基于物联网技术的数字动感单车的设计研究

　　0 前言

　　体育健身器材产业是体育产业的重要组成部分，目前，我国健身器材产品设计开发主要以模仿国外同类产品为主，在自主创新道路上前进缓慢，加之世界范围内健身器材产品的革新尚未出现，产品同质化严重，己难以适应当今网络化、信息化、智能化的产品设计需求，这也成为我国健身器材产业急需解决的难题。

　　在现代化社会生活中，以数字网络化服务为基础的智能手机、平板、手表等便携式智能设备被广泛应用，基于网络的产品应用服务也更加强调了与智能设备和可穿戴设备的融合，网络服务与现实生活联系更为紧密，服务的内容也更为精细化。这些领域的创新发展给物联网技术的应用提供了更为成熟的环境。物联网可以延伸和扩展到多个与体育相关领域中，特别适用于未来数字化体育健身服务系统的构建，动感单车作为常用的健身设备，在体育健身中扮演了重要的角色，在物联网渗入社会和生活方方面面的同时，基于物联网技术的数字动感单车的研发己成为我国学者亟待攻关的课题。

　　1 物联网健身器材概述

　　物联网作为新一代的网络服务技术，也具有其独有的特征，即感知化、互联化和智能化(图1)。互联化特征体现在其依托于现代网络的快速发展，利用有线和无线网络可以将物的感知，延伸到人类生活的多个角落，通过网络的覆盖给物与物的交互提供了信息传输途径;感知化特征是利用传感器技术和传感网络技术，使连接到物联网内的“物”拥有了自己的感知器官，使其能够感受外界环境的变化从而做出合理的反应;智能化特征，是在数据感知和传输实现的基础上，利用超级计算机和云计算系统对数据进行挖掘与计算后结果的反馈。　

　　物联网健身器材是物联网技术在健身器材设计领域应用的产物，通过物联网技术的特征和健身器材的本质，从“功用定义”的角度将物联网健身器材定义为：物联网健身器材是通过自动感知、数字通信、人机交互、智能处理等物联网技术的利用，实现人与器材、器材与器材之间智能化识别、交互和信息服务的一种智能健身工具。物联网健身器材，主要为实现健身用户与健身服务的融合，将科学的健身服务资源提供给更多的线下人群共享，不仅突破健身服务的区域限制和时间限制，而且扩展了健身器材的多种功能(图2)。

　　2 物联网数字动感单车的设计目标

　　基于物联网技术的数字动感单车设计目标是利用物联网技术，将动感单车与专业的健身服务资源实时地衔接起来，实现多方面的资源整合，为健身人群、社交媒体、数字游戏开发商、健身服务提供商等提供交互接口。物联网数字动感单车将个人的健身数据通过终端软件实时地进行采集和传输，实现基于物联网模式的海量健身数据存储与处理，通过服务器端的数据分析计算给不同健身人群提供相应的健身服务方案，并实现数字动感单车的自动反馈控制，最终实现健身服务的个性化定制服务模式(图3)。

　　3 硬件设计

　　3.1 多模式身份自动识别系统

　　物联网动感单车的身份自动识别功能是为区别不同的健身用户，以实现各类服务软件的自动登入。用户身份的快速识别是用户健身数据传输和个性化健身服务提供的基础。身份识别技术目前可通过二维码、RFID、NFC、蓝牙等技术实现，不同身份识别技术在技术和可行性上都具有优势，但是在一些环境中也有其弊端，比如在健身房中，动感单车的使用间隔更加缩短，用户如果使用自有的智能设备，容易发生丢失且影响健身体验，而如果使用已经安置好的智能设备，则必须有用户间的相互替换，如果在这一阶段使用传统的手动输入方式，必然影响用户的健身流畅性。因此，在物联网动感单车设计中应采用多模式自动识别系统(图4)，不仅能够完善对于现有智能设备的支持，也扩大了其他辅助身份识别模式。辅助装置采用智能卡识别子系统，可以看作是对智能设备的辅助，智能卡模式是面向健身房、社区健身园区等多用户、多器材健身环境而设计。

　　3.2 数据采集系统的设计

　　数据采集系统作为智能动感单车感知层前端载体，是数据采集和获取的重要渠道，传感器无疑是能够满足物联网数字动感单车对各种信息感知需求的主要工具。数据采集系统包括：

　　(1)体重采集系统。物联网动感单车设计中体重采集装置是物联网功能实现的必要元件之一。在实现方式上，主要通过传感器在动感单车车轮部署，通过智能光电式传感器的在物联网车轮中的集成，用户的体重数据可以实时地上传给客户端。

　　(2)心率采集系统。心率作为血液循环机能的重要生理指标在运动健身相关研究中被广泛地应用。根据运动心率变化曲线来确定用户健身过程的目标心率，更具科学性和可参照性。运动后心率的恢复又可作为评定用户负荷适宜与否以及心脏机能状态的指标和依据。

　　(3)能耗采集系统设计。利用外接基于加速度传感器的运动传感器，可以量化测量体力活动消耗，把传感器固定在用户身体上，就能够感应到肢体或躯干的运动或加速度状况。通过短距离输送技术，可以实时传送用户运动状况的数据至用户智能设备的客户端。

　　(4)手部动作识别系统。多维化设计是物联网数字动感单车的重要设计，传统动感单车只有一维的运动方向，通过加入左右手动作光点传感器，可将动感单车的动作提升至两维，让动感单车不仅可以实现单向的识别，也可以识别左右，更加提高动感单车相关应用软件的娱乐性和互动性。

　　(5)安全感知系统。红外数据采集的功能是判断用户使用安全的重要措施，同时红外数据可以作为判断用户是否离开的依据，人体是非常敏感的红外探测源，人体在动感单车进行运动时，车身长度限制了其运动的范围，而红外探测的有效距离远远高出这一范围，通过一些相应的模型建立，可以有效地探知人体在运动时一些简单的摔倒和离开动作，真正实现动感单车的自动感知。

　　(6)运行数据采集系统。用户通过智能设备操作将控制命令传导至中央控制板，数据经解析后传递给下控板并完成对升降机和驱动马达的控制，下控板在获取升降机和马达的数据后，将信息传回人机交互界面。通过动感单车的运动时长、骑行里程、速度变化、坡度变化等多项数据，可以方便地对用户的能量消耗、运动强度、运动频率等进行计算，

　　从而实现对用户健身过程的监测。

　　(7)环境和位置数据采集系统设计。通过在物联网健身器材中植入温度、湿度、GPS等智能传感监测元件，可以快捷地收集活动健身场所的环境数据，例如近来备受关注的PM 2.5数据的监测、氧气含量的数据都可以在物联网健身器材中实现监测。

　　3.3 自动控制系统

　　自动控制同样是当今物联网研究领域的重要研究方向，对于物联网动感单车设计而言，其自身具有独特的使用特点。动感单车因其操作方式较为多样化，且具有独立的中控面板，较为适合自动控制系统的嵌入，且对于物联网动感单车实现自动控制有以下几点优势。

　　首先，利用自动控制系统可以帮助健身用户自动运行动感单车骑行模式，降低操作难度并节约操作时间。

　　其次，自动控制系统能够准确地记录健身用户的运动强度与运动量，防止用户只选择不运动的状况出现。

　　第三，是对于个性化运动处方的支持，通过物联网，健身用户可以获得由健身服务提供者开具的运动处方，对于单独选择动感单车健身的用户，基于个性化的运动处方实现对动感单车的自动控制将会大大提高动感单车的锻炼效果。

　　4 数字动感单车的支持软件设计

　　4.1 基于平台的数字动感单车数据管理系统设计

　　物联网动感单车数据管理系统是基于物联网，以云计算技术为后台支撑的信息管理系统。系统在使用J2EE技术平台的基础上，利用Java的跨平台特性，独立于硬件配置和操作系统，保证系统平台的灵活性、可移植性和互操作性。系统总体架构，采用了分布式的设计，各个子系统的业务相互独立，采用接口的形式进行调用，防止出现一个子系统的升级，牵涉到整个系统的升级，降低了升级的错误率。每个子系统都采用了MVC设计模型，将前台的数据展示与业务逻辑处理分离，便于后期的维护。利用成熟的Spring、myba tis等技术进行业务逻辑与数据存储的处理，加强了软件复用度，缩短了开发的开发周期。采用SOA组件模型，各个子系统的关键功能单元的调用以WebService方式实现，接口实现技术统一采用REST技术，保证系统各部件之间调用的低耦合度。广泛采用Web2.0界面技术，引入先进强大的工作流引擎，使用大规模、高可用、高并发数据库引擎，实现了系统的高可靠性、高稳定性、高安全性和高扩展性，为本项目的研究提供了良好的支撑条件。物联网动感单车数据管理系统涉及多种类型的健身资源，满足不同健身服务的需求。主要系统设计如下：

　　(1)用户信息管理系统。用户管理负责对系统所有用户的管理，包括普通健身用户管理、指导人员用户管理、系统操作用户管理等子系统。

　　(2)动感单车信息管理系统。动感单车信息管理系统负责动感单车基本信息的管理，包括类别特征管理、控制代码管理、使用指导信息管理子系统。

　　(3)健身数据管理系统。健身数据管理系统负责对用户的健身信息进行管理。包括健身数据采集管理、处方信息管理、综合数据信息管理、扩展信息管理等子系统。

　　(4)服务质量管理系统。服务质量管理系统负责对健身服务产品进行监督。包括服务产品审核管理、产品质量评价管理、产品销售统计管理等子系统。

　　(5)CRM客户管理系统。CRM客户关系管理系统负责对接入健身物联网的动感单车用户信息进行管理。

　　4.2 客户端的设计

　　客户端是各类物联网服务系统不可缺失的设计，在物联网动感单车的网络健身服务模式中，客户端作为人机交互的重要入口，是实现物联网健身服务模式的重要环节。物联网动感单车客户端能够实现对使用物联网健身器材用户锻炼信息的实时监测显示，并通过健身云服务平台向用户提供锻炼指导、运动处方推荐、健身服务产品供给等功能(见图6)。

　　(1)用户登录验证。客户端软件登录方式的多样性，既能通过传统的方式进行注册登录，又可以通过ShareSDK等较为流行且安全的应用开发技术实现QQ、MSN、新浪微博等第三方接口信息认证并登录客户端，实现使用的便捷性。

　　(2)用户健身档案管理。会员基本信息获取时，客户端需要传入会员ID和密码，供服务端进行登录验证。会员通过在客户端填写个人的数据，建立个人数字档案，从而获取更为个性化的健身服务推荐，会员在登录后可以按照操作填写个人数据，包括基础信息、生活习惯和社会因素等信息。储存到云端用户信息数据库，可供健身服务提供人员和相关推荐系统利用。

　　(3)动感单车控制。通过开发智能设备的应用客户端，可以实现客户端与服务器端的数据传输，使用REST技术通过客户端POST的方式，将客户端数据存入JSON中，调用服务端的REST接口;服务端对传过来的JSON数据进行解析，对用户信息进行验证，并对业务数据进行提取，将处理结果返回给客户端，从而组成“设备——客户端——服务端”的数据双向传输路线。

　　(4)健身服务控制。为提高远程健身服务的效果和质量，用户可以利用客户端给处方进行评价，会员对处方进行评价时，客户端需要传入会员ID和密码，供服务端进行登录验证后将评价数据存入服务评价数据库。

　　(5)个性化运动处方推荐。物联网动感单车的健身服务系统通过对动感单车使用人群健身数据的分析，实现对健身用户个性化健身处方的制定。但由于健身服务平台的开放模式，所需服务的人群流量巨大，后台健身服务指导者在线编辑运动处方的时效性差，而且对于同类用户运动处方可以重复利用。个性化运动处方推荐是在后台数据量较为庞大的假设基础上进行，它不同于传统的基于知识库的推荐方式，需要完善基于用户个体数据形似度匹配的混合推荐方法的应用。

　　5 结论

　　将物联网技术应用到数字动感单车设计中，不仅能够丰富我国健身器材产品，提高健身服务水平和实用性，而且能够满足广大人民群众日益增长的多元化、多层次的健身需求，具有良好的社会效应和市场发展前景。物联网数字动感单车的设计不仅兼顾了传统数字动感单车的优点，同时利用传感器技术、嵌入式技术和自动感知技术，使物联网动感单车成为一种时尚且具有现代化气息的健身工具，给其他类型物联网健身器材的硬件设计提供了重要的依据。可极大地提高物联网健身器材的科学指导功能，从而进一步提升健身器材用户的健身交互、健身效率及健身坚持度。