人工智能賦能體育館實時監測與智控優化設計

摘 要：借助當前國家提出的《2023群眾體育工作要點》強化政策落實，科學規劃，布局前瞻引領型、戰略導向型、應用支撐型重大科技基礎設施，構建一座基于ESP32芯片與阿里云的智慧體育館，以人工智能賦能體育館實時監測與智控優化設計。采用ESP32開發板、光敏傳感器、煙霧與空氣質量傳感器等，通過實驗法與定量分析法對系統進行調試，基于Visual Studio Code平臺實現對場館內部溫濕度、光照強度、空氣質量等數據的實時監測，若室內環境參數超出設定范圍，系統即控制繼電器調節相應設備，同時可通過移動端APP遠程查看與操控，實現系統雙重控制。系統結合云平臺與物聯網技術，有效節省了人力物力財力，保障了體育場館環境的安全，同時成功實現了優化體育參與人群運動環境與加強場館防火安全等目標。通過自動與移動遠程雙重系統控制環境參數，自動調節，達到最優空氣環境質量與運動最適光線強度，提高使用體育場館人群的運動舒適度，為體育的推廣與運動參與率的提高做出一定貢獻。

關鍵詞：人工智能；物聯網技術；體育館環境監測；環境調節；ESP32模塊；云平臺

中圖分類號：TP399；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-00-05

0 引 言

物聯網（Internet of Things）以互聯網為基礎，通過智能感知、識別與數據處理等方式，實現互聯網業務的延伸、應用與創新，以及智能化管理[1]。隨著物聯網技術的飛速發展，人們對實現活動場所智能化的需求愈加緊迫，物聯網技術在各領域的應用變得更加智能、靈活，跨行業技術的結合有效促進了建筑等傳統行業向智慧化轉變。

早在2008年北京奧運會時智慧體育館的理念就已被提出，這既是體育運動現代化發展的選擇，也是深化科技創新的選擇。加大建設智能化體育館能夠更好地滿足國民對體育運動的需求、體育競技對場地的需求[2]。大眾對體育館的要求不斷提高，不僅體現在體育設施的種類方面，更體現在體育館的功能、場地方面[3]。

但是，由于體育場館具有建筑空間大、人員密集、功能和形式多樣等特點，火災風險較高，因此對明火與煙霧的有效檢測是智慧體育場館建設的重要項目，同時也對本系統實現體育場館的智慧化轉型提出了要求[4]。另外，傳統體育館也存在照明不合理的問題，因此在完善照明設施方面，本系統可根據場內實時亮度自動調節LED亮度，不僅能滿足規范要求，同時也可以滿足舒適度要求。除了考慮運動員、裁判員正常訓練、比賽和評判時的正常照明需求，還要求系統具備合適的眩光值，使運動員在比賽時不會因為眩光效應而發揮失常，觀眾不會因為眩光而錯過精彩瞬間[5]。

目前物聯網技術已經被應用于交通、農業、醫療與教育等領域[1]。以體育與物聯網結合為例，文獻[6]探討了物聯網技術在體育場館方面的應用與管理，文獻[7]論述了物聯網技術在學生體質健康監測領域的實現途徑與發展方向，文獻[8]則對物聯網技術運用于賽事籌備與管理等方面進行了探索。在體育領域，人工智能已被廣泛應用到全民健身、學校體育、競技體育以及體育產業等方面[9]，對體育場館的智慧化轉型產生了重要的技術驅動作用[10]。

目前，大多數智慧體育場館建筑可利用人工智能、物聯網等技術對場館內的水、電、氣、熱等能耗數據進行實時采集、記錄和分析，實現了建筑能耗監測管理的可視化，從而通過優化資源配置實現場館的綠色低碳運營[9]。物聯網技術的有效運用也有助于提高體育場館服務的智慧化水平，物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信[11]，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監管等功能[12]。

本系統旨在打造一座智慧體育場館，即擁有以數字平臺為核心且具有全面感知、泛在互聯、綜合分析、輔助決策和智能控制等功能的基礎設施，能夠體現專業、便利、安全和節能環保等特點的體育場館[13]。

1 硬件系統設計方案

1.1 系統主體簡介

該系統由ESP32開發板、氣體傳感器、OLED顯示屏、蜂鳴器、DHT11溫濕度傳感器、光敏傳感器、繼電器等器件組成。系統整體框架如圖1所示。由多個傳感器采集模塊對體育場館中的溫濕度、二氧化碳體積分數、光照強度等環境數據進行感知采集，經過主控模塊對參數進行分析加工后，數據會實時顯示在屏幕上；同時記錄的數據也會上傳至云端，在芯片聯網的條件下可以通過點燈（blinker）APP遠程查看場館內的情況。

當系統檢測到室內溫濕度超出舒適范圍時可自動控制繼電器打開或關閉加濕器、空調，同時也可通過移動端設備進行遠程控制，使室內環境始終處于適宜人體運動的狀態；當光敏傳感器檢測到室內的光照強度過大或過小時，會自動控制LED燈調節亮度，以利于保護運動員和觀眾的視力。場館內的空氣質量對于身處其中的人群的健康有一定影響，本研究的重點在于監控場館內的二氧化碳體積分數與總揮發性有機化合物（TVOC）含量，以提醒管理者及時采取通風措施，如開啟空調等，保障空氣質量；另外出于安全考慮，本系統配備有煙霧與火焰傳感器，當場館內出現明火或煙霧時，能夠準確感知并自動觸發警報，有效預防火災的發生，確保場館內人員的生命安全。

1.2 硬件電路設計

本研究中，在進行正式的數據檢測前，需要對各傳感器模塊進行初步模擬，并設定傳感器相關參數。例如光敏傳感器，初始調試時，感受到的光照強度越大則輸出的模擬量越小，光照強度越小輸出的模擬量越大（最大模擬量是4 095。在亮光條件下，數字量為0，指示燈亮；在暗光條件下，數字量為1，指示燈滅）。

傳感器模塊的有效運用，可以為物聯網發展提供準確的反饋與數據支持。傳感器作為一種參數檢測裝置，能夠采集并輸出數據。本文電路中的氣體檢測模塊、光敏傳感器、LED顯示屏等器件都與ESP32主控芯片連接，主控模塊通過USB口供電，另一端與PC上位機連接后實現供電與信息傳輸功能，各模塊將采集到的信息實時傳輸至控制器進行處理。

針對本系統各模塊的硬件電路連接要求，設置的各電路引腳如下：

#defineDHTPIN25//定義溫濕度傳感器

#defineDHTTYPEDHT11//溫濕度傳感器的型號為DHT11

#defineSDA21//定義OLED引腳 SDA -gt;GPIO21

#defineSCL22//定義OLED引腳 SCL -gt;GPIO22

voidGPIO_Init（）

{pinMode（2，OUTPUT）;//開發板上的LED燈

pinMode（23，OUTPUT）;//蜂鳴器

pinMode（26，OUTPUT）;//室內燈光

pinMode（18，INPUT）;//煙霧傳感器

pinMode（19，INPUT）;//火焰傳感器

pinMode（34，INPUT）;//光敏傳感器

pinMode（35，INPUT）;//聲音傳感器

pinMode（16，OUTPUT）;//空調

pinMode（17，OUTPUT）;}//加濕器

1.3 硬件功能實現

硬件功能實現包括對硬件電路模塊的搭建、與云平臺通信、系統功能設計與后續調試分析等。為系統通電、燒錄代碼后，與上位機連接同一無線網絡便可成功在電子屏與移動端APP上顯示時間、二氧化碳體積分數、溫濕度與聯網標志。硬件部分顯示效果如圖2所示。

本系統采用了多個獨立元件，由于元件數量較多，將溫濕度檢測傳感器、空氣質量檢測傳感器、主控芯片、顯示屏等器件進行集成，在面包板背部進行連接走線，打造的集成模塊不僅外觀整潔，還具有較高的相互獨立性，若后期某元件意外受損，不會影響其他部件的正常運行，方便進行故障定位與維修。

2 軟件系統設計與實現

2.1 移動端功能展示

本方案設計使用VisualStudioCode編譯器與 platformio插件進行編程，成功實現如下功能：與移動端熱點連接后，由主控芯片將各傳感器感知、采集的數據上傳至阿里云，經blinker網絡服務器傳輸，由blinker移動端APP接收或發送。當室內溫濕度、光照強度超出設定的閾值范圍時，系統可自動控制繼電器進而操作電器開關，開啟或關閉空調、加濕器與室內燈具。blinker APP同樣可實現控制功能，自動調節空氣環境質量與光照強度。另外，本系統還包含有煙霧傳感器與明火檢測傳感器，當檢測到有火情出現時系統將在第一時間自動報警，保證體育場館的安全。同時，也可以在移動端查看館內的溫濕度、二氧化碳體積分數與TVOC等參數在最近1 h、1天與1周的變化情況，以二維坐標的曲線圖形式顯示，作為近期環境情況的監測記錄。系統通過對連續性變量的長期存儲實現了對有效信息的深度挖掘，通過觀察數據走向與起伏趨勢，參考參數變化與實際調整情況，可推測出不同時段的環境參數特征，并由此得出不同時間段應設定的最適溫濕度、光照強度等范圍。軟件操作流程如圖3所示。

2.2 軟件系統介紹

2.2.1 移動端主界面實現

該設計的主界面添加有Debug控件、數字與文本控件、按鍵控件等。可以通過頂部3個按鍵分別控制空調、加濕器與LED燈的開關，“Monitor”模塊會實時顯示系統的運行狀態與繼電器控制下位機的狀態，8個館內情況的二氧化碳體積分數、TVOC體積分數等測量結果會直觀地顯示在各圖形后，可通過查看曲線圖獲悉近期館內空氣質量與溫濕度等的變化情況。移動端界面設計如圖4所示。

以button1按鍵為例，按下控件后會啟動button1_callback回調函數，該函數會判斷控件的實時屬性，確認其控制的繼電器狀態（開/關）并反饋給上位機，代碼中定義與綁定涉及的函數如下：

//新建組件對象，對應APP上的1個對象

BlinkerButtonButton1（\"btn-abc\"）;//按鍵組件

BlinkerButtonButton2（\"btn-3nd\"）;//空調組件

BlinkerButtonButton3（\"btn-u1p\"）;//加濕器組件

voidbutton1_callback（constStringamp;state）

//按下按鍵即會執行該函數

{BLINKER_LOG（\"getbuttonstate：\"，state）;

if （state==\"on\"）

{digitalWrite（LED_BUILTIN，HIGH）;

LED_state=1;

Button1.print（\"on\"）;}//反饋開關狀態

elseif （state==\"off\"）

{digitalWrite（LED_BUILTIN，LOW）;

LED_state=0;

Button1.print（\"off\"）;}}//反饋開關狀態

移動端的數字組件功能設計：傳感器感知、測量環境中的數據后，由組件將數據返回。實現該功能的代碼如下：

BlinkerNumberTEMP（\"num-kon\"）;//溫度組件

BlinkerNumberHUMI（\"num-ebi\"）;//濕度組件

BlinkerNumberSound（\"num-qly\"）;//聲音組件

BlinkerNumberGuangmin（\"num-845\"）;//光敏組件

BlinkerNumberCO2（\"num-9t2\"）;//二氧化碳體積分數組件

BlinkerNumberTVOC（\"num-a2d\"）;//TVOC體積分數組件

voidheartbeat（）//回傳數據給APP組件

{TEMP.print（Temp_read）;

HUMI.print（Humi_read）;

Sound.print（Sound_count）;

Guangmin.print（Guangmin_count）;

CO2.print（CO2_vlaue）;

TVOC.print（TVOC_vlaue）;}

2.2.2 空氣質量監測實現

本系統采用SGP30氣體傳感器模塊對場館內揮發性有機化合物與二氧化碳的體積分數進行測量。在blinker移動端APP上設置數字顯示組件，分別對應二氧化碳體積分數與TVOC體積分數。

在系統數據存儲模塊中定義“Blinker.dataStorage（\"num-9t2\"，CO2_vlaue）”與“Blinker.dataStorage（\"num-a2d\"，TVOC_vlaue）”分別為二氧化碳體積分數與TVOC體積分數，并由voiddataStorage（）數組將數據上傳至云端，在移動端聯網即可查看實時數據與近1 h、1天與1周的數據變化趨勢。

另外定義SGP30函數為空氣質量檢測函數，用于回傳數據，實現該功能的代碼如下：

voidSGP30（）

{intcounter=0;

if（！sgp.IAQmeasure（））

{Serial.println（\"Measurementfailed\"）;

return;}

Serial.print（\"TVOC\"）;

Serial.print（sgp.TVOC）;

Serial.print（\"ppb＼t\"）;

Serial.print（\"eCO2\"）;

Serial.print（sgp.eCO2）;

Serial.println（\"ppm\"）;

CO2_vlaue =sgp.eCO2;

TVOC_vlaue =sgp.TVOC;

if（！ sgp.IAQmeasureRaw（））

{Serial.println（\"RawMeasurementfailed\"）;

return;}

Serial.print（\"RawH2\"）;

Serial.print（sgp.rawH2）;

Serial.print（\"＼t\"）;

Serial.print（\"RawEthanol\"）;

Serial.print（sgp.rawEthanol）;

Serial.println（\"\"）;

delay（1000）;

counter++;

if （counter==30）

{counter=0;

uint16_tTVOC_base，eCO2_base;

if（！sgp.getIAQBaseline（amp;eCO2_base，amp;TVOC_base））

{Serial.println（\"Failedtogetbaselinereadings\"）;

return;}

Serial.print（\"****Baselinevalues：eCO2：0x\"）;

Serial.print（eCO2_base，HEX）;

Serial.print（\"amp;TVOC：0x\"）;

Serial.println（TVOC_base，HEX）;}}

3 系統功能實現

3.1 主控實現流程

在對本系統設計中代碼進行調試后，將代碼燒錄至主控芯片，系統初始化完成后采集環境數據，與上位機串口通信，然后檢測是否存在異常。若不存在異常，則系統結束此次工作；若存在異常，則系統進行智能調節后結束運行。主控模塊流程如圖5所示。

3.2 移動端控制實現

本系統在主界面設計有多個按鍵控件、文本控件、Debug控件等。通過改變按鍵控件的text屬性來為用戶直觀展示2個按鍵的功能，按鍵控件的功能通過編輯控件的回調函數來實現。移動端開關控制如圖6所示。

當按下按鍵控件，會進入button1_callback回調函數，進行控件屬性的判斷，決定所控制的繼電器開關狀態，并反饋組件的狀態。共設計了3個按鍵控件，它們分別是LED燈、空調與加濕器的開關，可在手機端操作以實現對場館內硬件的控制。

3.3 數據記錄存儲

在blinker移動端還可以查看近期的溫度、濕度等數據記錄，也可自主選擇周期為最近1 h、1天或1周，對連續型變量的長期存儲可為工作人員提供往期數據的記錄與變化，對數據提取分析后進行深度挖掘，可得出近一段時間的環境參數變化趨勢與最佳調節范圍，為工作人員提供參考，便于其在合適的時間調節館內環境參數，提升系統的智能調節水平。保存的數據以線形圖表的方式顯示。環境數據采集記錄如圖7所示。

4 結 語

本文設計了一款借助物聯網技術實現體育場館智慧化轉型的系統。硬件部分采用ESP32與空氣質量、溫濕度、煙霧、明火檢測等傳感器模塊，同步開發了體育館管理端APP，并設計了智能優化算法，以人工智能賦能體育館實時監測與智控優化設計，實時監測場內環境并做出有效應對，實現館內裝置自行監測調控與blinker移動端遠程查看與控制。我們要積極響應國家號召，科學規劃布局前瞻引領型、戰略導向型、應用支撐型重大科技基礎設施，打好科技儀器設備、操作系統和基礎軟件國產化攻堅戰，提升國產化替代水平和應用規模。

本系統在傳統體育館的基礎上進行了創新，針對目前體育場館環境、場地管理等方面存在的問題而設計。結合云平臺與物聯網技術，本系統不僅能夠有效節省人力物力財力，保障體育場館環境的安全，還能夠優化體育館的運動環境，為體育活動的推廣與運動參與率的提高做出一定貢獻。

注：本文通訊作者為辛瀚。

參考文獻

[1]于克巍.基于物聯網技術的學校體育信息化系統建設與管理研究[J].廣州體育學院學報，2021，41（4）：26-29.

[2]魏佐濤.《高校智能化體育場館建設與經營管理》：智能體育館建設與運營對高校體育運動的影響研究[J].建筑學報，2021（3）：123.

[3]趙志青，李蔚萍.全民健身背景下社區體育館現存問題及對策研究[J].建筑與文化，2019（10）：47-48.

[4]盧穎，趙志攀，姜學鵬，等.大數據視域下體育場館動態火災風險指標研究[J].中國安全科學學報，2022，32（4）：155-162.

[5]彭力，盧芳琪，何欣雨，等.室內體育館智慧照明探討[J].燈與照明，2015，39（4）：21-24.

[6]許艷.物聯網技術在體育場館系統中的應用及前景探析[J].數字通信世界，2019（8）：210.

[7]武東海，明應安，孫國棟.基于物聯網技術的大學生體質健康監測管理研究[J].體育研究與教育，2019，34（3）：22-24.

[8]吳桐.物聯網在體育賽事管理中的應用研究[D].北京：首都體育學院，2019.

[9]傅鋼強，魏歆媚，劉東鋒.人工智能賦能體育場館智慧化轉型的基本表征、應用價值及深化路徑[J].體育學研究，2021，35（4）：20-28.

[10]答凱艷.人工智能的過去、現在和未來[J].系統科學學報，2022，30（1）：47-51.

[11]柴王軍，李楊帆，李國，等.數字技術賦能體育產業高質量發展的邏輯、困境及紓解路徑[J].西安體育學院學報，2022，39（3）：292-300.

[12]范煒，胡康林.物聯網環境中的智慧圖書館智能響應服務研究[J].圖書情報工作，2020，64（12）：19-25.

[13]體育總局.體育總局關于印發《“十四五”體育發展規劃》的通知[EB/OL]. https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-10/26/content_5644891.htm.

作者簡介：劉佩佩（1999—），女，在讀碩士研究生，研究方向為體育管理學。

朱邱晗（1990—），女，博士，副教授，研究方向為體育社會學。

辛 瀚（1998—），男，在讀碩士研究生，研究方向為體育社會學。

收稿日期：2023-05-08 修回日期：2023-08-07