基于物聯網技術的健身運動監測系統研究

陳宇 祝家東 王夢囡

(1.廣東第二師范學院體育學院 廣東廣州 510303;2.佛山職業技術學院電子信息學院 廣東佛山 528137)

物聯網技術在體育健身行業的應用關注健身系統中具有“物”的屬性的主體，以逐漸成熟起來的信息化體系為結構基礎，輔以物聯網核心技術的應用，并遵循需求導向的原則，最終實現“智慧體育”[1]。在此背景下，一種特殊的物聯網應運而生——體域網。體域網是“基于無線傳感網絡的，人體上的生理參數收集傳感器或移植到人體內的生物傳感器共同形成的一個無線網絡”，可作為泛在化體質健康監測系統的信息通訊解決方案。射頻識別技術（radio frequency identification，RFID）是自動識別技術的一種，利用該技術可以監測練習者實時的健身設備并進行數據交換[2]。該研究結合物聯網技術，設計出一種智能運動監測系統，監測練習者的訓練項目和運動心率，對訓練數據進行分析與處理，并提供科學可行的訓練指導方案，使練習者的練習效果達到最優化。

1 健身運動數據獲取及傳輸系統

健身運動數據獲取及傳輸主要包含2個方面：練習效果和練習設備數據。心率數據是反映練習者練習效果的重要指標，尤其是有氧運動。心率的大小、心率恢復正常的速度等都反映了練習者的身體狀況和練習效果。同時，心率數據要與具體的練習設備相匹配來進行分析，進行有氧訓練的心率變化情況和開展抗阻訓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者的心率數據，通過射頻識別技術獲取練習設備信息。

1.1 心率數據獲取系統

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據[3]。當用戶的心臟跳動時，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，獲取的心率數據通過藍牙方式上傳到智能處理終端（如手機）上進行后續處理。數據獲取結構如圖1所示。

圖1 運動心率數據獲取系統結構示意圖

1.2 運動設備數據獲取系統

無線射頻識別技術通過無線電波不接觸快速信息交換和存儲技術，通過無線通信結合數據訪問技術，然后連接數據庫系統，加以實現非接觸式的雙向通信，從而達到識別的目的。在識別系統中，通過電磁波實現電子標簽的讀寫與通信[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，被廣泛應用于商品銷售、身份驗證、追蹤溯源等領域。在健身運動監測系統中，用戶通過安裝有讀寫器的手環靠近健身器械上的射頻識別標簽，可以快速識別器械名稱，結合用戶登錄信息，可以得知用戶進行健身運動的練習項目信息。

2 健身運動數據量化分析與評估模型

2.1 健身運動訓練計劃的分析與評估

美國運動醫學協會將“健康體適能”定義為一種具有以下特征的身體狀態：有充足精力和能力從事日常活動，運動不足病癥早期發生的危險較低。健康體適能要素與高效率工作、享受閑暇、健康狀態、預防靜態生活方式導致的運動不足病癥及應付緊急情況的能力緊密相關，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、力量區和拉伸區，分別鍛煉心肺耐力、肌肉力量與耐力及柔韌性。根據區域的劃分將射頻識別標簽貼在各種健身器械上，收集練習者在各區域中練習的具體情況，通過獲得的數據分析練習者此次健身運動中的有氧練習、力量練習和拉伸練習的具體情況，從而得知用戶此次健身訓練計劃。多次訓練信息則從整體上反映了用戶常用的訓練計劃，可以通對大數據分析給用戶提供科學的指導意見，例如，大數據反映該用戶在練習項目的選擇中只注重有氧和力量訓練，就可以評估出該用戶的柔韌性偏差，指導意見中就要強調拉伸練習的重要性；大數據反映該用戶在力量訓練中只注重發展上肢和軀干力量，不注重下肢力量練習，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。通過射頻識別技術獲得練習設備信息，可以對用戶練習項目的選擇和身體練習部分的搭配進行評估，并給出科學的指導意見[5]。

2.2 運動心率數據的分析與評估

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練效果，而過高心率的運動又增加了訓練的風險。通過智能設備可以讀取該練習者的基本信息，如姓名、性別、年齡、身高、體重等，根據年齡和安靜心率算出最大心率。依據不同心率區間對運動的影響，可將心率區間劃分為4個階段：熱身階段心率區間為最大心率的50%～60%，這個階段運動強度比較低，一般是做準備活動，以提高身體的機能，防止受傷；燃脂階段心率區間為最大心率的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和呼吸系統有很大的幫助，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，肌肉負擔比較大，容易產生疲勞，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。通過互聯網技術獲得用戶練習時的心率數據，再根據用戶的需求進行系統的分析，需要減脂的用戶建議心率區間為最大心率的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測可以提高運動效果，降低運動風險，讓健身運動更科學化、專業化[6]。

3 結語

基于物聯網技術對健身運動進行監測，可利用心率傳感器獲取用戶傳感數據，并利用藍牙發送到智能移動終端，將心率數據與用戶登錄信息進行關聯；利用射頻識別技術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聯，對訓練數據進行分析與處理，自動生成訓練指導方案，并將訓練指導方案推送給用戶。

基于物聯網技術的健身運動監測系統，對健身運動的發展有以下幫助：通過對健身設備的識別，可以獲得用戶每次訓練計劃，根據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），為用戶提供科學的訓練計劃；通過對力量設備進行分類（分為上肢、軀干和下肢器械），利用射頻識別技術進行識別可以獲得用戶的抗阻訓練計劃，根據全身肌肉整體發展原則，為用戶提供科學有效的指導；根據不同心率區間對運動的影響，將心率區間劃分為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%）］，通過互聯網技術對運動心率進行監測，根據用戶需求進行指導和調整，讓運動效果達到最佳。