(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 109979557 A(43)申请公布日 2019.07.05
(21)申请号 201910256878.4(22)申请日 2019.04.01
(71)申请人 长春工业大学
地址 130012 吉林省长春市延安大街2055
号
申请人 吉林大学
(72)发明人 胡黄水 杨兴旺 卿金晖 张国
王婷婷 王宏志 (51)Int.Cl.
G16H 15/00(2018.01)G16H 80/00(2018.01)
权利要求书2页 说明书5页 附图2页
CN 109979557 A(54)发明名称
一种基于大数据的学生体质健康监测系统及评价方法(57)摘要
本发明涉及大数据教育信息管理系统领域，特别是一种基于大数据的学生体质健康监测系统及评价方法。本发明主要包括学生体质健康监测系统及数据处理方法。学生体质健康监测系统
信息录入系统、数据采集系统、数据传输系包括：统、数据处理系统，其主要功能是通过学生手环对学生平时课程中的运动数据进行采集，并通过手环将数据上传至中心数据库进行存储。数据分析方法是在采集的大数据中，通过数据分析系统对采集到的学生各项运动数据与标准数据进行对比，综合分析并进行打分，据此生成指导报告，指导学生进行合理的健康运动。本发明可广泛应用于提高各个年龄段的学生人群的体质健康状态，且达到了方便学生体质分析工作的目的。
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权 利 要 求 书
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1.一种基于大数据的学生体质健康监测系统及评价方法，其特征在于：包括学生体质健康监测系统及数据处理技术方案；学生体质健康监测系统主要是通过学生手环对学生平时课程中的运动数据进行采集，并通过手环将数据上传至中心数据库进行存储；数据分析方法是在采集的大数据中，通过数据分析系统对采集到的学生各项运动数据与标准数据进行对比，综合分析并进行打分，据此生成指导报告，指导学生进行合理的健康运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于大数据的学生体质健康监测系统及评价方法，其特征在于：学生体质健康监测系统包括：信息录入系统、数据采集系统、数据传输系统、数据处理系统、中心数据库以及数据分析系统。
3.根据权利要求2所述的一种基于大数据的学生体质健康监测系统及评价方法，其特征在于：所述的信息录入系统包括两方面：一方面是将学生的基本信息，如：班级、学号、姓名、人脸数据等身份信息录入到中心数据库中，另一方面将国家颁布的《国家学生体质健康标准》中的各运动项目的标准录入到数据分析系统中，作为采集数据的分析标准。
4.根据权利要求2所述的一种基于大数据的学生体质健康监测系统及评价方法，其特征在于：所述的数据采集系统主要包括学生手环、教师终端、身份验证终端及其他辅助体育设施；
(1)数据采集模块包括学生手环，学生手环中内嵌有RFID芯片，用于学生上课时与学生身份进行匹配，学生手环中还主要包括三轴加速度传感器、心率传感器及生物电学传感器等多种用于监测学生运动情况的传感器，用于学生运动时的数据进行采集；
(2)数据采集模块还包括教师终端，教师终端中包括语音模块、震动模块、数据传输模块及数据处理模块，其主要用来观察采集到的学生运动数据，但教师不能对数据进行修改，并且通过数据处理模块对数据进行有效性校验，如果有学生的数据存在异常状态，教师端及时向教师进行语音、文字或震动提醒，并采取相应措施；特别的是本发明还可以通过学生手环中内置的心率传感器通过无线的传输方式对学生心率进行实时检测，一旦发现有学生心率变化波动较大或超出某一范围的情况，教师端及时向教师发出语音或震动警告，防止学生发生意外情况；同时如果学生心率变化突然消失，教师终端也及时进行提醒，防止学生出现作弊行为；
(3)数据采集模块还包括身份验证终端，身份验证终端包括人脸识别模块和RFID读写模块，其主要是通过人脸识别技术与RFID技术进行学生的身份匹配，具体做法在学生手环中嵌入RFID芯片，学生在人脸识别终端进行人脸识别的同时，利用RFID芯片特有的标签，在读写模块识别手环中RFID芯片的标签信息，与佩戴者进行身份信息匹配；
(4)数据采集模块还包括其他体育设施，其主要用途是采集手环采集不到的运动数据，比如：学生的身高、体重、引体向上等体育项目，这些辅助的体育设施中配有数据传输模块，在数据采集完成后，可以将数据通过数据传输模块发送到手环中，再由手环统一进行传输。
5.根据权利要求2所述的一种基于大数据的学生体质健康监测系统及评价方法，其特征在于：所述的数据传输系统包括数据处理模块，主要是将采集到的数据通过有线或无线的方式将采集到的数据上传至教师终端、中心数据库中，无线传输方式主要在学生手环、教师端及其他辅助体育设备中嵌入WiFi模块、蓝牙模块等无线传输模块；有线传输方式主要通过嵌入式数据接口，如：USB接口、以太网接口等方式进行传输。
6.根据权利要求2所述的一种基于大数据的学生体质健康监测系统及评价方法，其特
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征在于：所述的数据处理系统包括数据处理模块，主要是在学生数据采集阶段，对学生的运动数据进行处理，如果发现异常数据，如：漏记、多记等情况时，可以通过教师端对教师进行提醒，可以是语音、文字或震动提醒，并对异常数据进行标记，由教师对异常问题进行检查，采取合适的解决办法。
7.根据权利要求2所述的一种基于大数据的学生体质健康监测系统及评价方法，其特征在于：所述的中心数据库主要用来存储每个学生的基本信息，并存储在学生手环采集到的各项运动数据。教师端可访问该数据库，用于查看班级学生基本信息，并经身份验证终端可对学生进行身份认证；学校有关部门也可访问该数据库，可对全校学生的体质健康状态进行查看。但教师端及学校有关部门都无权对数据库中数据更改。
8.根据权利要求1所述的一种基于大数据的学生体质健康监测系统及评价方法，其特征在于：所述的数据分析方法主要通过数据分析系统对学生的体质健康与国家标准进行比较，并综合各项目运动数据统一进行分析，并生成指导报告，学校及教师可根据指导报告对学生进行针对性的训练；首先是对数据进行处理，根据系统事先录入的《国家学生体质健康标准》中的各项运动指标作为数据的评价标准，然后按学生、班级、学校的优先级次序进行评测：
(1)对每个学生上传的运动数据进行分析。将每个学生上课时采集到的数据与标准指标进行综合对比，可以对每个学生的体质健康情况进行针对性分析：学生优势项目继续保持，针对学生的劣势项目根据综合评分后进行预警并提出针对性的建议，生成学生体质健康报告，教师可根据该报告指导学生在课上进行合理的运动安排。
(2)定期分析上课班级所有学生的数据。分析班级学生体质健康变化情况，取各个班级的学生数据项目的平均值与标准指标、其他班级进行综合对比，分析生成班级学生体质健康报告，学校可据此对各个班级不同的情况有针对性的安排班级的上课时间及次数。
(3)针对整个学校的情况。取学校所有学生的运动数据的平均值，并将其与标准指标及进行综合对比，可以使学校有关部门对学校学生的整体健康水平有所把控，方便学校制订相应的决策。
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说 明 书
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一种基于大数据的学生体质健康监测系统及评价方法
技术领域
[0001]本发明涉及大数据教育信息管理系统领域，特别是一种基于大数据的学生体质健康监测系统及评价方法。
背景技术
[0002]近年来，通过对我国学生的体质健康现状的相关研究，发现我国学生的体质连续多年呈现下降趋势，体重超重现象日益严重、身体指标持续下降。学生作为一个国家、民族的未来与希望，其健康状况直接影响国家将来国民体质的状况，也关系到未来人才的后劲力量，可见对学生进行体质健康监测是十分必要的。[0003]为激励学生积极参加身体锻炼，提升学生体质健康，教育部于2014年公布了最新修订的《国家学生体质健康标准》，从国家层面开展学生体质健康监测，并在初中升学考试中加入体育项目，旨在采取有效措施增进学生体质健康。目前大部分学校采用集中考试的方式为主，并采用人工汇总的方式通过学校将数据上报至教育部体质健康监测平台，对学生体质做出评价。但该做法忽略了学生平时课程中体育运动的过程，实际上，在平时运动过程中，可以产生运动时间、速度、步数和能量消耗等大量数据，如果能对这些大数据的进行实时监测并分析对比，据此对学生的运动进行指导与调整，可达到更为合理健康的运动效果，且为学生体质分析工作带来极大的便利。发明内容
[0004]针对上述问题，本发明提出了一种基于大数据的学生体质健康监测系统及评价方法，包括学生体质健康监测系统及数据处理方法。学生体质健康监测系统包括：信息录入系统、数据采集系统、数据传输系统、数据处理系统，其主要功能是通过学生手环对学生平时课程中的运动数据进行采集，并通过手环将数据上传至中心数据库进行存储。数据分析方法是在采集的大数据中，通过数据分析系统对采集到的学生各项运动数据与标准数据进行对比，综合分析并进行打分，据此生成指导报告，指导学生进行合理的健康运动。[0005]一种基于大数据的学生体质健康监测系统，包括信息录入系统、数据采集系统、数据传输系统、数据处理系统、数据分析系统、中心数据库以及数据分析系统。[0006]信息录入模块主要是将学生的基本信息，如：班级、学号、姓名、人脸数据等身份信息录入到中心数据库中，并且将国家颁布的《国家学生体质健康标准》中的各运动项目的标准录入到数据分析系统中，作为采集数据的分析标准。[0007]数据采集系统主要包括学生手环、教师终端、身份验证终端及其他辅助体育设施。[0008]数据采集系统包括学生手环。学生手环中内嵌有RFID芯片，用于学生上课时与学生身份进行匹配，学生手环中还主要包括三轴加速度传感器、心率传感器及生物电学传感器等多种用于监测学生运动情况的传感器，用于学生运动时的数据进行采集。[0009]数据采集系统还包括教师终端。教师终端中包括语音模块、震动模块、数据传输模块及数据处理模块，其主要用来观察采集到的学生运动数据，但教师不能对数据进行修改，
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并且通过数据处理模块对数据进行有效性校验，如果有学生的数据存在异常状态，教师端及时向教师进行语音、文字或震动提醒，并采取相应措施。特别的是本发明还可以通过学生手环中内置的心率传感器通过无线的传输方式对学生心率进行实时监测，一旦发现有学生心率变化波动较大或超出某一范围的情况，教师端及时向教师发出语音或震动警告，防止学生发生意外情况；同时如果学生心率变化突然消失，教师终端也及时进行提醒，防止学生出现作弊行为。
[0010]数据采集系统还包括身份验证终端。身份验证终端包括人脸识别模块和RFID读写模块，其主要是通过人脸识别技术与RFID技术相结合，将学生手环与学生的身份进行匹配。[0011]数据采集系统还包括其他体育设施。其主要用途是采集手环采集不到的运动数据，比如：学生的身高、体重、引体向上等体育项目，这些辅助的体育设施中配有数据传输模块，在数据采集完成后，可以将数据通过数据传输模块发送到手环中，再由手环统一进行传输。
[0012]数据传输系统包括数据处理模块，主要是通过有线或无线的方式将采集到的数据上传至教师终端、中心数据库中，无线传输方式主要在学生手环、教师端及其他辅助体育设备中嵌入WiFi模块、蓝牙模块等无线传输模块，有线传输方式主要通过嵌入式数据接口，如： USB接口、以太网接口等方式进行传输。[0013]数据处理系统包括数据处理模块，主要是在学生数据采集阶段，对学生的运动数据进行处理，如果发现异常数据，如：漏记、多记等情况时，可以通过教师端对教师进行提醒，可以是语音、文字或震动提醒，并对异常数据进行标记，由教师对异常问题进行检查，采取合适的解决办法。
[0014]中心数据库主要用来存储每个学生的基本信息，并存储在学生手环采集到的各项运动数据。教师端可访问该数据库，用于查看班级学生基本信息，并经身份验证终端可对学生进行身份认证；学校有关部门也可访问该数据库，可对全校学生的体质健康状态进行查看。但教师端及学校有关部门都无权对数据库中数据更改。
[0015]一种基于大数据的学生体质健康监测系统的评价方法主要通过数据分析系统对学生的体质健康与国家标准进行比较，并综合各项目运动数据统一进行分析，并生成指导报告，学校及教师可根据指导报告对学生进行针对性的训练。首先是对数据进行处理，根据系统事先录入的《国家学生体质健康标准》中的各项运动指标作为数据的评价标准，然后按学生、班级、学校的优先级次序进行评测：[0016](1)对每个学生上传的运动数据进行分析。将每个学生上课时采集到的数据与标准指标进行综合对比，可以对每个学生的体质健康情况进行针对性分析：学生优势项目继续保持，针对学生的劣势项目根据综合评分后进行预警并提出针对性的建议，生成学生体质健康指导报告，教师可根据该报告指导学生在课上进行合理的运动安排。[0017](2)定期分析上课班级所有学生的数据。分析班级学生体质健康变化情况，取各个班级的学生数据项目的平均值与标准指标、其他班级进行综合对比，分析生成班级学生体质健康报告，学校可据此对各个班级不同的情况有针对性的安排班级的上课时间及次数。[0018](3)针对整个学校的情况。取学校所有学生的运动数据的平均值，并将其与标准指标及进行综合对比，可以使学校有关部门对学校学生的整体健康水平有所把控，方便学校制订相应的决策。
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相比于现有技术，本发明的有益之处在于：
[0020](1)本发明采用手环对学生的体质健康进行监测，可以实时、方便的进行监测，不受场地等因素限制，并且采用手环监测可以减少人力的投入，节省成本与时间。[0021](2)本发明采用人脸识别与RFID技术进行学生身份匹配，可以快速的进行身份匹配，只需一个身份验证终端即可，无需额外的工具辅助，方便快捷，提高了工作效率；并且RFID 技术有较高的可靠性，且方便后期维护，同时本发明采用身份匹配的手段可以起到对学生上课进行人数统计的效果，减少作弊等现象的发生。[0022](3)本发明对采集到的运动数据进行综合统一分析，避免了单一分析而做出片面的评价，同时按照学生、班级、学校的优先次序进行分析，生成指导报告，可以比较同龄人的体质健康水平，方便学校、教师针对学生制订相应的运动计划。附图说明
[0023]图1为本发明一种基于大数据的学生体质健康监测系统及评价方法的结构框图[0024]图2为本发明一种基于大数据的学生体质健康监测系统及评价方法的采集模块框图
[0025]图3为本发明一种基于大数据的学生体质健康监测系统及评价方法的评价方法流程图
具体实施方式
[0026]下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0027]本发明提出了一种基于大数据的学生体质健康监测系统及评价方法，包括学生健康监测系统及数据处理方法。健康监测系统包括：信息录入系统、数据采集系统、数据传输系统、数据处理系统，其主要功能是通过学生手环对学生平时课程中的运动数据进行采集，并通过手环将数据上传至中心数据库进行存储。数据处理方法是在采集的大数据中，通过数据分析系统对采集到的学生各项运动数据与标准数据进行对比，综合分析并进行打分，据此生成指导报告，指导学生进行合理的进行运动。
[0028]一种基于大数据的学生体质健康监测系统的结构框图如图1所示，包括信息录入系统、数据采集系统、数据传输系统、数据处理系统、数据分析系统、中心数据库以及数据分析系统。信息录入系统主要是将学生的个人信息录入到中心数据库中，数据采集系统主要用来对学生平时上课时的体育运动情况进行数据采集，数据传输系统主要是完成各系统间的数据传输任务，中心数据库主要用来存储采集到的数据。数据处理系统主要是对异常数据进行检测以及对采集后的数据进行处理，为数据分析做准备。[0029]信息录入系统包括两方面：学生基本信息的录入及标准指标的录入。[0030](1)将学生的基本信息，如：班级、学号、姓名、人脸数据等身份信息录入到中心数据库中，教师端可进入数据库进行查看，方便教师上课调取班级学生的信息，同时也达到了防止学生逃课的目的。[0031](2)将国家颁布的《国家学生体质健康标准》中的各运动项目的标准录入到数据分析系统中，作为采集数据的分析标准。
[0032]数据采集系统的示意图如图2所示，主要包括学生手环、教师终端、身份验证终端
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及其他辅助体育设施：
[0033]数据采集系统包括学生手环。学生手环中内嵌有RFID芯片，用于学生上课时与学生身份进行匹配，学生手环中还主要包括三轴加速度传感器、心率传感器及生物电学传感器等多种用于监测学生运动情况的传感器，通过学生平时课程中的体育运动，手环对学生运动时的数据进行采集，并且其他体育设施配有与手环相连接的数据传输模块，将手环采集不到的项目通过其他辅助体育设施进行采集并传输到手环上；在手环中有数据传输模块，将采集到的数据统一通过手环进行上传；在手环中还有一复位按键，在上传完成学生数据后，用于下课时清空该学生的运动数据；本发明利用手环对学生平时体育课程上的各运动项目进行监测，可以实时了解学生的运动情况，使采集到的的数据更为及时、准确、灵活，并且节约了人力、物力。并且可以使学生手环重复利用，节省了学校的成本开销。[0034]数据采集系统还包括教师终端。教师终端中包括语音模块、震动模块、数据传输模块及数据处理模块，其主要用来观察采集到的学生运动数据，但教师不能对数据进行修改，学生在运动时可以将采集到的数据通过数据传输模块发送到教师终端，并通过数据处理模块对采集数据进行校验，如果有学生的数据存在异常状态，教师端及时向教师进行语音、文字或震动提醒，由教师确定运动数据是否存在异常，并采取相应措施。特别的是本发明还可以通过学生手环中内置的心率传感器通过无线的传输方式对学生心率进行实时检测，一旦发现有学生心率变化波动较大或超出某一范围的情况，教师端及时向教师发出语音或震动警告，教师及时进行查看，防止学生发生意外情况；同时如果学生心率变化突然消失，教师终端也及时进行提醒，防止学生出现作弊行为，该做法有效的解放了教师的工作量，同时也避免作弊行为的发生，节省了测试的时间。[0035]数据采集系统还包括身份验证终端。身份验证终端包括人脸识别模块和RFID读写模块，其主要是通过人脸识别技术与RFID技术进行学生的身份匹配，具体做法在学生手环中嵌入RFID芯片，学生在人脸识别终端进行人脸识别的同时，利用RFID芯片特有的标签，在读写模块识别手环中RFID芯片的标签信息，与佩戴者进行身份信息匹配，本发明利用人脸识别及RFID相结合的方法对学生进行身份匹配，避免出现学生与采集到的数据无法匹配的问题，并且避免了学生之间出现作弊的行为。[0036]数据采集系统还包括其他体育设施。其主要用途是采集手环采集不到的运动数据，比如：学生的身高、体重、引体向上等体育项目，无法通过手环进行采集，只能通过一些辅助的体育设备进行测试。在这些辅助的体育设施中配有数据传输模块，在数据采集完成后，可以将数据通过数据传输模块发送到手环中，再由手环统一进行传输。[0037]数据传输系统包含数据传输模块，主要是将采集到的数据通过有线或无线的方式将采集到的数据上传至教师终端、中心数据库中，无线传输方式主要在学生手环、教师端及其他辅助体育设备中嵌入WiFi模块、蓝牙模块等无线传输模块，在数据采集完成后，通过 WiFi或蓝牙模块对数据进行上传；当无线传输方式遇到故障时，采用备用的有线方式传输数据，有线传输方式主要通过嵌入式数据接口，如：USB接口、以太网接口等方式进行传输，本发明通过无线、有线传输方式相结合的手段，利用无线传输方便、快捷的优点，同时添加有线传输方式避免由于无线传输出现意外而导致学生手环中的数据无法传输的情况。[0038]数据处理系统包括数据处理模块，主要是在学生数据采集阶段，对学生的运动数据进行处理，如果发现异常数据，如：漏记、多记等情况时，可以通过教师端对教师进行提
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醒，可以是语音、文字、振动等提醒方式，并对异常数据进行标记，由教师对异常问题进行检查，采取合适的解决办法。
[0039]中心数据库主要用来存储每个学生的基本信息，并存储在学生手环采集到的各项运动数据。教师端可访问该数据库，用于查看班级学生基本信息，并经身份验证终端可对学生进行身份认证；学校有关部门也可访问该数据库，可对全校学生的体质健康状态进行查看。但教师端及学校有关部门都无权对数据库中数据更改。
[0040]一种基于大数据的学生体质健康监测系统的评价方法主要通过数据分析系统对学生的体质健康与国家标准进行比较，并综合各项目运动数据统一进行分析，根据每个学生情况的不同制订不同的运动计划，并生成指导报告，学校及教师可根据指导报告对学生进行针对性的训练，方便学生提高体质健康水平。其分析流程如图3所示，首先是对数据进行处理，根据系统事先录入的《国家学生体质健康标准》中的各项运动指标作为数据的评价标准，然后按学生、班级、学校的优先级次序进行评测：[0041](1)对每个学生上传的运动数据进行分析。将每个学生上课时采集到的数据与标准指标进行综合对比，可以对每个学生的体质健康情况进行针对性分析：学生优势项目继续保持，针对学生的劣势项目根据综合评分后进行预警并提出针对性的建议，生成学生体质健康报告，教师可根据该报告指导学生在课上进行合理的运动安排。[0042](2)定期分析上课班级所有学生的数据。分析班级学生体质健康变化情况，取各个班级的学生数据项目的平均值与标准指标、其他班级进行综合对比，分析生成班级学生体质健康报告，学校可据此对各个班级不同的情况有针对性的安排班级的上课时间及次数。[0043](3)针对整个学校的情况。取学校所有学生的运动数据的平均值，并将其与标准指标及进行综合对比，可以使学校有关部门对学校学生的整体健康水平有所把控，方便学校制订相应的决策。
[0044]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
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