基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字動感單車設(shè)計(jì)研究

0 前言

體育健身器材產(chǎn)業(yè)是體育產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，目前，我國健身器材產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)主要以模仿國外同類產(chǎn)品為主，在自主創(chuàng)新道路上前進(jìn)緩慢，加之世界范圍內(nèi)健身器材產(chǎn)品的革新尚未出現(xiàn)，產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，己難以適應(yīng)當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求，這也成為我國健身器材產(chǎn)業(yè)急需解決的難題。

在現(xiàn)代化社會生活中，以數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)為基礎(chǔ)的智能手機(jī)、平板、手表等便攜式智能設(shè)備被廣泛應(yīng)用，基于網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品應(yīng)用服務(wù)也更加強(qiáng)調(diào)了與智能設(shè)備和可穿戴設(shè)備的融合，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與現(xiàn)實(shí)生活聯(lián)系更為緊密，服務(wù)的內(nèi)容也更為精細(xì)化。這些領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展給物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用提供了更為成熟的環(huán)境。物聯(lián)網(wǎng)可以延伸和擴(kuò)展到多個與體育相關(guān)領(lǐng)域中，特別適用于未來數(shù)字化體育健身服務(wù)系統(tǒng)的構(gòu)建，動感單車作為常用的健身設(shè)備，在體育健身中扮演了重要的角色，在物聯(lián)網(wǎng)滲入社會和生活方方面面的同時，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字動感單車的研發(fā)己成為我國學(xué)者亟待攻關(guān)的課題。

1 物聯(lián)網(wǎng)健身器材概述

物聯(lián)網(wǎng)作為新一代的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)技術(shù)，也具有其獨(dú)有的特征，即感知化、互聯(lián)化和智能化(圖1)?；ヂ?lián)化特征體現(xiàn)在其依托于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，利用有線和無線網(wǎng)絡(luò)可以將物的感知，延伸到人類生活的多個角落，通過網(wǎng)絡(luò)的覆蓋給物與物的交互提供了信息傳輸途徑;感知化特征是利用傳感器技術(shù)和傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使連接到物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的“物”擁有了自己的感知器官，使其能夠感受外界環(huán)境的變化從而做出合理的反應(yīng);智能化特征，是在數(shù)據(jù)感知和傳輸實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，利用超級計(jì)算機(jī)和云計(jì)算系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘與計(jì)算后結(jié)果的反饋。

物聯(lián)網(wǎng)健身器材是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在健身器材設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用的產(chǎn)物，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特征和健身器材的本質(zhì)，從“功用定義”的角度將物聯(lián)網(wǎng)健身器材定義為：物聯(lián)網(wǎng)健身器材是通過自動感知、數(shù)字通信、人機(jī)交互、智能處理等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的利用，實(shí)現(xiàn)人與器材、器材與器材之間智能化識別、交互和信息服務(wù)的一種智能健身工具。物聯(lián)網(wǎng)健身器材，主要為實(shí)現(xiàn)健身用戶與健身服務(wù)的融合，將科學(xué)的健身服務(wù)資源提供給更多的線下人群共享，不僅突破健身服務(wù)的區(qū)域限制和時間限制，而且擴(kuò)展了健身器材的多種功能(圖2)。

2 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字動感單車的設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字動感單車設(shè)計(jì)目標(biāo)是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將動感單車與專業(yè)的健身服務(wù)資源實(shí)時地銜接起來，實(shí)現(xiàn)多方面的資源整合，為健身人群、社交媒體、數(shù)字游戲開發(fā)商、健身服務(wù)提供商等提供交互接口。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字動感單車將個人的健身數(shù)據(jù)通過終端軟件實(shí)時地進(jìn)行采集和傳輸，實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)模式的海量健身數(shù)據(jù)存儲與處理，通過服務(wù)器端的數(shù)據(jù)分析計(jì)算給不同健身人群提供相應(yīng)的健身服務(wù)方案，并實(shí)現(xiàn)數(shù)字動感單車的自動反饋控制，最終實(shí)現(xiàn)健身服務(wù)的個性化定制服務(wù)模式(圖3)。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 多模式身份自動識別系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)動感單車的身份自動識別功能是為區(qū)別不同的健身用戶，以實(shí)現(xiàn)各類服務(wù)軟件的自動登入。用戶身份的快速識別是用戶健身數(shù)據(jù)傳輸和個性化健身服務(wù)提供的基礎(chǔ)。身份識別技術(shù)目前可通過二維碼、RFID、NFC、藍(lán)牙等技術(shù)實(shí)現(xiàn)，不同身份識別技術(shù)在技術(shù)和可行性上都具有優(yōu)勢，但是在一些環(huán)境中也有其弊端，比如在健身房中，動感單車的使用間隔更加縮短，用戶如果使用自有的智能設(shè)備，容易發(fā)生丟失且影響健身體驗(yàn)，而如果使用已經(jīng)安置好的智能設(shè)備，則必須有用戶間的相互替換，如果在這一階段使用傳統(tǒng)的手動輸入方式，必然影響用戶的健身流暢性。因此，在物聯(lián)網(wǎng)動感單車設(shè)計(jì)中應(yīng)采用多模式自動識別系統(tǒng)(圖4)，不僅能夠完善對于現(xiàn)有智能設(shè)備的支持，也擴(kuò)大了其他輔助身份識別模式。輔助裝置采用智能卡識別子系統(tǒng)，可以看作是對智能設(shè)備的輔助，智能卡模式是面向健身房、社區(qū)健身園區(qū)等多用戶、多器材健身環(huán)境而設(shè)計(jì)。

3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為智能動感單車感知層前端載體，是數(shù)據(jù)采集和獲取的重要渠道，傳感器無疑是能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字動感單車對各種信息感知需求的主要工具。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括：

(1)體重采集系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)動感單車設(shè)計(jì)中體重采集裝置是物聯(lián)網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn)的必要元件之一。在實(shí)現(xiàn)方式上，主要通過傳感器在動感單車車輪部署，通過智能光電式傳感器的在物聯(lián)網(wǎng)車輪中的集成，用戶的體重?cái)?shù)據(jù)可以實(shí)時地上傳給客戶端。

(2)心率采集系統(tǒng)。心率作為血液循環(huán)機(jī)能的重要生理指標(biāo)在運(yùn)動健身相關(guān)研究中被廣泛地應(yīng)用。根據(jù)運(yùn)動心率變化曲線來確定用戶健身過程的目標(biāo)心率，更具科學(xué)性和可參照性。運(yùn)動后心率的恢復(fù)又可作為評定用戶負(fù)荷適宜與否以及心臟機(jī)能狀態(tài)的指標(biāo)和依據(jù)。

(3)能耗采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。利用外接基于加速度傳感器的運(yùn)動傳感器，可以量化測量體力活動消耗，把傳感器固定在用戶身體上，就能夠感應(yīng)到肢體或軀干的運(yùn)動或加速度狀況。通過短距離輸送技術(shù)，可以實(shí)時傳送用戶運(yùn)動狀況的數(shù)據(jù)至用戶智能設(shè)備的客戶端。

(4)手部動作識別系統(tǒng)。多維化設(shè)計(jì)是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字動感單車的重要設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)動感單車只有一維的運(yùn)動方向，通過加入左右手動作光點(diǎn)傳感器，可將動感單車的動作提升至兩維，讓動感單車不僅可以實(shí)現(xiàn)單向的識別，也可以識別左右，更加提高動感單車相關(guān)應(yīng)用軟件的娛樂性和互動性。

(5)安全感知系統(tǒng)。紅外數(shù)據(jù)采集的功能是判斷用戶使用安全的重要措施，同時紅外數(shù)據(jù)可以作為判斷用戶是否離開的依據(jù)，人體是非常敏感的紅外探測源，人體在動感單車進(jìn)行運(yùn)動時，車身長度限制了其運(yùn)動的范圍，而紅外探測的有效距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出這一范圍，通過一些相應(yīng)的模型建立，可以有效地探知人體在運(yùn)動時一些簡單的摔倒和離開動作，真正實(shí)現(xiàn)動感單車的自動感知。

(6)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。用戶通過智能設(shè)備操作將控制命令傳導(dǎo)至中央控制板，數(shù)據(jù)經(jīng)解析后傳遞給下控板并完成對升降機(jī)和驅(qū)動馬達(dá)的控制，下控板在獲取升降機(jī)和馬達(dá)的數(shù)據(jù)后，將信息傳回人機(jī)交互界面。通過動感單車的運(yùn)動時長、騎行里程、速度變化、坡度變化等多項(xiàng)數(shù)據(jù)，可以方便地對用戶的能量消耗、運(yùn)動強(qiáng)度、運(yùn)動頻率等進(jìn)行計(jì)算，

從而實(shí)現(xiàn)對用戶健身過程的監(jiān)測。

(7)環(huán)境和位置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過在物聯(lián)網(wǎng)健身器材中植入溫度、濕度、GPS等智能傳感監(jiān)測元件，可以快捷地收集活動健身場所的環(huán)境數(shù)據(jù)，例如近來備受關(guān)注的PM 2.5數(shù)據(jù)的監(jiān)測、氧氣含量的數(shù)據(jù)都可以在物聯(lián)網(wǎng)健身器材中實(shí)現(xiàn)監(jiān)測。

3.3 自動控制系統(tǒng)

自動控制同樣是當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)研究領(lǐng)域的重要研究方向，對于物聯(lián)網(wǎng)動感單車設(shè)計(jì)而言，其自身具有獨(dú)特的使用特點(diǎn)。動感單車因其操作方式較為多樣化，且具有獨(dú)立的中控面板，較為適合自動控制系統(tǒng)的嵌入，且對于物聯(lián)網(wǎng)動感單車實(shí)現(xiàn)自動控制有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢。

首先，利用自動控制系統(tǒng)可以幫助健身用戶自動運(yùn)行動感單車騎行模式，降低操作難度并節(jié)約操作時間。

其次，自動控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地記錄健身用戶的運(yùn)動強(qiáng)度與運(yùn)動量，防止用戶只選擇不運(yùn)動的狀況出現(xiàn)。

第三，是對于個性化運(yùn)動處方的支持，通過物聯(lián)網(wǎng)，健身用戶可以獲得由健身服務(wù)提供者開具的運(yùn)動處方，對于單獨(dú)選擇動感單車健身的用戶，基于個性化的運(yùn)動處方實(shí)現(xiàn)對動感單車的自動控制將會大大提高動感單車的鍛煉效果。

4 數(shù)字動感單車的支持軟件設(shè)計(jì)

4.1 基于平臺的數(shù)字動感單車數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)動感單車數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)，以云計(jì)算技術(shù)為后臺支撐的信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)在使用J2EE技術(shù)平臺的基礎(chǔ)上，利用Java的跨平臺特性，獨(dú)立于硬件配置和操作系統(tǒng)，保證系統(tǒng)平臺的靈活性、可移植性和互操作性。系統(tǒng)總體架構(gòu)，采用了分布式的設(shè)計(jì)，各個子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)相互獨(dú)立，采用接口的形式進(jìn)行調(diào)用，防止出現(xiàn)一個子系統(tǒng)的升級，牽涉到整個系統(tǒng)的升級，降低了升級的錯誤率。每個子系統(tǒng)都采用了MVC設(shè)計(jì)模型，將前臺的數(shù)據(jù)展示與業(yè)務(wù)邏輯處理分離，便于后期的維護(hù)。利用成熟的Spring、myba tis等技術(shù)進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯與數(shù)據(jù)存儲的處理，加強(qiáng)了軟件復(fù)用度，縮短了開發(fā)的開發(fā)周期。采用SOA組件模型，各個子系統(tǒng)的關(guān)鍵功能單元的調(diào)用以WebService方式實(shí)現(xiàn)，接口實(shí)現(xiàn)技術(shù)統(tǒng)一采用REST技術(shù)，保證系統(tǒng)各部件之間調(diào)用的低耦合度。廣泛采用Web2.0界面技術(shù)，引入先進(jìn)強(qiáng)大的工作流引擎，使用大規(guī)模、高可用、高并發(fā)數(shù)據(jù)庫引擎，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高可靠性、高穩(wěn)定性、高安全性和高擴(kuò)展性，為本項(xiàng)目的研究提供了良好的支撐條件。物聯(lián)網(wǎng)動感單車數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)涉及多種類型的健身資源，滿足不同健身服務(wù)的需求。主要系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：

(1)用戶信息管理系統(tǒng)。用戶管理負(fù)責(zé)對系統(tǒng)所有用戶的管理，包括普通健身用戶管理、指導(dǎo)人員用戶管理、系統(tǒng)操作用戶管理等子系統(tǒng)。

(2)動感單車信息管理系統(tǒng)。動感單車信息管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)動感單車基本信息的管理，包括類別特征管理、控制代碼管理、使用指導(dǎo)信息管理子系統(tǒng)。

(3)健身數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。健身數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對用戶的健身信息進(jìn)行管理。包括健身數(shù)據(jù)采集管理、處方信息管理、綜合數(shù)據(jù)信息管理、擴(kuò)展信息管理等子系統(tǒng)。

(4)服務(wù)質(zhì)量管理系統(tǒng)。服務(wù)質(zhì)量管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對健身服務(wù)產(chǎn)品進(jìn)行監(jiān)督。包括服務(wù)產(chǎn)品審核管理、產(chǎn)品質(zhì)量評價(jià)管理、產(chǎn)品銷售統(tǒng)計(jì)管理等子系統(tǒng)。

(5)CRM客戶管理系統(tǒng)。CRM客戶關(guān)系管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對接入健身物聯(lián)網(wǎng)的動感單車用戶信息進(jìn)行管理。

4.2 客戶端的設(shè)計(jì)

客戶端是各類物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)不可缺失的設(shè)計(jì)，在物聯(lián)網(wǎng)動感單車的網(wǎng)絡(luò)健身服務(wù)模式中，客戶端作為人機(jī)交互的重要入口，是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)健身服務(wù)模式的重要環(huán)節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)動感單車客戶端能夠?qū)崿F(xiàn)對使用物聯(lián)網(wǎng)健身器材用戶鍛煉信息的實(shí)時監(jiān)測顯示，并通過健身云服務(wù)平臺向用戶提供鍛煉指導(dǎo)、運(yùn)動處方推薦、健身服務(wù)產(chǎn)品供給等功能(見圖6)。

(1)用戶登錄驗(yàn)證?？蛻舳塑浖卿浄绞降亩鄻有裕饶芡ㄟ^傳統(tǒng)的方式進(jìn)行注冊登錄，又可以通過ShareSDK等較為流行且安全的應(yīng)用開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)QQ、MSN、新浪微博等第三方接口信息認(rèn)證并登錄客戶端，實(shí)現(xiàn)使用的便捷性。

(2)用戶健身檔案管理。會員基本信息獲取時，客戶端需要傳入會員ID和密碼，供服務(wù)端進(jìn)行登錄驗(yàn)證。會員通過在客戶端填寫個人的數(shù)據(jù)，建立個人數(shù)字檔案，從而獲取更為個性化的健身服務(wù)推薦，會員在登錄后可以按照操作填寫個人數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)信息、生活習(xí)慣和社會因素等信息。儲存到云端用戶信息數(shù)據(jù)庫，可供健身服務(wù)提供人員和相關(guān)推薦系統(tǒng)利用。

(3)動感單車控制。通過開發(fā)智能設(shè)備的應(yīng)用客戶端，可以實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器端的數(shù)據(jù)傳輸，使用REST技術(shù)通過客戶端POST的方式，將客戶端數(shù)據(jù)存入JSON中，調(diào)用服務(wù)端的REST接口;服務(wù)端對傳過來的JSON數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，對用戶信息進(jìn)行驗(yàn)證，并對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，將處理結(jié)果返回給客戶端，從而組成“設(shè)備——客戶端——服務(wù)端”的數(shù)據(jù)雙向傳輸路線。

(4)健身服務(wù)控制。為提高遠(yuǎn)程健身服務(wù)的效果和質(zhì)量，用戶可以利用客戶端給處方進(jìn)行評價(jià)，會員對處方進(jìn)行評價(jià)時，客戶端需要傳入會員ID和密碼，供服務(wù)端進(jìn)行登錄驗(yàn)證后將評價(jià)數(shù)據(jù)存入服務(wù)評價(jià)數(shù)據(jù)庫。

(5)個性化運(yùn)動處方推薦。物聯(lián)網(wǎng)動感單車的健身服務(wù)系統(tǒng)通過對動感單車使用人群健身數(shù)據(jù)的分析，實(shí)現(xiàn)對健身用戶個性化健身處方的制定。但由于健身服務(wù)平臺的開放模式，所需服務(wù)的人群流量巨大，后臺健身服務(wù)指導(dǎo)者在線編輯運(yùn)動處方的時效性差，而且對于同類用戶運(yùn)動處方可以重復(fù)利用。個性化運(yùn)動處方推薦是在后臺數(shù)據(jù)量較為龐大的假設(shè)基礎(chǔ)上進(jìn)行，它不同于傳統(tǒng)的基于知識庫的推薦方式，需要完善基于用戶個體數(shù)據(jù)形似度匹配的混合推薦方法的應(yīng)用。

5 結(jié)論

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字動感單車設(shè)計(jì)中，不僅能夠豐富我國健身器材產(chǎn)品，提高健身服務(wù)水平和實(shí)用性，而且能夠滿足廣大人民群眾日益增長的多元化、多層次的健身需求，具有良好的社會效應(yīng)和市場發(fā)展前景。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字動感單車的設(shè)計(jì)不僅兼顧了傳統(tǒng)數(shù)字動感單車的優(yōu)點(diǎn)，同時利用傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)和自動感知技術(shù)，使物聯(lián)網(wǎng)動感單車成為一種時尚且具有現(xiàn)代化氣息的健身工具，給其他類型物聯(lián)網(wǎng)健身器材的硬件設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)。可極大地提高物聯(lián)網(wǎng)健身器材的科學(xué)指導(dǎo)功能，從而進(jìn)一步提升健身器材用戶的健身交互、健身效率及健身堅(jiān)持度。