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

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)化嚴重，己難以適應(yīng)當今網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化的產(chǎn)品設(shè)計需求，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、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)實生活聯(lián)系更為緊密，服務(wù)的內(nèi)容也更為精細化。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)感知和傳輸實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，利用超級計算機和云計算系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行挖掘與計算后結(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、人機交互、智能處理等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的利用，實現(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，主要為實現(xiàn)健身用戶與健身服務(wù)的融合，將科學的健身服務(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)計目標

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字動感單車設(shè)計目標是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將動感單車與專業(yè)的健身服務(wù)資源實時地銜接起來，實現(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)通過終端軟件實時地進行采集和傳輸，實現(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)分析計算給不同健身人群提供相應(yīng)的健身服務(wù)方案，并實現(xiàn)數(shù)字動感單車的自動反饋控制，最終實現(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

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、藍牙等技術(shù)實現(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，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。

3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

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)計中體重采集裝置是物聯(lián)網(wǎng)功能實現(xiàn)的必要元件之一。在實現(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，用戶的體重數(shù)據(jù)可以實時地上傳給客戶端。

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

(3)能耗采集系統(tǒng)設(shè)計。利用外接基于加速度傳感器的運動傳感器，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)到肢體或軀干的運動或加速度狀況。通過短距離輸送技術(shù)，可以實時傳送用戶運動狀況的數(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)計是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字動感單車的重要設(shè)計，傳統(tǒng)動感單車只有一維的運動方向，通過加入左右手動作光點傳感器，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，人體在動感單車進行運動時，車身長度限制了其運動的范圍，而紅外探測的有效距離遠遠高出這一范圍，通過一些相應(yīng)的模型建立，可以有效地探知人體在運動時一些簡單的摔倒和離開動作，真正實現(xiàn)動感單車的自動感知。

(6)運行數(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和驅(qū)動馬達的控制，下控板在獲取升降機和馬達的數(shù)據(jù)后，將信息傳回人機交互界面。通過動感單車的運動時長、騎行里程、速度變化、坡度變化等多項數(shù)據(jù)，可以方便地對用戶的能量消耗、運動強度、運動頻率等進行計算，

從而實現(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。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)健身器材中實現(xiàn)監(jiān)測。

3.3 自動控制系統(tǒng)

自動控制同樣是當今物聯(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)計而言，其自身具有獨特的使用特點。動感單車因其操作方式較為多樣化，且具有獨立的中控面板，較為適合自動控制系統(tǒng)的嵌入，且對于物聯(lián)網(wǎng)動感單車實現(xiàn)自動控制有以下幾點優(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)能夠準確地記錄健身用戶的運動強度與運動量，防止用戶只選擇不運動的狀況出現(xiàn)。

第三，是對于個性化運動處方的支持，通過物聯(lián)網(wǎng)，健身用戶可以獲得由健身服務(wù)提供者開具的運動處方，對于單獨選擇動感單車健身的用戶，基于個性化的運動處方實現(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

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

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，各個子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)相互獨立，采用接口的形式進行調(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。利用成熟的Spring、myba tis等技術(shù)進行業(yè)務(wù)邏輯與數(shù)據(jù)存儲的處理，加強了軟件復用度，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方式實現(xiàn)，接口實現(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)，引入先進強大的工作流引擎，使用大規(guī)模、高可用、高并發(fā)數(shù)據(jù)庫引擎，實現(xiàn)了系統(tǒng)的高可靠性、高穩(wěn)定性、高安全性和高擴展性，為本項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)計如下：

(1)用戶信息管理系統(tǒng)。用戶管理負責對系統(tǒng)所有用戶的管理，包括普通健身用戶管理、指導人員用戶管理、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)負責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)負責對用戶的健身信息進行管理。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)負責對健身服務(wù)產(chǎn)品進行監(jiān)督。包括服務(wù)產(chǎn)品審核管理、產(chǎn)品質(zhì)量評價管理、產(chǎn)品銷售統(tǒng)計管理等子系統(tǒng)。

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

4.2 客戶端的設(shè)計

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，在物聯(lián)網(wǎng)動感單車的網(wǎng)絡(luò)健身服務(wù)模式中，客戶端作為人機交互的重要入口，是實現(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、運動處方推薦、健身服務(wù)產(chǎn)品供給等功能(見圖6)。

(1)用戶登錄驗證?？蛻舳塑浖卿浄绞降亩鄻有裕饶芡ㄟ^傳統(tǒng)的方式進行注冊登錄，又可以通過ShareSDK等較為流行且安全的應(yīng)用開發(fā)技術(shù)實現(xiàn)QQ、MSN、新浪微博等第三方接口信息認證并登錄客戶端，實現(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)端進行登錄驗證。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)進行解析，對用戶信息進行驗證，并對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行提取，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行評價，會員對處方進行評價時，客戶端需要傳入會員ID和密碼，供服務(wù)端進行登錄驗證后將評價數(shù)據(jù)存入服務(wù)評價數(shù)據(jù)庫。

(5)個性化運動處方推薦。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)指導者在線編輯運動處方的時效性差，而且對于同類用戶運動處方可以重復利用。個性化運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)計不僅兼顧了傳統(tǒng)數(shù)字動感單車的優(yōu)點，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)計提供了重要的依據(jù)?？蓸O大地提高物聯(lián)網(wǎng)健身器材的科學指導功能，從而進一步提升健身器材用戶的健身交互、健身效率及健身堅持度。