Тема: УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ОРГАНИЗМА ВО ВРЕМЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЗАНЯТИЙ ПО ФИЗКУЛЬТУРЕ

Согласно актуальным исследованиям ВОЗ, большинство подростков в мире ведут малоподвижный образ жизни, что негативно сказывается на общем состоянии их здоровья [1]. Вдобавок значительный отрицательный эффект на здоровье накладывается при использовании дистанционных методов обучения, что особенно ярко было выражено в период пандемии, поскольку многие студенты и школьники пренебрегали предложенными учебными заведениями комплексами упражнений и безотрывно проводили весомую часть времени обучения за компьютером [2]. Кроме этого, современные тенденции указывают на повсеместную усталость и чрезмерную перегруженность общества, особенно учащихся старших классов и студентов старших курсов [3], в результате чего обучающиеся стараются отвести свободные минуты на «пассивный» отдых, нежели чем на «активный», закономерно снижая общий уровень физической подготовки и общее состояние здоровья рассмотренной фокус-группы [4, 5]. Подтверждением тезисов является проведенная серия опросов среди студентов, результаты которых представлены в виде столбчатой диаграммы на рисунке 1 [6, 7].
Следует отметить, что в российской и мировой практике разработаны многочисленные методики, комплексы упражнений и рекомендации для различных слоев населения по улучшению физического состояния организма [8], в том числе и в постковидный период [9], и после осложнений от COVID-19 [10]. Однако, вследствие описанных ранее причин, текущий уровень подготовленности подростков и молодежи очень низок, что нередко приводит к возникновению отрицательных реакций даже на физическую нагрузку, с которой организм справлялся несколько месяцев назад. Широко встречаемой на практике реакцией такого типа является обморок, который сигнализирует о возможном наличии проблем с сердечно-сосудистой системой или о нарушении порядка проведения занятий и нередко приводит к получению серьезных травм вплоть до летального исхода [1 1]. 
га 2 ? 5 о О
и; го
т т о; О) о ° 8 Считают свой образ жизни малоподвижным 66 %
Занимаются физкультурой менее 2-х раз в неделю 58 %
Более 5 часов в день находятся в сидячем положении 58 %
57 %
Чувствуют дискомфорт после нахождения в сидячем положении
т
т
о. с
го
т о
о Причина малоактивного образа жизни - учеба 80 %
Отсутствие желания к
46 % двигательной деятельности
О
го
т о
о Процент юношей, сдавших ГТО 80 %
Процент девушек, сдавших ГТО
о о
X 5 ° X и го о Ь о Ухудшение выносливости организма 70 %
Ухудшение двигательной активности 49 %
0 1111
20 40 1
60 1
80 100 %
Рисунок 1 - Результаты опросов среди студентов

По словам Министра образования О.Ю. Васильевой, за 2016-2017 год в Российской Федерации на уроках физической культуры погибли 211 учащихся [12]. Статистика по случаям гибели школьников в Челябинской области, согласно Министерству здравоохранения Челябинской области, за последние 5 лет отражена в виде списка [13]:
- 2019 год - 1 случай;
- 2020 год - 2 случая;
- I квартал 2022 год - 1 случай.
По данным Центра синкопальных (обморочных) состояний и сердечных аритмий у детей и подростков, 70 % внезапных смертей школьников в 
пределах учебных заведений происходит на уроках физической культуры, что статистически определяет частотность, равную 1.4 случаев на 100000
учеников, рисковые доли групп учащихся по возрастам отражены на рисунке 2. При этом уровень физической активности во время гибели
школьников или предшествующей им активностям находится в довольно широком диапазоне – от 2 до 5 зоны ЧСС [14].

Рисунок 2 – Рисковые доли групп учащихся
В большинстве исследованных случаев причиной гибели учащихся являлось некорректное определение наличия проблем с сердечно-сосудистой системой. При этом законодательство возлагает ответственность за полученные травмы и гибель подопечных в пределах учебного заведения на преподавателей [15]. Для предотвращения несчастных случаев куратору, в простейшем случае, необходимо проводить медицинский осмотр учащихся путем периодичного замера ЧСС неинструментальным (пальпаторным) методом в течение всего занятия, что является трудоемкой и длительной процедурой со значительной погрешностью измерения. Использование специального медицинского оборудования (например, напалечного
пульсиоксиметра) позволяет получить требуемую точность, но не уменьшает временные затраты по сравнению с пальпаторным методом. Также у медицинских приборов отсутствует сценарий использования во время движения. Решением описанной проблемы является синтез устройства для мониторинга состояния организма во время проведения занятий по физкультуре.
Целью представленной выпускной квалификационной работы является синтез бюджетного малогабаритного модульного носимого устройства, осуществляющего считывание физиологических показателей организма пользователей и их передачу на мобильное устройство куратора занятия для последующей обработки.
Актуальность темы заключается в том, что представленные на рынке аппаратно-программные решения мониторинга физиологического состояния организма обладают, в основном, следующими недостатками:
– высокая базовая стоимость и платная подписка на оказание услуг;
– преимущественное взаимодействие профессиональных решений с одной мобильной платформой – iOS;
– импортное производство и зарубежный патент на право собственности, запрещающий возможность модификации и ограничивающий сценарии использования;
– использование проприетарного протокола ANT+ для передачи данных.
Разрабатываемый продукт призван исключить рассмотренные технологические и правовые казусы, проводя политику импортозамещения и способствуя выпуску гибкого, модернизируемого, экономически выгодного решения для нужд образовательных учреждений страны.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
1) исследовать современный рынок аналогичных устройств для мониторинга состояния организма, провести детальный анализ применяемых
технологических решении, сформировать критерии проектирования устройства, учитывая выделенные преимущества и недостатки;
2) в рамках технического задания определить характеристики устройства, выбрать аппаратную платформу, технологию передачи данных согласно техническому заданию, обозначить функциональные и нефункциональные требования;
3) осуществить проектирование функциональной структуры устройства, выполнить подбор необходимых комплектующих, произвести расчет финансовых затрат, сделать вывод об экономической эффективности проекта;
4) реализовать аппаратную и программную составляющую устройства;
5) совершить серию приемочных опытов с программной частью на стороне оператора, доказать способность устройства в обеспечении выполнения требуемого функционала.
Новизна устройства заключается в высокой ремонтопригодности благодаря свойству модульности, и, как следствие, возникающей возможности модернизации, что увеличивает жизненный цикл устройства. Так, например, возможен сценарий замены аккумуляторной батареи, в то время как аналогичные устройства не предусматривают разборную конструкцию и по завершению жизненного цикла или в случае внутренней поломки приходят в негодность, увеличивая технологические отходы и усиливая пагубное влияние на экологическую среду. Также устройство будет обладать открытым исходным кодом, что позволит другим разработчикам реализовать собственные проекты на базе текущего или улучшить предложенный проект.
Степень разработанности рассматриваемой области является довольно высокой, поскольку ученым-исследователям в сфере спортивной медицины требуются устройства мониторинга с целью улучшения физических показателей атлетов. Разработчиками предлагаются различные варианты и формы устройств, методики оценивания, которые постепенно перетекают в общественные спортивные организации, в том числе в ВУЗы, школы и в социальное пространство для индивидуального пользования .

Купить

В процессе выполнения выпускной квалификационной работы были выполнены следующие задачи:
– проведен обзор современных аппаратных возможностей организации портативного мобильного устройства мониторинга состояния организма, сформированы критерии проектирования устройства на основе проведенного обзора;
– определены основные требования к устройству;
– спроектирована функциональная структура устройства, осуществлён подбор комплектующих и рассчитана экономическая целесообразность реализации аппаратного комплекса;
– реализовано устройство для мониторинга состояния организма во время проведения занятий по физкультуре;
– произведена оценка работоспособности, осуществлена проверка соответствия количественным и функциональным требованиям реализованного устройства.
В ходе дальнейшей разработки может быть реализован следующий функционал:
– использование аппаратной платформы ESP32, поддерживающий несколько профилей Bluetooth;
– исполнение системы на одной плате;
– добавление GPS-модуля;
– добавление Flash-памяти и организация БД для хранения тренировок и значений ЧСС;
– внедрение крепления и разработка силиконового ремешка.
Результатами выполнения выпускной квалификационной работы является устройство для мониторинга состояния обучающихся во время проведения занятий по физической культуре со следующими параметрами:
– вес готового устройства составляет 37 г;
– физические габариты устройства: 46x32x22 мм;
– время автономной работы устройства в режиме ожидания составляет 120 часов, в активном режиме – 6 часов;
– максимальное расстояние бесперебойного подключения устройства к смартфону куратора составляет 53 метра.
Купить