基于物联网技术的团队运动体能检测评估系统的设计与实现

◆黎浩 张良 李筱烨 刘思雨 王婧琪 张雯

基于物联网技术的团队运动体能检测评估系统的设计与实现

◆黎浩 张良 李筱烨通讯作者刘思雨 王婧琪 张雯

（北京信息科技大学计算机学院 北京 100083）

根据当前社会上团队运动需要统筹监测和管理的需求，为解决“运动手环”使用方式单一，仅局限于个人使用，数据无法共享并进行分析的问题，结合大学生体育课场景，基于JavaWeb技术和“蓝牙网关”技术，服务器数据传输技术和数据库技术设计与实现了团队运动体能检测评估系统，改变了手环单一使用的模式，提供了同时监测群体中多人运动状况的功能，极大地提高了团队运动和训练的安全性，为运动群体中每个人的生命安全提供了保障。

心跳监测；可穿戴；蓝牙；团队监测

随着现代科技的发展，人们对于运动的需求日益增加，但是在运动过程中难免会有特殊情况发生而生命安全是一个人最为重要的东西。面对这个问题，人们迫切需要一种能够实时检测自身的身体状况的设备；现市场上的手环，功能普遍偏向于个人，在团队运动体能监测方面却处于一片盲区。本项目针对实时了解运动团队的运动情况的需求，基于“蓝牙传输”、JavaWeb等相关技术，设计出一款运动体能监测评估系统，该系统可以在团队运动时实时检测各个成员的心率等身体状况，并将团队中所有成员的运动状态以可视化界面展现在管理员面前；该系统还提供预警功能，让管理者充分了解到所有成员的运动状态，使得每个人的生命安全得以保证。

1 需求分析

从学校运动会到城市马拉松，从体能测试到俱乐部夜跑，在各类大中小型体育活动中运动员个人或许会佩戴运动手环等监测设备，但是无法实现信息及时共享和统一监测导致相关方无法及时获取运动员的实时身体数据（例如心跳、卡路里消耗等）。而处于剧烈运动中的运动员往往无法客观判断自身身体状况，当身体出现不适等异常状况时由于各方都没能及时注意到紧急情况，导致运动员发生休克、猝死等意外；组织方也对保存运动员的身体状况数据有着迫切需求，一旦发生意外以便向社会澄清事实真相，协助官方调查。为了保障运动员的生命健康安全，确保体育活动顺利开展，保障运动员和组织方的核心利益，急需一套可以收集、统计和分析全体运动员实时身体状态的可视化系统。

基于以上情况和目的，我们对该系统提出以下要求：拥有布局清晰的可视化界面；能够高效、快速、及时地收集全体运动员的身体实时健康指标数据，并将数据储存到云服务器里；能够依靠科学的算法计算出运动员的实时健康状况，分析运动员的身体状态是否支持继续参与体育运动；能够将运动员的实时身体数据，包括心跳、脉搏、卡路里消耗和血氧浓度等，系统展示在可视化界面上；能够通过对运动员的实时身体数据分析，预警运动员的健康风险；能够实现数据的安全传输、备份和保存；能够为管理员和监测人员提供较好的管理权限和数据处理功能。

2 系统设计

团队运动体能监测评估系统（以下简称系统）的设计主要包括数据采集和处理、数据传输和保存、数据分析和评估、可视化界面和用户管理等5个模块，如图1所示。

图1 系统整体架构图

2.1 数据采集和处理

当用户处于运动状态中，其身体的心跳、脉搏、血氧浓度、卡路里消耗等数据都在发生动态变化，通过“蓝牙”传输技术，系统将这些动态数据持续传输至云服务器中，并解析出用户的心跳、血氧、卡路里消耗等信息[1]。一方面为对用户的身体各方面数据进行增加，删除，修改，导入，导出，统计等操作提供数据基础；另一方面为之后系统凭借核心算法处理规模数据提供了完备基础。

2.2 数据的传输和保存

处于运动状态下的用户的部分身体状态数据是持续动态变化且无规律的，在数据的传输过程中也存在数据丢包的情况；系统采用了用户数据报协议（UDP）和传输控制协议（TCP）共举的办法实现数据流的持续传送，最大限度地保证数据的完整性[2]。核心算法支持同样需要大量的数据支撑，数据的储存和备份显得尤为重要；基于Redis和MySQL技术实现的数据的传输备份和保存为核心算法的实施提供了稳定正确的数据，保证了算法的精准性。

2.3 数据分析和评估

系统一方面依托提前录入的固定数据如身高、体重、肺活量等信息和心跳脉搏、卡路里消耗、血氧浓度等实时动态数据，凭借核心算法对成员的实时运动状态进行分析和预测，另一方面进一步推出成员是否存在运动风险，预测可能发生的意外并及时预警，从而帮助管理员对全体成员实现实时全面监控与管理，减小因人为疏忽而导致紧急情况下意外发生的可能性。

2.4 可视化界面

可视化界面主要实现用户界面和管理员界面。在登录验证进入可视化界面后，用户界面主要显示用户个人的身体各项状况；管理员界面则是显示其管理的团队整体的身体各项数据，包括已录入的静态身体数据（身高、体重等）和动态变化的实时身体数据（心跳、脉搏等），使管理员高效便捷地查看和监测成员的身体状况，与此同时系统依托各成员的心跳、脉搏、卡路里消耗和血氧浓度等数据借由核心算法计算、分析、绘制出相关图表为管理员分析和预测成员运动时的实时身体状况提供高效直观的参考。

2.5 用户管理

用户管理主要是对想要增加自己信息到系统的用户进行信息的增加、删除、修改等权限的分配。从而使得用户可以依托本系统记录、追踪、改动自己的相关信息，让信息管理更加方便快捷。系统亦给予管理员更高权限以实现对权限下所有用户进行统一管理，提供对各个用户信息数据进行修改、批量导入导出等功能。

3 系统实现

系统采用Gradle工具构建，从Maven仓库引入jar包。搭建Druid“数据连接池”保持对MySQL数据库中由用户界面获取的静态数据的连接，依托Redis数据缓存技术保障由“蓝牙网关”传输的初始数据在经过解析后被调用和处理；系统基于Spring框架采用JDBC模式对数据库展开操作。在经过基于Token Auth模式的登录验证后，系统在用户界面利用了ECharts技术绘制的图表为指定用户直观地提供其数据信息；管理员界面则为管理员展示所有用户的数据信息，管理员亦可自由访问、查询各用户的数据信息并作出标记；系统基于核心算法对所有用户进行分析预测并及时向用户和管理员发送警示信息以实现对处于运动状态下的用户的保护；系统赋予用户和管理员不同的权限以访问和修改用户数据信息。系统依托可靠的程序流程（见图2）实现了上述功能。

图2 系统程序框图

3.1 信息收集

在系统中，使用者佩戴了“蓝牙手环”（或心率带）之后，“蓝牙手环”通过自身带有的装置，如心率传感器等，收集使用者的心跳、步数、血氧浓度等信息[3]。由于采用TDOS传输数据且部分品牌“手环”开放了基本功能如“蓝牙”传输的API接口，系统对部分品牌的运动“手环”有着较好的兼容性，系统既可以通过统一的配套“手环”实现数据的采集和传输，也可以通过识别IMEI码绑定其他“手环”实现数据的采集和传输。

图3 “蓝牙”网关抓取手环数据上传后台的流程

3.2 信息传输

“蓝牙手环”通过“蓝牙”传输技术将数据传输到“蓝牙网关”（TDOS），“蓝牙网关”通过互联网将数据传输至云服务器。（见图3）系统对由“蓝牙网关”传输至服务器的初始数据在Servelet中进行解析处理后获得用户的心跳，血氧含量，卡路里消耗等需要实时更新的身体信息数据，再将其更新进入Redis缓存；系统将Redis中的更新数据分段以1s为周期储存至MySQL数据库中。

表4 用户采集信息表

3.3 数据库设计

系统在分析用户数据前依托MySQL数据库构建指定数据类型对收集到的原始数据进行分类（见表4）、整合、储存和传递，为数据分析奠定基础。系统采用B/S架构，该架构可在所有Web浏览器使用而不需要另行安装，兼容不同浏览器平台[4]。系统运行时所需要的相关信息，如用户信息数据等，都是以数据库表的形式存在，存储在系统数据库中。系统允许管理员可以根据需要对数据进行操作，这些数据也将存储于数据表中。

3.4 分析统计

系统基于一套简洁高效的核心算法实现基于批量数据对用户实时运动状态的分析，依据指标分类标准（见表 5）统计各个用户的实时身体状况的数据，包括用户的运动距离、运动时间、最大摄氧速度、最大摄氧量、平均心率和有氧恢复能力等；根据分析得出的数据实现对用户实时身体状态的判断和预警[5]。例如系统通过对实时心率和一段时间内的平均心率来监测用户的身体状态，出现超出心率控制范围的情形，系统将及时做出反应向管理员和用户预警。

表5 运动指标分类标准表

3.5 用户管理

系统搭建了相对独立的用户和管理员界面，基于统一的可视化页面实现对不同对象的分等级权限操作（见图 4）。将用户和管理员的信息进行冷录入，基于Token Auth模式的登录验证后提供对用户账号，密码，身体数据等信息的录入和修改；系统赋予管理员较高权限使管理员可以访问和操作各用户数据信息，用户则仅有访问和操作自己数据信息的较低权限，保障了各用户的个人隐私安全。

图4 PC端用户界面示意图

3.6 可视化界面

系统基于Bootstrap框架构建具有简洁合理的分类和布局的可视化界面和基于JQuery、ECharts库绘制的多样化图表使用户和管理员直观获取动态数据信息。合理的界面设计布局和高辨析度、清晰的信息显示体现出系统对于用户体验的重视，拉近了人和计算机之间的联系从而有利于管理员工作效率的提高[6]。管理员可以在可视化界面中（见图5）对所有用户状况进行统一监测，亦可对指定用户进行访问以调取该用户的所有信息。

图5 PC端管理员界面示意图

4 结论

系统采用JavaWeb技术，Bluetooth4.0技术和MySQL数据库技术结合当下团体运动情况（如运动会、马拉松比赛、学生体育课教学，军训等等）设计和实现了的群体运动状态下实时身体状况的检测和评估，有效地降低了个体在团队运动中因健康风险被忽视而导致意外情况发生的可能性，具备一定的可行性，实用性和可操作性，实现了系统设计的可靠、高效和便捷的预期目标。但是随着时代的进步，该系统将面临新的要求和挑战，不同团体对检测数据类型的多样化需求、多平台手机应用软件的开发、个体运动能力识别认证等等，都将是需要解决的核心技术。

[1]周新邵，曾强，张莉.基于B／S结构的学生公寓管理信息系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2016（9）：9-10.

[2]王捷，项东升，汤新鹏.基于蓝牙的呼吸监测装置设计[J].电脑知识与技术，2020（1）：247-249.

[3]向玮.穿戴式学生体育运动体质监测系统的设计研究[J].电子设计工程，2018（15）：158-162.

[4]石玉娟，熊琦.一种基于物联网技术的学生管理系统的设计与研究[J].北京印刷学院学报，2020（8）：118-120.

[5]张权.基于AD8232的穿戴式心电监测系统设计与实现[J].信息通信，2019（7）：52-54.

[6]伍习东，丰韦，陈凯.基于嵌入式 Web 服务器医疗监测系统软件设计[J].科学技术创新，2020（ 27）：64-66.

[7]苌飞霸，尹军，颜乐先，等.可穿戴式人体呼吸状态监测系统的设计[J].电子技术应用，2014，40（1）：79-81，85.

[8]邓鹏鹰.基于物联网技术的智能医疗在健康检测仪中的应用[J].无线互联科技，2020，17（07）：25-26.

[9]鲍丙豪，刘辉，曹一涵.基于Android手机的心电、呼吸监护系统设计[J].电子科技，2017，30（2）：135-137，141.

[10]卢森幸.一种多终端心率监测系统设计[J]，中国科技信息2020（20）：93-96.