基于OneNet物聯(lián)網(wǎng)云平臺的體育運動遠程監(jiān)控系統(tǒng)

杜熙茹，黃 秋，黃曉輝，蔡子冰，董吉捷

引言

隨著我國“46號文”的逐步實施，物聯(lián)網(wǎng)智慧體育的模式逐漸成型，物聯(lián)網(wǎng)的應用也日益廣泛，健身路徑、健身器械、體重秤、運動配件、運動服飾等各類體育裝備同云端的智能化串聯(lián)，體育物聯(lián)網(wǎng)日益被大眾所接受[1]。在國家大力提倡全民健身和高度重視競技體育訓練的背景下，運動健身人群逐漸增多，各類體育場地如雨后春筍一般，覆蓋到各個社區(qū)和事業(yè)單位。且隨著時代進步和社會發(fā)展，體育健身器材的種類和功能也越來越多，體育場地的功能逐漸多元化、科技化、智能化，而體育場地除了需要滿足健身、訓練、運動競賽的需求外，還應承擔起相應的服務社會的功能[2]。

由于體育運動場地具有多元化、分布廣和容納量大等特點，給實地監(jiān)控帶來一定的困難，安全問題也尤為突出。

本文通過運動安全監(jiān)測使用的現(xiàn)狀進行深入調(diào)查，并結(jié)合運動時的身心變化特點，旨在研發(fā)出適用于運動健身人員的物聯(lián)網(wǎng)安全監(jiān)測設備，以幫助其減少運動傷亡問題，更好地參與及享受體育活動的過程。

1 需求分析

隨著人們健身意識的增強，以及國家對競技體育的重視，越來越多的人投入到運動健身和專業(yè)的運動訓練的行列當中，但由于人們在運動時沒有得到自身身體狀況的及時反饋，導致運動傷亡問題的頻發(fā)。大多數(shù)人群會選擇體育場地進行鍛煉，但也會因各種問題，導致運動監(jiān)控不到位，使安全問題存在隱患。在競技體育訓練中，無論是在場地或是場館，人員的安全問題是最為突出的問題，運動中往往會發(fā)生很多突發(fā)狀況，體操、技巧啦啦操中的人員安全、競技運動中的損傷，教練也不可能進行全方位的監(jiān)控，因此如何掌握運動者身體狀況、進行運動實時監(jiān)控的問題就顯得尤為重要。

針對這一問題，設計了物聯(lián)網(wǎng)體育運動遠程監(jiān)控系統(tǒng)，通過可穿戴設備的信息反饋，實時監(jiān)測受試者運動時的身體狀況。它不僅是一種硬件設備，更能通過軟件支持以及數(shù)據(jù)交互、云端交互來實現(xiàn)強大的視頻安全監(jiān)測功能，設計思路如下圖所示：

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)發(fā)展情況

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、智能家居及可穿戴設備的快速發(fā)展，我們生活中的智能設備層出不窮。跑步佩戴的智能手環(huán)、智能手表實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，提供更為詳盡的數(shù)據(jù)和輔助指導[3]，除此之外，物聯(lián)網(wǎng)的應用在體育領域運用日益廣泛，智能跑步機、智能體重秤等各類體育裝備與云端進行智能化連接，成為體育物聯(lián)網(wǎng)的重要基礎[4]。

體育場館智能化將成為行業(yè)基本配套，體育場館是體育行業(yè)中重要的一環(huán)，傳統(tǒng)的老場館普遍存在利用率低、網(wǎng)絡設施差、盈利模式單一等問題。目前智能體育場館成為行業(yè)發(fā)展方向，新建場館紛紛擁抱信息化、智能化、數(shù)據(jù)化，未來智能化體育場館將成為行業(yè)基本配套。

無線監(jiān)控方式可以隨意轉(zhuǎn)換監(jiān)控點，不需要復雜布線，具有安裝維護方便等優(yōu)勢。這種無線技術(shù)以數(shù)據(jù)為基礎，實現(xiàn)網(wǎng)絡之間的通訊，它既可以快速有效處理節(jié)點信息，還可以保證數(shù)據(jù)的高可靠性，可以大規(guī)模的使用，大大提高監(jiān)控區(qū)域的覆蓋率[5]。本研究采用的無限監(jiān)控利用中國移動開放(免費使用)的OneNet物聯(lián)網(wǎng)云平臺，用于物聯(lián)網(wǎng)遠程數(shù)據(jù)傳輸，更為簡便快捷。視頻監(jiān)控除了能監(jiān)測運動訓練狀況之外，還能監(jiān)控運動員心率、體溫，為教練員反饋相關的信息，及時了解運動員訓練時的身心變化狀況，避免在過度疲勞的情況下進行大強度訓練，做出科學的決策，減少由于疲勞而導致的運動性損傷，并在日常訓練中及時對訓練目標作出科學的規(guī)劃的改變。

本系統(tǒng)通過可穿戴設備的信息反饋，實時監(jiān)測其運動時的身體狀況。具有技術(shù)含量高、成本低、功能強、應用范圍廣等特點，無論在教學還是實際應用都具有現(xiàn)實意義。

2.2 國外發(fā)展情況

目前，國外視頻監(jiān)控業(yè)務主要應用在公共領域和個人用戶等方面：在公共場所，國外設置了眾多監(jiān)控設備，以加強對公共領域的安全控制；在交通、銀行、連鎖超市、居民住宅等領域視頻監(jiān)控也得到了廣泛應用[6]；在美、英等國，個人使用視頻監(jiān)控主要是應用于住宅的安全、防范和財產(chǎn)的監(jiān)控。

3 遠程監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)功能介紹

3.1.1 遠程視頻監(jiān)控

將樹莓派卡片式計算機作為物聯(lián)網(wǎng)的感知層[7]，把攝像頭部分安裝在運動場館，用于視頻采集，樹莓派卡片式計算機連接網(wǎng)絡(Wi-Fi)后，可將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆neNet物聯(lián)網(wǎng)云平臺，監(jiān)控人員只需要登入OneNet物聯(lián)網(wǎng)云平臺，通過登錄憑證登錄查看，就可以遠程看到運動場館的實時狀況，能夠及時監(jiān)控場館運動情況，發(fā)現(xiàn)問題，及時控制運動場館緊急問題。

3.1.2 運動數(shù)據(jù)檢測

設計可穿戴設備，嵌入樹莓派B+具有4核64位處理器，傳感器連接到樹莓派模型，樹莓派發(fā)送信息到服務器。

受監(jiān)測人員將帶有傳感器的可穿戴設備連接到自己的身體，傳感器的另一端無線連接到樹莓派。傳感器采集的體溫、心率的數(shù)據(jù)儲存在樹莓派B中，數(shù)據(jù)值顯示在ICD顯示器上，同時如果數(shù)據(jù)超出正常范圍，則觸發(fā)報警器。儲存的值在幫助下被發(fā)送到服務器。

所有的值都按時間順序儲存在服務器上，監(jiān)測人員可以通過登錄憑證登錄查看受監(jiān)測人員的數(shù)據(jù)，就可以實時掌握運動員體溫、運動時的心率，監(jiān)測其運動時的身體狀況，有效避免運動事故。還可此為數(shù)據(jù)根據(jù)制定個人相關訓練計劃，達到最佳運動訓練的效果。

3.1.3 遠程控制體育設備

在場館器械設備中嵌入無線網(wǎng)絡開關控制器，每一臺設備設置單獨的標簽信息，器械控制設備結(jié)合遠程視頻監(jiān)控一同使用，監(jiān)測人員可以通過視頻查看場館運動狀況，再通過器械控制設備遠程控制場館設備，包括門、燈、各類運動器材的開關及各類配套設施的開關。本設備具體采用硬件設備已開發(fā)完成，我們將進一步以低成本、實用性為原則開發(fā)該產(chǎn)品的其他功能。

3.2 系統(tǒng)創(chuàng)新點

3.2.1 首次提出利用物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控運動安全；

3.2.2 運動安全監(jiān)控與運動狀態(tài)相結(jié)合，預防安全問題的同時還可把控運動強度；

3.2.3 運動場館智能化，隨時隨地遠程操控場館設備；

3.2.4 信息的同步反饋與處理。

3.3 技術(shù)關鍵點

物聯(lián)網(wǎng)包括如下關鍵技術(shù)，如圖2所示：

圖3 樹莓派板

(1)自動感知技術(shù)：傳感器設計，中間件與數(shù)據(jù)處理軟件設計；嵌入式技術(shù)；移動通信技術(shù)；計算機網(wǎng)絡技術(shù)；

(2)智能數(shù)據(jù)處理技術(shù)：中間件與應用軟件設計、海量數(shù)據(jù)存儲與計算、數(shù)據(jù)挖掘；智能控制技術(shù)；信息安全技術(shù)等。

樹莓派(如圖3所示)是基于ARM的卡片式電腦主板，用Micro SD卡作為硬盤，擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口。以上部件全部整合在一張僅比信用卡稍大的主板上，具備PC的基本功能，只需連接顯示器和鍵盤，就能執(zhí)行如電子表格、文字處理、玩游戲、播放高清視頻等諸多功能。它是一種廉價、靈活、可完全定制和可編程的小型計算機主板，它將電腦的優(yōu)勢引入了傳感器的網(wǎng)絡領域。在我們的系統(tǒng)中，我們根據(jù)可穿戴設備提供的(體溫、心率、脈搏等)數(shù)據(jù)，即個體的身體特征信息被提供給樹莓派，然后將其傳送到服務器，同時服務器顯示樹莓派攝像頭傳輸實時監(jiān)控畫面，對運動人群實施高度的安全監(jiān)測，從而形成一個完整的監(jiān)控系統(tǒng)。

3.4 技術(shù)路線

3.4.1 遠程監(jiān)測溫度系統(tǒng)組成

將溫度傳感器檢測到的體溫數(shù)據(jù)，采用HTTP協(xié)議上傳到OneNet云平臺，進行遠程監(jiān)測，如圖4所示。

圖4 遠程監(jiān)測溫度

3.4.2 遠程實時視頻監(jiān)視

RTMP協(xié)議從屬于應用層，被設計用來在適合的傳輸協(xié)議(如TCP)上復用和打包多媒體傳輸流(如音頻、視頻和互動內(nèi)容)。RTMP提供了一套全雙工的可靠的多路復用消息服務，類似于TCP協(xié)議[RFC0793]，用來在一對結(jié)點之間并行傳輸帶時間戳的音頻流，視頻流，數(shù)據(jù)流。通常情況下，不同類型的消息會被分配不同的優(yōu)先級，當網(wǎng)絡傳輸能力受限時，優(yōu)先級用來控制消息在網(wǎng)絡底層的排隊順序[8]。

3.4.2.1 視頻推流

運行服務器端rtsp程序

樹莓派命令行進入目錄在/home/pi目錄下 cd live_camera_linux/

執(zhí)行./zk_v4l2_x264_source

出現(xiàn)url地址則運行成功

3.4.2.2 運行客戶端程序

運行命令./sample_video_s，執(zhí)行程序?qū)崟r獲取rtsp流，將rtsp轉(zhuǎn)換rtmp流，上推OneNet。

3.4.2.3 OneNet云端查看視頻

進入OneNet平臺，可以看到顯示設備已在線，點擊通道1，點擊播放按鈕，因為是實時播放視頻，客戶端和服務端程序都要一直運行，不能中斷。

3.4.3 遠程控制運動設備

遠程控制運動設備功能目前還在測試階段，暫未將其列入本系統(tǒng)內(nèi)，系統(tǒng)組成及實施路徑如下：

3.4.3.1 系統(tǒng)組成

圖5 遠程控制運動設備

3.4.3.2 MQTT協(xié)議

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協(xié)議)，是一種基于發(fā)布/訂閱(publish/subscribe)模式的“輕量級”通信協(xié)議，該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上，由IBM在1999年發(fā)布。MQTT最大優(yōu)點在于，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務[9]。

MQTT是一個基于客戶端-服務器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議[10]。MQTT協(xié)議是輕量、簡單、開放和易于實現(xiàn)的，這些特點使它適用范圍非常廣泛。MQTT協(xié)議運行在TCP/IP或其他網(wǎng)絡協(xié)議，提供有序、無損、雙向連接[11]。

圖6 MQTT協(xié)議

3.5 系統(tǒng)科學性

OneNet是中國移動提供的免費開放的物聯(lián)網(wǎng)云服務，物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)等網(wǎng)絡通信基礎上，針對不同領域的需求，利用具有感知、通訊和計算的智能物體自動獲取現(xiàn)實世界的信息，將這些對象互聯(lián)，實現(xiàn)全面感知、可靠傳輸、智能處理，構(gòu)建人與物、物與物互聯(lián)的智能信息服務系統(tǒng)。

3.6 系統(tǒng)先進性

根據(jù)本課題的前期調(diào)研，顯示出以下先進性：

3.6.1 樹莓派基本特性

SOC Broad com BCM2837；

CPU ARM Cortex-A53 1.2GHz 64-bit quad-core ARMv8 CPU；

GPU Broad com Video Crore IV，Open GL ES 2.0,1080p 30 h.264/MPEG-4 AVC高清解碼器；

視頻輸入：15-針頭MIPI相機 (CSI) 界面，可被樹莓派相機或樹莓派相機(無紅外線版)使用；

影像輸出：RCA視頻接口輸出(僅1代B型有此接口)，支持PAL和NTSC制式，支持HDMI (1.3和1.4)，分辨率為640 x 350 至 1920 x 1200 支持PAL 和NTSC制式；

操作系統(tǒng)：Debian GNU/Linux 、Fedora、Arch Linux 、RISC OS，Windows10 Io T。

3.6.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖7所示：

圖7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.6.3 GPIO(General Purpose Input and Output)，如圖8所示：

本系統(tǒng)前期調(diào)試工作已經(jīng)完成，通過樹莓派攝像頭能夠?qū)⑶逦谋O(jiān)控畫面呈現(xiàn)在PC機上，可穿戴設備仍需進一步完善。后期我們會將研發(fā)工作的重點放在細化工作上，以便后期系統(tǒng)的實驗和商業(yè)化。

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

樹莓派監(jiān)控由樹莓派開發(fā)版、攝像頭、電源插頭、顯示屏組成。接上電源開關、顯示屏，即可進行工作。

4.1 視頻監(jiān)控測試

登錄物聯(lián)網(wǎng)賬戶，進行設備連接，運行樹莓派監(jiān)控，通過網(wǎng)絡傳輸至物聯(lián)網(wǎng)，即刻進行視頻實時監(jiān)控。

圖8 GPIO圖

4.2 體溫監(jiān)控測試

在樹莓派板上連接溫度傳感器相應引腳，運行該系統(tǒng)，即可進行溫度測試，物聯(lián)網(wǎng)點擊體溫監(jiān)控相應設備，體溫數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡立即上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺，體溫數(shù)據(jù)以圖像形式清晰展現(xiàn)出來。

實踐證明，該系統(tǒng)具有技術(shù)含量高、成本低、功能強、應用范圍廣等特點，無論在教學還是實際應用都具有現(xiàn)實意義，如圖9所示：

圖9 物聯(lián)網(wǎng)云平臺體育運動遠程監(jiān)控系統(tǒng)

4.2 設備開關測試

在樹莓派板上連接設備相應引腳，物聯(lián)網(wǎng)點擊相應系統(tǒng)，發(fā)送on的指令，設備即可自動打開；發(fā)送off指令，設備即可自動關閉。

5 應用效益分析

5.1 受試者的滿意程度

以廣州體育學院技巧啦啦操TCP隊伍25名運動員作為實驗監(jiān)控對象，通過實驗數(shù)據(jù)，有72%的運動員對此設備效果很滿意，24%的運動員對此效果基本滿意，但仍需進一步優(yōu)化，只有4%的運動員認為此設備效果甚微，如圖10所示：

5.2 監(jiān)測效果反饋

將實驗監(jiān)測結(jié)果遞交10位相關專家，詢問其建議或意見，其中7名專家認為此設操作性強、效果好，2名專家認為操作性、效果有待加強，1名專家認為效果甚微；10名專家均認為此設備監(jiān)控便捷，能隨時掌握運動人群身心狀況，了解其安全問題。

圖10 受試者滿意程度

5.3 受傷情況的降低和競賽成績的提高

在為期一個月的訓練監(jiān)控期間，隊員受傷情況呈明顯下降趨勢，隊伍整體競技能力提高。廣州體育學院TCP隊伍在2019年中國啦啦操公開賽中取得第一名的好成績。隊員們普遍反映通過監(jiān)控系統(tǒng)訓練能明顯感受到在訓練過程中安全意識的增強，同時促進運動員之間的動作協(xié)作配合能力的增強，帶動整個隊伍凝聚力的提高。

6 結(jié)束語

通過使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對運動場館數(shù)據(jù)中心的應用系統(tǒng)、服務器和網(wǎng)絡等軟硬件資源實現(xiàn)監(jiān)控和管理，以滿足運動場館數(shù)據(jù)中心遠程、規(guī)范化需求，降低工作人員壓力，提高工作效率，為體育場館運動健身人群提供安全穩(wěn)定可靠的訓練環(huán)境。