基于物聯(lián)網技術的團隊運動體能檢測評估系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

◆黎浩 張良 李筱燁 劉思雨 王婧琪 張雯

基于物聯(lián)網技術的團隊運動體能檢測評估系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

◆黎浩 張良 李筱燁通訊作者劉思雨 王婧琪 張雯

（北京信息科技大學計算機學院 北京 100083）

根據當前社會上團隊運動需要統(tǒng)籌監(jiān)測和管理的需求，為解決“運動手環(huán)”使用方式單一，僅局限于個人使用，數據無法共享并進行分析的問題，結合大學生體育課場景，基于JavaWeb技術和“藍牙網關”技術，服務器數據傳輸技術和數據庫技術設計與實現(xiàn)了團隊運動體能檢測評估系統(tǒng)，改變了手環(huán)單一使用的模式，提供了同時監(jiān)測群體中多人運動狀況的功能，極大地提高了團隊運動和訓練的安全性，為運動群體中每個人的生命安全提供了保障。

心跳監(jiān)測；可穿戴；藍牙；團隊監(jiān)測

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，人們對于運動的需求日益增加，但是在運動過程中難免會有特殊情況發(fā)生而生命安全是一個人最為重要的東西。面對這個問題，人們迫切需要一種能夠實時檢測自身的身體狀況的設備；現(xiàn)市場上的手環(huán)，功能普遍偏向于個人，在團隊運動體能監(jiān)測方面卻處于一片盲區(qū)。本項目針對實時了解運動團隊的運動情況的需求，基于“藍牙傳輸”、JavaWeb等相關技術，設計出一款運動體能監(jiān)測評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在團隊運動時實時檢測各個成員的心率等身體狀況，并將團隊中所有成員的運動狀態(tài)以可視化界面展現(xiàn)在管理員面前；該系統(tǒng)還提供預警功能，讓管理者充分了解到所有成員的運動狀態(tài)，使得每個人的生命安全得以保證。

1 需求分析

從學校運動會到城市馬拉松，從體能測試到俱樂部夜跑，在各類大中小型體育活動中運動員個人或許會佩戴運動手環(huán)等監(jiān)測設備，但是無法實現(xiàn)信息及時共享和統(tǒng)一監(jiān)測導致相關方無法及時獲取運動員的實時身體數據（例如心跳、卡路里消耗等）。而處于劇烈運動中的運動員往往無法客觀判斷自身身體狀況，當身體出現(xiàn)不適等異常狀況時由于各方都沒能及時注意到緊急情況，導致運動員發(fā)生休克、猝死等意外；組織方也對保存運動員的身體狀況數據有著迫切需求，一旦發(fā)生意外以便向社會澄清事實真相，協(xié)助官方調查。為了保障運動員的生命健康安全，確保體育活動順利開展，保障運動員和組織方的核心利益，急需一套可以收集、統(tǒng)計和分析全體運動員實時身體狀態(tài)的可視化系統(tǒng)。

基于以上情況和目的，我們對該系統(tǒng)提出以下要求：擁有布局清晰的可視化界面；能夠高效、快速、及時地收集全體運動員的身體實時健康指標數據，并將數據儲存到云服務器里；能夠依靠科學的算法計算出運動員的實時健康狀況，分析運動員的身體狀態(tài)是否支持繼續(xù)參與體育運動；能夠將運動員的實時身體數據，包括心跳、脈搏、卡路里消耗和血氧濃度等，系統(tǒng)展示在可視化界面上；能夠通過對運動員的實時身體數據分析，預警運動員的健康風險；能夠實現(xiàn)數據的安全傳輸、備份和保存；能夠為管理員和監(jiān)測人員提供較好的管理權限和數據處理功能。

2 系統(tǒng)設計

團隊運動體能監(jiān)測評估系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）的設計主要包括數據采集和處理、數據傳輸和保存、數據分析和評估、可視化界面和用戶管理等5個模塊，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構圖

2.1 數據采集和處理

當用戶處于運動狀態(tài)中，其身體的心跳、脈搏、血氧濃度、卡路里消耗等數據都在發(fā)生動態(tài)變化，通過“藍牙”傳輸技術，系統(tǒng)將這些動態(tài)數據持續(xù)傳輸至云服務器中，并解析出用戶的心跳、血氧、卡路里消耗等信息[1]。一方面為對用戶的身體各方面數據進行增加，刪除，修改，導入，導出，統(tǒng)計等操作提供數據基礎；另一方面為之后系統(tǒng)憑借核心算法處理規(guī)模數據提供了完備基礎。

2.2 數據的傳輸和保存

處于運動狀態(tài)下的用戶的部分身體狀態(tài)數據是持續(xù)動態(tài)變化且無規(guī)律的，在數據的傳輸過程中也存在數據丟包的情況；系統(tǒng)采用了用戶數據報協(xié)議（UDP）和傳輸控制協(xié)議（TCP）共舉的辦法實現(xiàn)數據流的持續(xù)傳送，最大限度地保證數據的完整性[2]。核心算法支持同樣需要大量的數據支撐，數據的儲存和備份顯得尤為重要；基于Redis和MySQL技術實現(xiàn)的數據的傳輸備份和保存為核心算法的實施提供了穩(wěn)定正確的數據，保證了算法的精準性。

2.3 數據分析和評估

系統(tǒng)一方面依托提前錄入的固定數據如身高、體重、肺活量等信息和心跳脈搏、卡路里消耗、血氧濃度等實時動態(tài)數據，憑借核心算法對成員的實時運動狀態(tài)進行分析和預測，另一方面進一步推出成員是否存在運動風險，預測可能發(fā)生的意外并及時預警，從而幫助管理員對全體成員實現(xiàn)實時全面監(jiān)控與管理，減小因人為疏忽而導致緊急情況下意外發(fā)生的可能性。

2.4 可視化界面

可視化界面主要實現(xiàn)用戶界面和管理員界面。在登錄驗證進入可視化界面后，用戶界面主要顯示用戶個人的身體各項狀況；管理員界面則是顯示其管理的團隊整體的身體各項數據，包括已錄入的靜態(tài)身體數據（身高、體重等）和動態(tài)變化的實時身體數據（心跳、脈搏等），使管理員高效便捷地查看和監(jiān)測成員的身體狀況，與此同時系統(tǒng)依托各成員的心跳、脈搏、卡路里消耗和血氧濃度等數據借由核心算法計算、分析、繪制出相關圖表為管理員分析和預測成員運動時的實時身體狀況提供高效直觀的參考。

2.5 用戶管理

用戶管理主要是對想要增加自己信息到系統(tǒng)的用戶進行信息的增加、刪除、修改等權限的分配。從而使得用戶可以依托本系統(tǒng)記錄、追蹤、改動自己的相關信息，讓信息管理更加方便快捷。系統(tǒng)亦給予管理員更高權限以實現(xiàn)對權限下所有用戶進行統(tǒng)一管理，提供對各個用戶信息數據進行修改、批量導入導出等功能。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)采用Gradle工具構建，從Maven倉庫引入jar包。搭建Druid“數據連接池”保持對MySQL數據庫中由用戶界面獲取的靜態(tài)數據的連接，依托Redis數據緩存技術保障由“藍牙網關”傳輸的初始數據在經過解析后被調用和處理；系統(tǒng)基于Spring框架采用JDBC模式對數據庫展開操作。在經過基于Token Auth模式的登錄驗證后，系統(tǒng)在用戶界面利用了ECharts技術繪制的圖表為指定用戶直觀地提供其數據信息；管理員界面則為管理員展示所有用戶的數據信息，管理員亦可自由訪問、查詢各用戶的數據信息并作出標記；系統(tǒng)基于核心算法對所有用戶進行分析預測并及時向用戶和管理員發(fā)送警示信息以實現(xiàn)對處于運動狀態(tài)下的用戶的保護；系統(tǒng)賦予用戶和管理員不同的權限以訪問和修改用戶數據信息。系統(tǒng)依托可靠的程序流程（見圖2）實現(xiàn)了上述功能。

圖2 系統(tǒng)程序框圖

3.1 信息收集

在系統(tǒng)中，使用者佩戴了“藍牙手環(huán)”（或心率帶）之后，“藍牙手環(huán)”通過自身帶有的裝置，如心率傳感器等，收集使用者的心跳、步數、血氧濃度等信息[3]。由于采用TDOS傳輸數據且部分品牌“手環(huán)”開放了基本功能如“藍牙”傳輸的API接口，系統(tǒng)對部分品牌的運動“手環(huán)”有著較好的兼容性，系統(tǒng)既可以通過統(tǒng)一的配套“手環(huán)”實現(xiàn)數據的采集和傳輸，也可以通過識別IMEI碼綁定其他“手環(huán)”實現(xiàn)數據的采集和傳輸。

圖3 “藍牙”網關抓取手環(huán)數據上傳后臺的流程

3.2 信息傳輸

“藍牙手環(huán)”通過“藍牙”傳輸技術將數據傳輸到“藍牙網關”（TDOS），“藍牙網關”通過互聯(lián)網將數據傳輸至云服務器。（見圖3）系統(tǒng)對由“藍牙網關”傳輸至服務器的初始數據在Servelet中進行解析處理后獲得用戶的心跳，血氧含量，卡路里消耗等需要實時更新的身體信息數據，再將其更新進入Redis緩存；系統(tǒng)將Redis中的更新數據分段以1s為周期儲存至MySQL數據庫中。

表4 用戶采集信息表

3.3 數據庫設計

系統(tǒng)在分析用戶數據前依托MySQL數據庫構建指定數據類型對收集到的原始數據進行分類（見表4）、整合、儲存和傳遞，為數據分析奠定基礎。系統(tǒng)采用B/S架構，該架構可在所有Web瀏覽器使用而不需要另行安裝，兼容不同瀏覽器平臺[4]。系統(tǒng)運行時所需要的相關信息，如用戶信息數據等，都是以數據庫表的形式存在，存儲在系統(tǒng)數據庫中。系統(tǒng)允許管理員可以根據需要對數據進行操作，這些數據也將存儲于數據表中。

3.4 分析統(tǒng)計

系統(tǒng)基于一套簡潔高效的核心算法實現(xiàn)基于批量數據對用戶實時運動狀態(tài)的分析，依據指標分類標準（見表 5）統(tǒng)計各個用戶的實時身體狀況的數據，包括用戶的運動距離、運動時間、最大攝氧速度、最大攝氧量、平均心率和有氧恢復能力等；根據分析得出的數據實現(xiàn)對用戶實時身體狀態(tài)的判斷和預警[5]。例如系統(tǒng)通過對實時心率和一段時間內的平均心率來監(jiān)測用戶的身體狀態(tài)，出現(xiàn)超出心率控制范圍的情形，系統(tǒng)將及時做出反應向管理員和用戶預警。

表5 運動指標分類標準表

3.5 用戶管理

系統(tǒng)搭建了相對獨立的用戶和管理員界面，基于統(tǒng)一的可視化頁面實現(xiàn)對不同對象的分等級權限操作（見圖 4）。將用戶和管理員的信息進行冷錄入，基于Token Auth模式的登錄驗證后提供對用戶賬號，密碼，身體數據等信息的錄入和修改；系統(tǒng)賦予管理員較高權限使管理員可以訪問和操作各用戶數據信息，用戶則僅有訪問和操作自己數據信息的較低權限，保障了各用戶的個人隱私安全。

圖4 PC端用戶界面示意圖

3.6 可視化界面

系統(tǒng)基于Bootstrap框架構建具有簡潔合理的分類和布局的可視化界面和基于JQuery、ECharts庫繪制的多樣化圖表使用戶和管理員直觀獲取動態(tài)數據信息。合理的界面設計布局和高辨析度、清晰的信息顯示體現(xiàn)出系統(tǒng)對于用戶體驗的重視，拉近了人和計算機之間的聯(lián)系從而有利于管理員工作效率的提高[6]。管理員可以在可視化界面中（見圖5）對所有用戶狀況進行統(tǒng)一監(jiān)測，亦可對指定用戶進行訪問以調取該用戶的所有信息。

圖5 PC端管理員界面示意圖

4 結論

系統(tǒng)采用JavaWeb技術，Bluetooth4.0技術和MySQL數據庫技術結合當下團體運動情況（如運動會、馬拉松比賽、學生體育課教學，軍訓等等）設計和實現(xiàn)了的群體運動狀態(tài)下實時身體狀況的檢測和評估，有效地降低了個體在團隊運動中因健康風險被忽視而導致意外情況發(fā)生的可能性，具備一定的可行性，實用性和可操作性，實現(xiàn)了系統(tǒng)設計的可靠、高效和便捷的預期目標。但是隨著時代的進步，該系統(tǒng)將面臨新的要求和挑戰(zhàn)，不同團體對檢測數據類型的多樣化需求、多平臺手機應用軟件的開發(fā)、個體運動能力識別認證等等，都將是需要解決的核心技術。

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