]。目前，國(guó)內(nèi)已有文獻(xiàn)報(bào)道基于iPhone4s iOS7 系統(tǒng)健身應(yīng)用APP不同步速計(jì)步功能的有效性[2]，但鮮見(jiàn)對(duì)智能手環(huán)不同步速以及智能手環(huán)和智能手機(jī)運(yùn)動(dòng)APP在不同步行路面(如在塑膠田徑場(chǎng)跑步、野外徒步、登山和城市街道步行等)計(jì)步的有效性報(bào)道。本研究基于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有研究現(xiàn)狀，對(duì)智能手環(huán)和智能手機(jī)運(yùn)動(dòng)APP在不同步行速度和不同步行地面中計(jì)步的準(zhǔn)確性進(jìn)行研究。

2 研究對(duì)象與方法

2.1 研究與測(cè)試對(duì)象

本研究的對(duì)象為國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的，以計(jì)步功能為主的智能手環(huán)和智能手機(jī)運(yùn)動(dòng)APP。選取小米、樂(lè)心和SmartHealth 3款智能手環(huán)，咕咚、悅跑圈、益動(dòng)GPS、動(dòng)動(dòng)4款運(yùn)動(dòng)APP作為測(cè)試對(duì)象。

2.2 研究方法

2.2.1 不同速度計(jì)步有效性測(cè)試

測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，測(cè)試前先將4款運(yùn)動(dòng)APP下載于同一部iPhone5s智能手機(jī)中，支持 iOS9系統(tǒng)，并檢查各APP都可正常同時(shí)使用。測(cè)試在浙江師范大學(xué)體育學(xué)院健身房?jī)?nèi)進(jìn)行，采用LePower型專(zhuān)業(yè)跑步機(jī)進(jìn)行走跑測(cè)試。測(cè)試速度等級(jí)參考國(guó)內(nèi)外同類(lèi)研究普遍設(shè)置為3.2 km/h、4.8 km/h、6.4 km/h、8.0 km/h、9.6 km/h等5種步行速度[2,8]，坡度均為0。

3.2 km/h代表慢走、4.8 km/h代表正常步行、6.4 km/h代表快走、8.0 km/h代表慢跑、9.6 km/h代表中速跑。測(cè)試時(shí)受試者首先佩戴裝有iPhone5s手機(jī)的臂包(佩戴位置為右上臂外側(cè))和右手腕部同時(shí)佩戴3款智能手環(huán)[8]，以相應(yīng)測(cè)試速度適應(yīng)3 min后啟動(dòng)咕咚、悅跑圈、益動(dòng)GPS、動(dòng)動(dòng)這4款運(yùn)動(dòng)APP進(jìn)行5 min走跑運(yùn)動(dòng)。

本研究針對(duì)國(guó)內(nèi)翁錫全等的研究中采用多個(gè)受試者自行計(jì)數(shù)可能存在誤差，利用佳能ED1200相機(jī)拍攝一個(gè)受試者測(cè)試全過(guò)程視頻，測(cè)試結(jié)束后3位工作人員經(jīng)過(guò)5次慢速回放精確確定實(shí)際步數(shù)。每種速度測(cè)試5次。為避免疲勞影響測(cè)試結(jié)果，前3種速度運(yùn)動(dòng)間歇5 min，后2種速度運(yùn)動(dòng)間歇10 min。

2.2.2 不同路面計(jì)步有效性測(cè)試

測(cè)試在室外進(jìn)行，選取塑膠地、泥土路、水泥硬化路面與山路4種不同的步行路面地況。測(cè)試時(shí)，受試者佩戴裝有iPhone5s手機(jī)的臂包(佩戴位置為上臂外側(cè))，開(kāi)始先各適應(yīng)低速步行、正常速度步行和快速步行3 min(低速、正常速度和快速由受試者依據(jù)自身的主觀速度感覺(jué)為準(zhǔn))。之后啟動(dòng)益動(dòng)APP(由第一部分研究確定該款A(yù)PP效果較佳)，將手機(jī)裝入臂包，左手手腕同時(shí)佩戴樂(lè)心手環(huán)。然后受試者分別以低速、正常速度和快速速度步行300步(步數(shù)受試者自行計(jì)算)，結(jié)束后停止身體運(yùn)動(dòng)，記錄此時(shí)益動(dòng)APP記錄的步數(shù)，每種場(chǎng)地測(cè)試5次。為避免疲勞影響測(cè)試結(jié)果，每2次運(yùn)動(dòng)間歇5 min。測(cè)試時(shí)，一名工作人員手持?jǐn)z像機(jī)進(jìn)行跟蹤拍攝，受試者步行開(kāi)始后自行計(jì)數(shù)300步后結(jié)束測(cè)試，最終實(shí)際步數(shù)由工作人員根據(jù)錄像回放精確記錄。

圖 1 用于測(cè)試的路面未硬化的土路示意圖Figure 1. The Dirt Road Used for Test

圖 2 用于測(cè)試的山路示意圖Figure 2. The Mountain Road Used for Test

圖 3 用于測(cè)試的塑膠田徑跑道示意圖Figure 3. The Plastic Pavement Used for Test

圖 4 用于測(cè)試的水泥硬化路面示意圖Figure 4. The Cement Road Used for Test

2.2.3 數(shù)理統(tǒng)計(jì)

3 研究結(jié)果

表1為三款智能手環(huán)分別在3.2 km/h、4.8 km/h、6.4 km/h、8.0 km/h、9.6 km/h五種速度等級(jí)下記錄步數(shù)與實(shí)際步數(shù)的平均值以及離散程度(標(biāo)準(zhǔn)差)。從表中可以看出，當(dāng)步數(shù)從3.2 km/h提高至4.8 km/h時(shí)，5min里累計(jì)步數(shù)增幅最為顯著，此后每提高1.6 min，5 min里累計(jì)步數(shù)增幅有所放緩。且隨著速度的提高，不同手環(huán)間5 min累計(jì)步數(shù)逐漸減少，與實(shí)際步數(shù)的差異也逐漸減少。在最低速度等級(jí)3.2 km/h時(shí)，以實(shí)際步數(shù)為對(duì)照，小米手環(huán)具有極顯著性差異(P<0.01)，而以小米手環(huán)為對(duì)照，另外2款手環(huán)均具有極顯著性差異(P<0.01)。

由表2可見(jiàn)，與3款智能手環(huán)類(lèi)似，4款運(yùn)動(dòng)APP從3.2 km/h提高至4.8 km/h時(shí)，5 min里累計(jì)步數(shù)增幅最為顯著，此后每提高1.6 min，5 min里累計(jì)步數(shù)增幅有所放緩。同樣隨著速度的提高，不同手環(huán)間5 min累計(jì)步數(shù)逐漸減少，與實(shí)際步數(shù)的差異也逐漸減少。在最低速度等級(jí)3.2km/h時(shí)，以實(shí)際步數(shù)為對(duì)照，4款運(yùn)動(dòng)APP均具有極顯著性差異(P<0.01)。

表 1 3款智能手環(huán)不同速度測(cè)試結(jié)果分析Table 1 Analysis on Three Different Smart Bracelets Speed Test Results

注：以實(shí)際步數(shù)為對(duì)照，小米3.2 km/h,**P<0.01;以小米為對(duì)照,樂(lè)心和Samrthealth 3.2 km/h,&&P均<0.01。

表 2 4款運(yùn)動(dòng)APP實(shí)驗(yàn)室跑臺(tái)測(cè)試結(jié)果分析Table 2 Analysis on Four Different APP Speed Test Results

注：以實(shí)際步數(shù)為對(duì)照， * 0.01

由線性回歸分析散點(diǎn)圖(圖5～圖7)可以看出，3款手環(huán)隨著步行速度的提高，實(shí)際步數(shù)與3款手環(huán)所記錄的步數(shù)均呈現(xiàn)出良好的線性相關(guān)性，R2分別為0.982，0.998和0.998。隨著步行速度的提高，小米手環(huán)與實(shí)際步數(shù)間的變化一致性要稍弱于其他兩款手環(huán)。從圖8～圖11可以看出，4款運(yùn)動(dòng)APP隨著步行速度的提高，實(shí)際步數(shù)與3款手環(huán)所記錄的步數(shù)也均呈現(xiàn)出良好的線性相關(guān)性，R2分別為0.997，0.997，0.994和0.997。

圖 5 不同速度等級(jí)下小米手環(huán)記錄 步數(shù)與實(shí)際步數(shù)線性回歸散點(diǎn)圖Figure 5. The Linear Regression Scatter Plot between Steps Xiaomi Bracelet Records and Actual Count under Different Speed Level

圖 6 不同速度等級(jí)下樂(lè)心手環(huán)記錄 步數(shù)與實(shí)際步數(shù)線性回歸散點(diǎn)圖Figure 6. The Linear Regression Scatter Plot between Steps Lexin Bracelet Records and Actual Count under Different Speed Level

圖 7 不同速度等級(jí)下Smarthealth手環(huán) 記錄步數(shù)與實(shí)際步數(shù)線性回歸散點(diǎn)圖Figure 7. The Linear Regression Scatter Plot between Steps Smarthealth Bracelet Records and Actual Count under Different Speed Level

由表3可見(jiàn)，隨著步行速度的提高，3款智能手環(huán)記錄步數(shù)的變化呈現(xiàn)出良好一致性，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.989，0.992和0.998，P值均為0.000。由表4可見(jiàn)，隨著步行速度的提高，4款運(yùn)動(dòng)APP記錄步數(shù)的變化也呈現(xiàn)出良好一致性，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.999和1.000，P值均為0.000。

圖 8 不同速度等級(jí)下動(dòng)動(dòng)APP記錄 步數(shù)與實(shí)際步數(shù)線性回歸散點(diǎn)圖Figure 8. The Linear Regression Scatter Plot between Steps Dongdong APP Records and Actual Count under Different Speed Level

圖 9 不同速度等級(jí)下益動(dòng)APP記錄 步數(shù)與實(shí)際步數(shù)線性回歸散點(diǎn)圖Figure 9. The Linear Regression Scatter Plot between Steps Yidong APP Records and Actual Count under Different Speed Level

圖 10 不同速度等級(jí)下悅跑APP記錄 步數(shù)與實(shí)際步數(shù)線性回歸散點(diǎn)圖Figure 10. The Linear Regression Scatter Plot between Steps Yuepao APP Records and Actual Count under Different Speed Level

Smathealth樂(lè)心小米SmathealthPearson相關(guān)系數(shù)0．9980．989P0．0000．000N2525樂(lè)心Pearson相關(guān)系數(shù)0．9980．992P0．0000．000N2525小米Pearson相關(guān)系數(shù)0．9890．992P0．0000．000N2525

通過(guò)圖1～圖3以及表3來(lái)分析，隨著速度的提高，3款智能手環(huán)記步功能穩(wěn)定性相對(duì)較好的是樂(lè)心手環(huán)。通過(guò)圖4～圖6以及表4來(lái)分析，隨著速度的提高，4款運(yùn)動(dòng)APP中記步功能穩(wěn)定性相對(duì)較好的是益動(dòng)和咕咚。因此，選擇樂(lè)心手環(huán)和益動(dòng)APP分別進(jìn)行不同步行路面計(jì)步有效性的測(cè)試。由表5可以看出，隨著步行速度的提高， 樂(lè)心智能手環(huán)在低速走的狀況下，在水泥地路面和山地路面與實(shí)際步數(shù)存在顯著性差異，P值分別<0.01和<0.05。由表6可以看出，益動(dòng)APP在水泥地路面和山地路面也與實(shí)際步數(shù)存在顯著性差異，P值均<0.05。

表 4 不同速度等級(jí)下4款A(yù)PP記錄步數(shù)相關(guān)性分析Table 4 The Correlation Analysis between Four APP Record Count under Different Speed Level

表 5 樂(lè)心智能手環(huán)不同場(chǎng)地測(cè)試結(jié)果Table 5 The Test Results for Lexin Bracelet in Different Fields

注：采用單因素方差分析，以實(shí)際步數(shù)為對(duì)照，**P≤0.01，* 0.01

表 6 益動(dòng)APP不同場(chǎng)地測(cè)試結(jié)果分析Table 6 The Test Results for Yidong APP in Different Fields

4 討論與分析

本研究基于3款智能手環(huán)和4款智能手機(jī)運(yùn)動(dòng)APP， 探討智能手環(huán)/手機(jī)運(yùn)動(dòng)APP在不同步行速度和步行路面中的計(jì)步有效性。首先，單因素方差分析表明，3款智能手環(huán)在5種速度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下步數(shù)測(cè)量值均僅在3.2 km/h速度等級(jí)下與實(shí)際步數(shù)存在極顯著差異(P<0.01)，其余4種速度等級(jí)均未表現(xiàn)出顯著差異。這一結(jié)果與以往對(duì)計(jì)步器的研究文獻(xiàn)一致[7,12]。同樣的結(jié)果也在4款智能手機(jī)運(yùn)動(dòng)APP上呈現(xiàn)，4款運(yùn)動(dòng)APP在5種步行速度狀態(tài)下步數(shù)測(cè)量值僅在3.2 km/h速度等級(jí)下與實(shí)際步數(shù)存在非常顯著差異(P≤0.01)，其余4種速度等級(jí)未表現(xiàn)出顯著差異，結(jié)果也與已有研究一致[9,14]。分析其原因可能和智能手環(huán)與智能手機(jī)運(yùn)動(dòng)APP的計(jì)步原理有關(guān)。智能手環(huán)和智能手機(jī)運(yùn)動(dòng)APP一般是基于三軸加速度器原理，包含機(jī)械性傳感器和接口芯片，步行時(shí)所產(chǎn)生的加速度導(dǎo)致傳感器內(nèi)的電子移動(dòng)而形成電極位置變化，最終由于電容差值的變化經(jīng)過(guò)芯片的整合輸出電壓值，從而形成計(jì)數(shù)，慢速步行時(shí)的速度或手臂擺動(dòng)的幅度不足以達(dá)到計(jì)步裝置的“閾值”而影響記錄[4,5]。

雖然表1和表2和結(jié)果可以反映出不同速度等級(jí)中智能手環(huán)和運(yùn)動(dòng)APP計(jì)步數(shù)與實(shí)際步數(shù)之間的差異，但不能有效反應(yīng)計(jì)步功能隨步數(shù)變化而變化的一致性。通過(guò)線性回歸分析，從圖5～圖11可以看出，3款智能手環(huán)和4款智能手機(jī)運(yùn)動(dòng)APP的計(jì)步功能隨著步速的變化與實(shí)際步數(shù)的變化一致性都較強(qiáng)，穩(wěn)定性都較好，國(guó)外有研究也得到了類(lèi)似的結(jié)論[1,2,15]。

雖然對(duì)智能手環(huán)和智能手機(jī)運(yùn)動(dòng)APP在不同速度中計(jì)步功能的有效性進(jìn)行了檢驗(yàn)，但日常大眾健身還面臨著不同步行路面狀況的差異，如在塑膠田徑場(chǎng)跑步、野外徒步、登山和城市街道步行等，鮮見(jiàn)有報(bào)道進(jìn)行科學(xué)地檢驗(yàn)。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)處于低速步行狀態(tài)時(shí)，水泥地和山地路面的智能手環(huán)和智能手機(jī)計(jì)步與實(shí)際步數(shù)均存在顯著性差異。這可能和在水泥地面步行時(shí)給人步數(shù)感覺(jué)較快，當(dāng)受試者有意識(shí)地降低步速以符合低速步行要求時(shí)，實(shí)際步速可能要比其它路面更慢。在山地步行時(shí)，復(fù)雜的高低路面容易讓人步行時(shí)有意識(shí)地停頓“留神”停頓，從而降低了計(jì)步的準(zhǔn)確性。以正常速度走或者快速走時(shí)，不同的步行路面沒(méi)有顯著性差異。這一研究結(jié)果表明國(guó)內(nèi)現(xiàn)在常見(jiàn)的智能手環(huán)基本能夠滿(mǎn)足大眾在多數(shù)路面狀況的環(huán)境計(jì)步，前提是應(yīng)用于低速步行比例較少的身體活動(dòng)中。

5 結(jié)論與建議

3款智能手環(huán)和4款運(yùn)動(dòng)手機(jī)APP在3.2 km/h、4.8 km/h、6.4 km/h、8.0 km/h和9.6 km/h 5個(gè)速度等級(jí)的測(cè)試表明，在較低速度3.2 km/h步行時(shí)， 5 min計(jì)步數(shù)與實(shí)際步數(shù)均有極顯著性差異。隨著步行速度的提高，智能手環(huán)/手機(jī)運(yùn)動(dòng)APP所記錄的步數(shù)與實(shí)際步數(shù)變化具有很好的線性相關(guān)性且不同款智能手環(huán)之間和不同款運(yùn)動(dòng)APP之間相關(guān)性較好。在低速步行時(shí)，水泥地和山地連續(xù)走300步智能手環(huán)/手機(jī)APP所記錄的步數(shù)與實(shí)際步數(shù)存在顯著性差異，以正常步速或快速步行時(shí)則差異不顯著。

本研究結(jié)果表明，智能手環(huán)/手機(jī)運(yùn)動(dòng)APP計(jì)步功能的有效性主要影響因素為步行速度，步行路面因素影響不大，故可作為大眾在日常健身如登山、塑膠田徑場(chǎng)跑步、水泥硬化路面步行、野外徒步等步行量的自我監(jiān)測(cè)工具，尤其適用于跑步運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用于雙腳位移速度較慢的體力活動(dòng)中計(jì)步可能存在一定的誤差。

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A Research on the Availability of Smart Bracelet/Phone APP in Different Walking Speed or Road Surface for Step Calculation

HE Xiao-long,SHI Wen-yue,SHENG Zhang-qun

Objective:Smart bracelets and smartphone APP gets on the ground in different walking speed and walking step to study the effective and test if it can be applied to mountain climbing,outdoor hiking,track and field running fitness and daily hardened cement pavement fitness plan step,to provide the reference for the general fitness enthusiasts.Methods:The two subjects,respectively,using three smart bracelet (worn on the right hand wrist),and based on four iPhone5s iOS9 system the movement of the APP (to test the installation on the same phone,cell phone in his trousers pockets),for the first time under laboratory conditions using the treadmill measuring 3.2 km/h,4.8 km/h,6.4 km/h,8.1 km/h,9.7 km/h and so on 5 kinds of speed walking steps run every 5 min steps (real) through video replay accurate records,after the outdoor space,mud,plastic cement,mountain four different road conditions for low-speed,normal pace,and quick walk 300 steps.Final comparison experiments indoor and outdoor intelligent bracelet/mobile phone APP recorded the number of steps and the actual differences.Results:5 kinds of speed walking condition intelligent bracelet and phone APP step error decreases,3.2 km/h speed and the actual steps there are significant differences (P<0.05),and low speed condition between different bracelet record number difference is bigger also.Outdoor space,mud,plastic cement,mountain four different road surface in the condition of low speed walking intelligent bracelet and phone APP there were significant differences (P<0.05).In no significant difference in normal pace and walked quickly.Conclusions:Smart bracelet/APP phone movement plan step function of the effectiveness of the main influence factors for walking speed,walk the road factors impact is not big,it can be used as the masses of fitness,such as mountain climbing,plastic track and field running,walking,hiking and other wild city streets walking amount of self-monitoring tool,it is especially suitable for running,and applied to the displacement of the feet step speed slower physical activity gets there may be some error.

words:smartbracelet;phoneAPP;stepcalculation;speed;roadsurface

1002-9826(2016)06-0122-06

10.16470/j.csst.201606019

2016-05-23；

2016-07-22

國(guó)家體育總局科學(xué)健身示范區(qū)課題資助(2015B012)。

何曉龍(1987-)，男，浙江金華人，講師，在讀博士研究生，Tel：(0579)82283901，E-mail：hexiaolong198707@163.com。

浙江師范大學(xué) 體育與健康科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321004 Zhejiang Normal University,Jinhua 321004,China.

G818.3

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