基于物联网技术的健身运动监测系统研究

陈宇 祝家东 王梦囡

(1.广东第二师范学院体育学院 广东广州 510303;2.佛山职业技术学院电子信息学院 广东佛山 528137)

物联网技术在体育健身行业的应用关注健身系统中具有“物”的属性的主体，以逐渐成熟起来的信息化体系为结构基础，辅以物联网核心技术的应用，并遵循需求导向的原则，最终实现“智慧体育”[1]。在此背景下，一种特殊的物联网应运而生——体域网。体域网是“基于无线传感网络的，人体上的生理参数收集传感器或移植到人体内的生物传感器共同形成的一个无线网络”，可作为泛在化体质健康监测系统的信息通讯解决方案。射频识别技术（radio frequency identification，RFID）是自动识别技术的一种，利用该技术可以监测练习者实时的健身设备并进行数据交换[2]。该研究结合物联网技术，设计出一种智能运动监测系统，监测练习者的训练项目和运动心率，对训练数据进行分析与处理，并提供科学可行的训练指导方案，使练习者的练习效果达到最优化。

1 健身运动数据获取及传输系统

健身运动数据获取及传输主要包含2个方面：练习效果和练习设备数据。心率数据是反映练习者练习效果的重要指标，尤其是有氧运动。心率的大小、心率恢复正常的速度等都反映了练习者的身体状况和练习效果。同时，心率数据要与具体的练习设备相匹配来进行分析，进行有氧训练的心率变化情况和开展抗阻训练的心率变化情况反映的信息不同，需要进行充分挖掘。该研究采用心率传感器获取练习者的心率数据，通过射频识别技术获取练习设备信息。

1.1 心率数据获取系统

心率传感器是一种利用光反射原理测量人体心率的传感器。当心脏收缩时，外周血容量最多，光吸收量最大，检测到的光强度最小，而在心脏舒张时，正好相反，检测到的光强度最大，使光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化，进而可以还原出用户的心率数据[3]。当用户的心脏跳动时，会有更多的血液流过用户的手腕。因此，该研究将心率传感器集成在智能腕带上，获取的心率数据通过蓝牙方式上传到智能处理终端（如手机）上进行后续处理。数据获取结构如图1所示。

图1 运动心率数据获取系统结构示意图

1.2 运动设备数据获取系统

无线射频识别技术通过无线电波不接触快速信息交换和存储技术，通过无线通信结合数据访问技术，然后连接数据库系统，加以实现非接触式的双向通信，从而达到识别的目的。在识别系统中，通过电磁波实现电子标签的读写与通信[4]。RFID的读取速度较快，不需要人工帮助，穿透力很强，具有可靠性强、效率高、成本低、易于制作等特点，被广泛应用于商品销售、身份验证、追踪溯源等领域。在健身运动监测系统中，用户通过安装有读写器的手环靠近健身器械上的射频识别标签，可以快速识别器械名称，结合用户登录信息，可以得知用户进行健身运动的练习项目信息。

2 健身运动数据量化分析与评估模型

2.1 健身运动训练计划的分析与评估

美国运动医学协会将“健康体适能”定义为一种具有以下特征的身体状态：有充足精力和能力从事日常活动，运动不足病症早期发生的危险较低。健康体适能要素与高效率工作、享受闲暇、健康状态、预防静态生活方式导致的运动不足病症及应付紧急情况的能力紧密相关，具体包括心肺耐力、肌肉力量与耐力、柔韧性和身体成分。而健身运动就是在提高人们的健康体适能，所以将健身房划分为有氧区、力量区和拉伸区，分别锻炼心肺耐力、肌肉力量与耐力及柔韧性。根据区域的划分将射频识别标签贴在各种健身器械上，收集练习者在各区域中练习的具体情况，通过获得的数据分析练习者此次健身运动中的有氧练习、力量练习和拉伸练习的具体情况，从而得知用户此次健身训练计划。多次训练信息则从整体上反映了用户常用的训练计划，可以通对大数据分析给用户提供科学的指导意见，例如，大数据反映该用户在练习项目的选择中只注重有氧和力量训练，就可以评估出该用户的柔韧性偏差，指导意见中就要强调拉伸练习的重要性；大数据反映该用户在力量训练中只注重发展上肢和躯干力量，不注重下肢力量练习，可以评估出该用户的下肢力量偏差，建议加强下肢力量练习。通过射频识别技术获得练习设备信息，可以对用户练习项目的选择和身体练习部分的搭配进行评估，并给出科学的指导意见[5]。

2.2 运动心率数据的分析与评估

健身运动能有效改善身体健康，但过低心率的运动不会有很好的训练效果，而过高心率的运动又增加了训练的风险。通过智能设备可以读取该练习者的基本信息，如姓名、性别、年龄、身高、体重等，根据年龄和安静心率算出最大心率。依据不同心率区间对运动的影响，可将心率区间划分为4个阶段：热身阶段心率区间为最大心率的50%～60%，这个阶段运动强度比较低，一般是做准备活动，以提高身体的机能，防止受伤；燃脂阶段心率区间为最大心率的60%～70%，这阶段运动强度比热身阶段大，只要运动量合理，便具有很好的燃烧脂肪的效果，这个阶段对需要减脂的人群有很大的帮助；耐力阶段心率区间为最大心率的70%～80%，这个阶段运动强度比燃脂阶段大，运动的持久性较低，但是对提高心血管系统和呼吸系统有很大的帮助，这个阶段比较适合需要提高心肺功能的人群；力量锻炼阶段的心率应处于最大心率的80%以上，这个阶段运动强度非常大，肌肉负担比较大，容易产生疲劳，这个阶段对肌肉的增长很有帮助，适合需要提高肌肉力量与耐力的人群。通过互联网技术获得用户练习时的心率数据，再根据用户的需求进行系统的分析，需要减脂的用户建议心率区间为最大心率的60%～80%（燃脂锻炼和有氧耐力阶段），需要增肌的用户建议心率为最大心率的80%以上（力量锻炼阶段）。通过对健身运动心率的监测可以提高运动效果，降低运动风险，让健身运动更科学化、专业化[6]。

3 结语

基于物联网技术对健身运动进行监测，可利用心率传感器获取用户传感数据，并利用蓝牙发送到智能移动终端，将心率数据与用户登录信息进行关联；利用射频识别技术对器械类型进行识别，并将器械类型信息与用户登录信息进行关联，对训练数据进行分析与处理，自动生成训练指导方案，并将训练指导方案推送给用户。

基于物联网技术的健身运动监测系统，对健身运动的发展有以下帮助：通过对健身设备的识别，可以获得用户每次训练计划，根据健康体适能四大要素（心肺耐力、肌肉力量与耐力、柔韧性和身体成分），为用户提供科学的训练计划；通过对力量设备进行分类（分为上肢、躯干和下肢器械），利用射频识别技术进行识别可以获得用户的抗阻训练计划，根据全身肌肉整体发展原则，为用户提供科学有效的指导；根据不同心率区间对运动的影响，将心率区间划分为4个阶段［热身（最大心率的50%～60%）、燃脂锻炼（最大心率的60%～70%）、耐力锻炼（最大心率的70%～80%）和极限锻炼（大于最大心率的80%）］，通过互联网技术对运动心率进行监测，根据用户需求进行指导和调整，让运动效果达到最佳。