基于物聯技術的運動規劃系統設計與構建

王嘉男等

摘 要：運用紅外線傳感器采集運動場人數，基于熱成像技術判斷、收集運動者運動程度，并通過智能終端對采集數據進行整合，對人們的運動方案進行規劃，以此設計、構建智能運動系統。系統實現了基于物聯網、云計算和紅外線傳感等技術，運用Java編程，設計構建基于智能手機的運動方案規劃系統，將運動者、體育場和智能手機通過移動互聯網、物聯網結合起來，為人們智能運動提供優化方案，將會給人們的運動生活帶來極大的便利。

關鍵詞：大數據；物聯網；紅外線傳感器；智能終端；智能運動系統；云計算

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）04-00-03

0 引 言

隨著物質文化生活水平的不斷提高，人們不僅對自身身體素質更加重視，而且對運動舒適的追求和運動本身帶來的愉悅感也提出了更高的要求。我國屬于人多地少的國家，城市用地非常緊張，自然能夠提供給用戶的運動場所也非常稀缺，分布也不均衡，這就導致了部分人群不能及時找到運動場所，而另一方面有些運動場館的利用不夠智能，有些時段擁擠不堪，有些時段冷冷清清。而且，現在很多收費體育場或健身房預定程序繁瑣，不能合理優化使用，人們通過電話預定，但是對“預定”的管理十分不便，更何況電話預定有時還不能有效地聯系到運動場，甚至查不到它的信息只能到運動場去預定，這就造成我們在運動之前對運動場的一切信息都是未知的，也就是說我們只能抵達運動場后，才能獲得它的相關信息，而這時無論運動場的狀況是好是壞，我們只能被動的去接受，無法提前獲知，更談不上提前對運動進行規劃。例如：當你花費很長時間走到一個社區籃球場時，不巧，你剛好趕上了人流的高峰，一個籃球場將近18個人，這時你只能選擇等待或者離開，這樣的話浪費了很多時間，即使能夠勉強等到運動場所，也會極大影響我們的運動心情，這時，一個智能化的運動方案規劃系統就顯得尤為必要。

據調研，當今主流預定運動場的網站僅有2～3個，并且只能在北京上海等特大型城市使用，相關預定APP也僅有1個。而與之相對應的一組數據如圖1所示。

這是一張2010～2013年運動鞋市場規模及增長速度的統計圖，由圖可以看出每年的運動鞋增長率至少在10%以上，就拿Nike來講，2013 年大中華地區第一季度凈賺5.77 億美元，從側面反映出當今人們對于運動需求的程度之高。整個運動市場的資源豐富并且潛力十分巨大，根據當今市場上的APP 和互聯網上的網站，發現運動市場還屬于沒有被全面開發的土地，有很多豐富的資源還未被使用，整個運動市場可以這么描述，資源需求量非常大，而配套的服務和優化措施卻沒有及時跟進。導致人們的運動需求與現實狀態的矛盾不斷激化，誰能在這一領域先服務用戶，誰就能率先搶占龐大的運動市場。

而物聯網的出現為解決這一矛盾提供了可能，物聯網是繼計算機、互聯網和移動互聯網之后的第三次世界信息產業的浪潮[1]。近年來，有眼光的商家都將移動互聯網和物聯網聯系起來，從而在很多領域引起了一場物聯網應用的革命。例如：騰訊公司推出的滴滴打車，將出租車個體聯系起來與移動互聯網結合，解決了人們的需求與出租車之間的矛盾，引發了出租車行業發展的浪潮，迅速搶占了這一市場。

物聯網在運動場上的應用勢必會在運動方面為人們帶來便利與舒適，從而改變人們的運動習慣，推動整個運動市場地發展。

1 物聯技術、云計算技術及硬件需求

1.1 物聯技術在系統構建與實現中的作用

“物聯網概念”是在“互聯網概念”的基礎上，將其用戶端延伸和擴展到物品與物品之間，進行信息交換和通信的一種網絡概念。其定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡概念[2]，如圖2[3] 所示。

1.2 大數據、云計算技術對本項目的支持

1.2.1 大數據

大數據（巨量資料）指的是所涉及的資料量規模巨大到無法通過目前主流軟件工具，在合理時間內達到擷取、管理、處理、并整理成為幫助企業經營決策更積極目的的資訊。大數據指不用隨機分析法，而采用所有數據進行分析處理。大數據的4V特點：Volume（大量）、Velocity（高速）、Variety（多樣）、Value（價值）。大數據需要特殊的技術，才能處理短時間內大量的數據。適用于大數據的技術，包括大規模并行處理（MPP）數據庫、數據挖掘電網、分布式文件系統、分布式數據庫、云計算平臺、互聯網和可擴展的存儲系統[4]。

1.2.2 云計算技術

云計算是近幾年提出的一個信息科技領域的概念，是由Google提出的一種網絡應用模式。云計算（Cloud computing）是網絡計算（Grid computing）、分布式計算（Distributed Computing）、并行計算（Parallel Computing）、效用計算（Utility Computing）、網絡存儲（Network Storage Technologies）、虛擬化（Virtualization）、負載均衡（Load Balance）等傳統計算機和網絡技術發展融合的產物[5]。通過網絡將大量的計算機資源進行統一管理從而形成一個擁有強大計算能力的系統，借助先進商業模式將云計算分給終端用戶的電腦。

1.3 單片機和紅外線傳感器的技術支持

1.3.1 單片機的技術

單片機是一種具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、定時器、計數器、多種I/O口和中斷系統的集成電路芯片，它把相關功能集中到一塊硅片上從而構成一個小而完善的微型計算機系統[6]。使用MSP430F149最小系統，復用P2口中斷功能，將兩個紅外傳感器信號線接單片機P2.0和P2.3引腳。使用MSP430F149單片機最小系統外接電源模塊，提供多根地線和+5 V高電平，使得兩個紅外傳感器能夠正常工作。使用MSP430F149單片機最小系統外接LCD1602，顯示當前進出空間的人數和當前空間剩余人數。目前，僅使用RS 232將數據發回到PC機，通過上位機軟件，得到一個存有當前空間總人數的文本文檔，至此，外部硬件搭建完成。

1.3.2 紅外線傳感器技術

紅外線傳感器是一種能感應物體發射的紅外線而輸出電信號的傳感器，它是利用紅外線的物理性質。任何物質，只要它本身的溫度高于絕對零度，都能夠輻射出紅外光。它能以非接觸的形式檢測出物體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉化為電路上電壓的輸出，并將電壓信號擴大，由此可以控制電路。所以它具有靈敏度高，反應快等優點。

1.4 系統的整體構想

在體育場的門口安裝兩個紅外線感應裝置，一個在外側一個在內側，設置相關的算法，當用戶進入運動場時先碰到外側的然后碰到內側的紅外線感應裝置，這時運動場總人數+1；當用戶從運動場出去的時候，會先碰到內側的然后碰到外側紅外線感應裝置，這時總人數-1。我們就可以將運動場每一刻的人數傳輸到后臺數據庫中，設計相關手機App，讓數據庫和APP相連，使得運動場上的相關數據能夠展現在APP中。例如，如果用戶現在想打籃球，他打開APP，找到相應的籃球場，就會顯示該籃球場的人數，用戶根據已知的信息判斷這時是否該去運動。通過GPRS網絡進行定位，根據定位信息提供周邊運動場所的信息提示，點開相應的運動場所或場館選擇預約查詢等相應功能，如圖3所示。

1.5 熱成像技術需求

熱成像技術至今已經發展了半個多世紀，其技術已經具備廣泛應用的條件。紅外熱像儀就是將物體發出的不可見紅外能量轉變為可見的熱圖像。利用這一特性，通過探測器將物體發熱部位輻射的功率信號轉換成電信號，成像裝置就可以模擬出物體表面溫度的空間分布，最后經過處理形成熱圖像圖片。熱圖像上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。

我們可以運用熱成像技術改變原先的構想，在體育場上安放熱感應成像裝置，裝置將每時每刻體育場上的圖像傳輸到電腦數據庫中，熱感應裝置所傳輸的數據會告訴我們兩個方面：運動場上的人數；運動場上每個人消耗的熱量（目標圖像越紅，就代表他消耗產生的熱量越多，說明他運動時間越長，可推算出運動時間），我們將這些數據轉化為相應的信息，展現在APP中。例如，如果用戶現在想打籃球，打開APP，找到相應的籃球場，就會顯示該籃球場的人數，和該籃球場每個人由熱量分析推算出的運動時間來判定他是否就快結束運動，用戶根據已知的信息判斷這時是否該去此籃球場運動。

2 智能終端應用軟件系統的架構設計

隨著21世紀智能手機的興起，智能手機在逐漸影響人們的生活習慣，而移動終端軟件也逐步被人們接受，用戶越發依賴手機軟件商店。手機移動應用軟件便捷了每個人的生活，讓人們開始了移動信息化進程。

開發移動應用軟件需要用到的語言：蘋果iOS系統版本，開發語言是Objective-C；安卓Android 系統版本，開發語言是Java。

應用軟件架構的步驟簡單來說分為：①應用規劃，②架構設計，③界面設計，④數據操作與存儲，⑤業務實現。

軟件構建方式方法：

（1）首先配置開發環境

（2）在客戶端利用Eclipse開發Android代碼，在Eclipse中設計UI界面，用來實現頁面的跳轉。

（3）在Eclipse完成客戶端的功能，即用戶查詢功能。

（4）在服務端利用Python建立http站點，把本機設置為服務器，以便客戶端查詢。

（5）服務器端的后臺管理是用Python語言開發的。管理員可以更新信息。

（6） 球場的實時數據是通過單片機傳輸數據到服務器端，通過一定時間更新數據庫，以便查詢到最新信息。

3 系統的應用前景分析與拓展

3.1 運動規劃系統的實用前景分析

隨著科技的發展，如果熱成像感應器的成本不斷下降，我們可以采用熱成像感應器來代替紅外線感應器，更好地采集運動場的數據服務用戶，采用大數據和云計算搜集和處理各種運動信息，無論在商業運營、學術價值、社會效益還是在改善人們運動生活質量方面都有較好的價值體現。

3.1.1 經濟可行性

一個軟件它的應用性廣泛、實用性強，就會帶來巨大的經濟效應。這個APP它面向的群體或者說受益群體是整個社會，它的應用面非常廣泛，不論我們在任何區域都能掌握運動場上的信息，滿足了當今人們對運動快樂的迫切需求。將所有運動場的運動信息聯網，整合所有運動資源，創造一個運動信息共享平臺。隨著注冊用戶增多，我們可以開展更多服務用戶運動的相關項目，并拓展運動項目，由一個點來切入到整個運動市場中，擁有巨大的用戶量和強大的產品粘性，最終達到軟件盈利的目的。

3.1.2 學術價值

這個項目最大的創意點是通過物聯網和移動互聯網將紅外線傳感器和體育場聯系起來，搜集運動場上的運動信息，傳遞給用戶（有效的運動者），讓用戶能夠合理規劃自己的運動方案。

3.1.3 社會價值

這個項目能夠有效緩解體育場時間和空間資源人數不合理的現狀，讓人們在體育場長了“眼睛”，隨時了解體育場的動態，減少了人們等待運動的時間，提高了運動舒適性。

3.2 技術與系統外延展望

基于物聯網的運動規劃系統是將紅外線傳感器（熱成像傳感器）和移動終端聯系起來，形成該系統的方法同樣可以適用于其他領域，以拓展該系統的用途。

3.2.1 銀行或政府服務部門

人們在生活中都會遇到在某個時間段去銀行或政府部門辦理業務時會非常擁擠，排隊需要很長時間，該系統可以安裝在銀行或政府服務部門門口，隨時監控銀行或政府服務部門的人數，設計相關算法除去工作人員，將辦理業務的人數實時展現在移動終端上，讓人們可以隨時掌握銀行或政府服務部門的人數，從而合理安排，減少辦理業務排隊時間。

3.2.2 旅游景點

隨著人們生活水平的不斷提高，人們更愿意把資金花費在旅游上，而現如今放假時間相對集中，就導致一些旅游景點在特定時間段人數爆棚，如圖4 所示。人們對于旅游舒適度的要求和旅游景點人數的矛盾可以說非常尖銳。

在一些相對封閉的景區，可以在門口安裝紅外線傳感裝置，搜集景區人數數據，實時將人數數據傳輸到后臺并展現在移動終端上，用戶在旅游過程中可以隨時查看想去景點的實時人數，決定旅游路線，減少了旅游過程中排隊等候的時間，合理安排路線后，大大提升了旅游的心情和舒適程度。

3.2.3 對大數據分析的需求及貢獻

隨著數據對人們生活地影響越來越大，大數據時代走進了人們的生活，由該系統搜集而來的數據也成為了巨大的商機。我們可以將搜集過來的數據進行分析和處理，由此得出結果。

4 結 語

本文通過對整個運動市場地分析，結合當今主流的移動互聯網、物聯網、大數據和云計算等技術，利用紅外線傳感系統搜集運動場人數數據，設計了基于物聯網的運動規劃系統，將運動場與移動終端相結合，最終形成一個運動資源共享的系統，使得運動資源能夠合理分配，不僅提高運動場的使用率及人們的運動舒適度，還節省了寶貴的時間。本系統在未來還可以拓展到其它相關領域，幫助人們合理規劃時間和生活，提高生活品質。

參考文獻

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[3]朱會霞， 王福林， 索瑞霞. 物聯網在中國現代農業中的應用[J]. 中國農學通報， 2011， 27（2）：310-314.

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[5]沈文.云計算[J].煤炭科技， 2010（4）：92.

[6]劉攀， 俞杰， 張海明. 基于單片機的溫度測控系統[J]. 蘭州交通大學學報， 2005，24（6）：103-106.