基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的健身運動監(jiān)測系統(tǒng)研究

陳宇 祝家東 王夢囡

(1.廣東第二師范學(xué)院體育學(xué)院 廣東廣州 510303;2.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息學(xué)院 廣東佛山 528137)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在體育健身行業(yè)的應(yīng)用關(guān)注健身系統(tǒng)中具有“物”的屬性的主體，以逐漸成熟起來的信息化體系為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，輔以物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的應(yīng)用，并遵循需求導(dǎo)向的原則，最終實現(xiàn)“智慧體育”[1]。在此背景下，一種特殊的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運而生——體域網(wǎng)。體域網(wǎng)是“基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的，人體上的生理參數(shù)收集傳感器或移植到人體內(nèi)的生物傳感器共同形成的一個無線網(wǎng)絡(luò)”，可作為泛在化體質(zhì)健康監(jiān)測系統(tǒng)的信息通訊解決方案。射頻識別技術(shù)（radio frequency identification，RFID）是自動識別技術(shù)的一種，利用該技術(shù)可以監(jiān)測練習(xí)者實時的健身設(shè)備并進行數(shù)據(jù)交換[2]。該研究結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計出一種智能運動監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測練習(xí)者的訓(xùn)練項目和運動心率，對訓(xùn)練數(shù)據(jù)進行分析與處理，并提供科學(xué)可行的訓(xùn)練指導(dǎo)方案，使練習(xí)者的練習(xí)效果達到最優(yōu)化。

1 健身運動數(shù)據(jù)獲取及傳輸系統(tǒng)

健身運動數(shù)據(jù)獲取及傳輸主要包含2個方面：練習(xí)效果和練習(xí)設(shè)備數(shù)據(jù)。心率數(shù)據(jù)是反映練習(xí)者練習(xí)效果的重要指標(biāo)，尤其是有氧運動。心率的大小、心率恢復(fù)正常的速度等都反映了練習(xí)者的身體狀況和練習(xí)效果。同時，心率數(shù)據(jù)要與具體的練習(xí)設(shè)備相匹配來進行分析，進行有氧訓(xùn)練的心率變化情況和開展抗阻訓(xùn)練的心率變化情況反映的信息不同，需要進行充分挖掘。該研究采用心率傳感器獲取練習(xí)者的心率數(shù)據(jù)，通過射頻識別技術(shù)獲取練習(xí)設(shè)備信息。

1.1 心率數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)

心率傳感器是一種利用光反射原理測量人體心率的傳感器。當(dāng)心臟收縮時，外周血容量最多，光吸收量最大，檢測到的光強度最小，而在心臟舒張時，正好相反，檢測到的光強度最大，使光接收器接收到的光強度隨之呈脈動性變化，進而可以還原出用戶的心率數(shù)據(jù)[3]。當(dāng)用戶的心臟跳動時，會有更多的血液流過用戶的手腕。因此，該研究將心率傳感器集成在智能腕帶上，獲取的心率數(shù)據(jù)通過藍牙方式上傳到智能處理終端（如手機）上進行后續(xù)處理。數(shù)據(jù)獲取結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 運動心率數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 運動設(shè)備數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)

無線射頻識別技術(shù)通過無線電波不接觸快速信息交換和存儲技術(shù)，通過無線通信結(jié)合數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，然后連接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，加以實現(xiàn)非接觸式的雙向通信，從而達到識別的目的。在識別系統(tǒng)中，通過電磁波實現(xiàn)電子標(biāo)簽的讀寫與通信[4]。RFID的讀取速度較快，不需要人工幫助，穿透力很強，具有可靠性強、效率高、成本低、易于制作等特點，被廣泛應(yīng)用于商品銷售、身份驗證、追蹤溯源等領(lǐng)域。在健身運動監(jiān)測系統(tǒng)中，用戶通過安裝有讀寫器的手環(huán)靠近健身器械上的射頻識別標(biāo)簽，可以快速識別器械名稱，結(jié)合用戶登錄信息，可以得知用戶進行健身運動的練習(xí)項目信息。

2 健身運動數(shù)據(jù)量化分析與評估模型

2.1 健身運動訓(xùn)練計劃的分析與評估

美國運動醫(yī)學(xué)協(xié)會將“健康體適能”定義為一種具有以下特征的身體狀態(tài)：有充足精力和能力從事日常活動，運動不足病癥早期發(fā)生的危險較低。健康體適能要素與高效率工作、享受閑暇、健康狀態(tài)、預(yù)防靜態(tài)生活方式導(dǎo)致的運動不足病癥及應(yīng)付緊急情況的能力緊密相關(guān)，具體包括心肺耐力、肌肉力量與耐力、柔韌性和身體成分。而健身運動就是在提高人們的健康體適能，所以將健身房劃分為有氧區(qū)、力量區(qū)和拉伸區(qū)，分別鍛煉心肺耐力、肌肉力量與耐力及柔韌性。根據(jù)區(qū)域的劃分將射頻識別標(biāo)簽貼在各種健身器械上，收集練習(xí)者在各區(qū)域中練習(xí)的具體情況，通過獲得的數(shù)據(jù)分析練習(xí)者此次健身運動中的有氧練習(xí)、力量練習(xí)和拉伸練習(xí)的具體情況，從而得知用戶此次健身訓(xùn)練計劃。多次訓(xùn)練信息則從整體上反映了用戶常用的訓(xùn)練計劃，可以通對大數(shù)據(jù)分析給用戶提供科學(xué)的指導(dǎo)意見，例如，大數(shù)據(jù)反映該用戶在練習(xí)項目的選擇中只注重有氧和力量訓(xùn)練，就可以評估出該用戶的柔韌性偏差，指導(dǎo)意見中就要強調(diào)拉伸練習(xí)的重要性；大數(shù)據(jù)反映該用戶在力量訓(xùn)練中只注重發(fā)展上肢和軀干力量，不注重下肢力量練習(xí)，可以評估出該用戶的下肢力量偏差，建議加強下肢力量練習(xí)。通過射頻識別技術(shù)獲得練習(xí)設(shè)備信息，可以對用戶練習(xí)項目的選擇和身體練習(xí)部分的搭配進行評估，并給出科學(xué)的指導(dǎo)意見[5]。

2.2 運動心率數(shù)據(jù)的分析與評估

健身運動能有效改善身體健康，但過低心率的運動不會有很好的訓(xùn)練效果，而過高心率的運動又增加了訓(xùn)練的風(fēng)險。通過智能設(shè)備可以讀取該練習(xí)者的基本信息，如姓名、性別、年齡、身高、體重等，根據(jù)年齡和安靜心率算出最大心率。依據(jù)不同心率區(qū)間對運動的影響，可將心率區(qū)間劃分為4個階段：熱身階段心率區(qū)間為最大心率的50%～60%，這個階段運動強度比較低，一般是做準(zhǔn)備活動，以提高身體的機能，防止受傷；燃脂階段心率區(qū)間為最大心率的60%～70%，這階段運動強度比熱身階段大，只要運動量合理，便具有很好的燃燒脂肪的效果，這個階段對需要減脂的人群有很大的幫助；耐力階段心率區(qū)間為最大心率的70%～80%，這個階段運動強度比燃脂階段大，運動的持久性較低，但是對提高心血管系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)有很大的幫助，這個階段比較適合需要提高心肺功能的人群；力量鍛煉階段的心率應(yīng)處于最大心率的80%以上，這個階段運動強度非常大，肌肉負擔(dān)比較大，容易產(chǎn)生疲勞，這個階段對肌肉的增長很有幫助，適合需要提高肌肉力量與耐力的人群。通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲得用戶練習(xí)時的心率數(shù)據(jù)，再根據(jù)用戶的需求進行系統(tǒng)的分析，需要減脂的用戶建議心率區(qū)間為最大心率的60%～80%（燃脂鍛煉和有氧耐力階段），需要增肌的用戶建議心率為最大心率的80%以上（力量鍛煉階段）。通過對健身運動心率的監(jiān)測可以提高運動效果，降低運動風(fēng)險，讓健身運動更科學(xué)化、專業(yè)化[6]。

3 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對健身運動進行監(jiān)測，可利用心率傳感器獲取用戶傳感數(shù)據(jù)，并利用藍牙發(fā)送到智能移動終端，將心率數(shù)據(jù)與用戶登錄信息進行關(guān)聯(lián)；利用射頻識別技術(shù)對器械類型進行識別，并將器械類型信息與用戶登錄信息進行關(guān)聯(lián)，對訓(xùn)練數(shù)據(jù)進行分析與處理，自動生成訓(xùn)練指導(dǎo)方案，并將訓(xùn)練指導(dǎo)方案推送給用戶。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的健身運動監(jiān)測系統(tǒng)，對健身運動的發(fā)展有以下幫助：通過對健身設(shè)備的識別，可以獲得用戶每次訓(xùn)練計劃，根據(jù)健康體適能四大要素（心肺耐力、肌肉力量與耐力、柔韌性和身體成分），為用戶提供科學(xué)的訓(xùn)練計劃；通過對力量設(shè)備進行分類（分為上肢、軀干和下肢器械），利用射頻識別技術(shù)進行識別可以獲得用戶的抗阻訓(xùn)練計劃，根據(jù)全身肌肉整體發(fā)展原則，為用戶提供科學(xué)有效的指導(dǎo)；根據(jù)不同心率區(qū)間對運動的影響，將心率區(qū)間劃分為4個階段［熱身（最大心率的50%～60%）、燃脂鍛煉（最大心率的60%～70%）、耐力鍛煉（最大心率的70%～80%）和極限鍛煉（大于最大心率的80%）］，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對運動心率進行監(jiān)測，根據(jù)用戶需求進行指導(dǎo)和調(diào)整，讓運動效果達到最佳。