基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的團(tuán)隊(duì)運(yùn)動(dòng)體能檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◆黎浩 張良 李筱燁 劉思雨 王婧琪 張?chǎng)?/p>

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的團(tuán)隊(duì)運(yùn)動(dòng)體能檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◆黎浩 張良 李筱燁通訊作者劉思雨 王婧琪 張?chǎng)?/p>

（北京信息科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 北京 100083）

根據(jù)當(dāng)前社會(huì)上團(tuán)隊(duì)運(yùn)動(dòng)需要統(tǒng)籌監(jiān)測(cè)和管理的需求，為解決“運(yùn)動(dòng)手環(huán)”使用方式單一，僅局限于個(gè)人使用，數(shù)據(jù)無(wú)法共享并進(jìn)行分析的問(wèn)題，結(jié)合大學(xué)生體育課場(chǎng)景，基于JavaWeb技術(shù)和“藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)”技術(shù)，服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)運(yùn)動(dòng)體能檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)，改變了手環(huán)單一使用的模式，提供了同時(shí)監(jiān)測(cè)群體中多人運(yùn)動(dòng)狀況的功能，極大地提高了團(tuán)隊(duì)運(yùn)動(dòng)和訓(xùn)練的安全性，為運(yùn)動(dòng)群體中每個(gè)人的生命安全提供了保障。

心跳監(jiān)測(cè)；可穿戴；藍(lán)牙；團(tuán)隊(duì)監(jiān)測(cè)

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，人們對(duì)于運(yùn)動(dòng)的需求日益增加，但是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中難免會(huì)有特殊情況發(fā)生而生命安全是一個(gè)人最為重要的東西。面對(duì)這個(gè)問(wèn)題，人們迫切需要一種能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)自身的身體狀況的設(shè)備；現(xiàn)市場(chǎng)上的手環(huán)，功能普遍偏向于個(gè)人，在團(tuán)隊(duì)運(yùn)動(dòng)體能監(jiān)測(cè)方面卻處于一片盲區(qū)。本項(xiàng)目針對(duì)實(shí)時(shí)了解運(yùn)動(dòng)團(tuán)隊(duì)的運(yùn)動(dòng)情況的需求，基于“藍(lán)牙傳輸”、JavaWeb等相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)出一款運(yùn)動(dòng)體能監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在團(tuán)隊(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)成員的心率等身體狀況，并將團(tuán)隊(duì)中所有成員的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以可視化界面展現(xiàn)在管理員面前；該系統(tǒng)還提供預(yù)警功能，讓管理者充分了解到所有成員的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使得每個(gè)人的生命安全得以保證。

1 需求分析

從學(xué)校運(yùn)動(dòng)會(huì)到城市馬拉松，從體能測(cè)試到俱樂(lè)部夜跑，在各類大中小型體育活動(dòng)中運(yùn)動(dòng)員個(gè)人或許會(huì)佩戴運(yùn)動(dòng)手環(huán)等監(jiān)測(cè)設(shè)備，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息及時(shí)共享和統(tǒng)一監(jiān)測(cè)導(dǎo)致相關(guān)方無(wú)法及時(shí)獲取運(yùn)動(dòng)員的實(shí)時(shí)身體數(shù)據(jù)（例如心跳、卡路里消耗等）。而處于劇烈運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)員往往無(wú)法客觀判斷自身身體狀況，當(dāng)身體出現(xiàn)不適等異常狀況時(shí)由于各方都沒(méi)能及時(shí)注意到緊急情況，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)員發(fā)生休克、猝死等意外；組織方也對(duì)保存運(yùn)動(dòng)員的身體狀況數(shù)據(jù)有著迫切需求，一旦發(fā)生意外以便向社會(huì)澄清事實(shí)真相，協(xié)助官方調(diào)查。為了保障運(yùn)動(dòng)員的生命健康安全，確保體育活動(dòng)順利開(kāi)展，保障運(yùn)動(dòng)員和組織方的核心利益，急需一套可以收集、統(tǒng)計(jì)和分析全體運(yùn)動(dòng)員實(shí)時(shí)身體狀態(tài)的可視化系統(tǒng)。

基于以上情況和目的，我們對(duì)該系統(tǒng)提出以下要求：擁有布局清晰的可視化界面；能夠高效、快速、及時(shí)地收集全體運(yùn)動(dòng)員的身體實(shí)時(shí)健康指標(biāo)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到云服務(wù)器里；能夠依靠科學(xué)的算法計(jì)算出運(yùn)動(dòng)員的實(shí)時(shí)健康狀況，分析運(yùn)動(dòng)員的身體狀態(tài)是否支持繼續(xù)參與體育運(yùn)動(dòng)；能夠?qū)⑦\(yùn)動(dòng)員的實(shí)時(shí)身體數(shù)據(jù)，包括心跳、脈搏、卡路里消耗和血氧濃度等，系統(tǒng)展示在可視化界面上；能夠通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的實(shí)時(shí)身體數(shù)據(jù)分析，預(yù)警運(yùn)動(dòng)員的健康風(fēng)險(xiǎn)；能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸、備份和保存；能夠?yàn)楣芾韱T和監(jiān)測(cè)人員提供較好的管理權(quán)限和數(shù)據(jù)處理功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

團(tuán)隊(duì)運(yùn)動(dòng)體能監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集和處理、數(shù)據(jù)傳輸和保存、數(shù)據(jù)分析和評(píng)估、可視化界面和用戶管理等5個(gè)模塊，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2.1 數(shù)據(jù)采集和處理

當(dāng)用戶處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，其身體的心跳、脈搏、血氧濃度、卡路里消耗等數(shù)據(jù)都在發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，通過(guò)“藍(lán)牙”傳輸技術(shù)，系統(tǒng)將這些動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)持續(xù)傳輸至云服務(wù)器中，并解析出用戶的心跳、血氧、卡路里消耗等信息[1]。一方面為對(duì)用戶的身體各方面數(shù)據(jù)進(jìn)行增加，刪除，修改，導(dǎo)入，導(dǎo)出，統(tǒng)計(jì)等操作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；另一方面為之后系統(tǒng)憑借核心算法處理規(guī)模數(shù)據(jù)提供了完備基礎(chǔ)。

2.2 數(shù)據(jù)的傳輸和保存

處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的用戶的部分身體狀態(tài)數(shù)據(jù)是持續(xù)動(dòng)態(tài)變化且無(wú)規(guī)律的，在數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程中也存在數(shù)據(jù)丟包的情況；系統(tǒng)采用了用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）和傳輸控制協(xié)議（TCP）共舉的辦法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的持續(xù)傳送，最大限度地保證數(shù)據(jù)的完整性[2]。核心算法支持同樣需要大量的數(shù)據(jù)支撐，數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和備份顯得尤為重要；基于Redis和MySQL技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)的傳輸備份和保存為核心算法的實(shí)施提供了穩(wěn)定正確的數(shù)據(jù)，保證了算法的精準(zhǔn)性。

2.3 數(shù)據(jù)分析和評(píng)估

系統(tǒng)一方面依托提前錄入的固定數(shù)據(jù)如身高、體重、肺活量等信息和心跳脈搏、卡路里消耗、血氧濃度等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，憑借核心算法對(duì)成員的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，另一方面進(jìn)一步推出成員是否存在運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的意外并及時(shí)預(yù)警，從而幫助管理員對(duì)全體成員實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全面監(jiān)控與管理，減小因人為疏忽而導(dǎo)致緊急情況下意外發(fā)生的可能性。

2.4 可視化界面

可視化界面主要實(shí)現(xiàn)用戶界面和管理員界面。在登錄驗(yàn)證進(jìn)入可視化界面后，用戶界面主要顯示用戶個(gè)人的身體各項(xiàng)狀況；管理員界面則是顯示其管理的團(tuán)隊(duì)整體的身體各項(xiàng)數(shù)據(jù)，包括已錄入的靜態(tài)身體數(shù)據(jù)（身高、體重等）和動(dòng)態(tài)變化的實(shí)時(shí)身體數(shù)據(jù)（心跳、脈搏等），使管理員高效便捷地查看和監(jiān)測(cè)成員的身體狀況，與此同時(shí)系統(tǒng)依托各成員的心跳、脈搏、卡路里消耗和血氧濃度等數(shù)據(jù)借由核心算法計(jì)算、分析、繪制出相關(guān)圖表為管理員分析和預(yù)測(cè)成員運(yùn)動(dòng)時(shí)的實(shí)時(shí)身體狀況提供高效直觀的參考。

2.5 用戶管理

用戶管理主要是對(duì)想要增加自己信息到系統(tǒng)的用戶進(jìn)行信息的增加、刪除、修改等權(quán)限的分配。從而使得用戶可以依托本系統(tǒng)記錄、追蹤、改動(dòng)自己的相關(guān)信息，讓信息管理更加方便快捷。系統(tǒng)亦給予管理員更高權(quán)限以實(shí)現(xiàn)對(duì)權(quán)限下所有用戶進(jìn)行統(tǒng)一管理，提供對(duì)各個(gè)用戶信息數(shù)據(jù)進(jìn)行修改、批量導(dǎo)入導(dǎo)出等功能。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用Gradle工具構(gòu)建，從Maven倉(cāng)庫(kù)引入jar包。搭建Druid“數(shù)據(jù)連接池”保持對(duì)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中由用戶界面獲取的靜態(tài)數(shù)據(jù)的連接，依托Redis數(shù)據(jù)緩存技術(shù)保障由“藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)”傳輸?shù)某跏紨?shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)解析后被調(diào)用和處理；系統(tǒng)基于Spring框架采用JDBC模式對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)展開(kāi)操作。在經(jīng)過(guò)基于Token Auth模式的登錄驗(yàn)證后，系統(tǒng)在用戶界面利用了ECharts技術(shù)繪制的圖表為指定用戶直觀地提供其數(shù)據(jù)信息；管理員界面則為管理員展示所有用戶的數(shù)據(jù)信息，管理員亦可自由訪問(wèn)、查詢各用戶的數(shù)據(jù)信息并作出標(biāo)記；系統(tǒng)基于核心算法對(duì)所有用戶進(jìn)行分析預(yù)測(cè)并及時(shí)向用戶和管理員發(fā)送警示信息以實(shí)現(xiàn)對(duì)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的用戶的保護(hù)；系統(tǒng)賦予用戶和管理員不同的權(quán)限以訪問(wèn)和修改用戶數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)依托可靠的程序流程（見(jiàn)圖2）實(shí)現(xiàn)了上述功能。

圖2 系統(tǒng)程序框圖

3.1 信息收集

在系統(tǒng)中，使用者佩戴了“藍(lán)牙手環(huán)”（或心率帶）之后，“藍(lán)牙手環(huán)”通過(guò)自身帶有的裝置，如心率傳感器等，收集使用者的心跳、步數(shù)、血氧濃度等信息[3]。由于采用TDOS傳輸數(shù)據(jù)且部分品牌“手環(huán)”開(kāi)放了基本功能如“藍(lán)牙”傳輸?shù)腁PI接口，系統(tǒng)對(duì)部分品牌的運(yùn)動(dòng)“手環(huán)”有著較好的兼容性，系統(tǒng)既可以通過(guò)統(tǒng)一的配套“手環(huán)”實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，也可以通過(guò)識(shí)別IMEI碼綁定其他“手環(huán)”實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

圖3 “藍(lán)牙”網(wǎng)關(guān)抓取手環(huán)數(shù)據(jù)上傳后臺(tái)的流程

3.2 信息傳輸

“藍(lán)牙手環(huán)”通過(guò)“藍(lán)牙”傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)健八{(lán)牙網(wǎng)關(guān)”（TDOS），“藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)”通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至云服務(wù)器。（見(jiàn)圖3）系統(tǒng)對(duì)由“藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)”傳輸至服務(wù)器的初始數(shù)據(jù)在Servelet中進(jìn)行解析處理后獲得用戶的心跳，血氧含量，卡路里消耗等需要實(shí)時(shí)更新的身體信息數(shù)據(jù)，再將其更新進(jìn)入Redis緩存；系統(tǒng)將Redis中的更新數(shù)據(jù)分段以1s為周期儲(chǔ)存至MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。

表4 用戶采集信息表

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在分析用戶數(shù)據(jù)前依托MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建指定數(shù)據(jù)類型對(duì)收集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分類（見(jiàn)表4）、整合、儲(chǔ)存和傳遞，為數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，該架構(gòu)可在所有Web瀏覽器使用而不需要另行安裝，兼容不同瀏覽器平臺(tái)[4]。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所需要的相關(guān)信息，如用戶信息數(shù)據(jù)等，都是以數(shù)據(jù)庫(kù)表的形式存在，存儲(chǔ)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)允許管理員可以根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，這些數(shù)據(jù)也將存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)表中。

3.4 分析統(tǒng)計(jì)

系統(tǒng)基于一套簡(jiǎn)潔高效的核心算法實(shí)現(xiàn)基于批量數(shù)據(jù)對(duì)用戶實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分析，依據(jù)指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表 5）統(tǒng)計(jì)各個(gè)用戶的實(shí)時(shí)身體狀況的數(shù)據(jù)，包括用戶的運(yùn)動(dòng)距離、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、最大攝氧速度、最大攝氧量、平均心率和有氧恢復(fù)能力等；根據(jù)分析得出的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶實(shí)時(shí)身體狀態(tài)的判斷和預(yù)警[5]。例如系統(tǒng)通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)心率和一段時(shí)間內(nèi)的平均心率來(lái)監(jiān)測(cè)用戶的身體狀態(tài)，出現(xiàn)超出心率控制范圍的情形，系統(tǒng)將及時(shí)做出反應(yīng)向管理員和用戶預(yù)警。

表5 運(yùn)動(dòng)指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)表

3.5 用戶管理

系統(tǒng)搭建了相對(duì)獨(dú)立的用戶和管理員界面，基于統(tǒng)一的可視化頁(yè)面實(shí)現(xiàn)對(duì)不同對(duì)象的分等級(jí)權(quán)限操作（見(jiàn)圖 4）。將用戶和管理員的信息進(jìn)行冷錄入，基于Token Auth模式的登錄驗(yàn)證后提供對(duì)用戶賬號(hào)，密碼，身體數(shù)據(jù)等信息的錄入和修改；系統(tǒng)賦予管理員較高權(quán)限使管理員可以訪問(wèn)和操作各用戶數(shù)據(jù)信息，用戶則僅有訪問(wèn)和操作自己數(shù)據(jù)信息的較低權(quán)限，保障了各用戶的個(gè)人隱私安全。

圖4 PC端用戶界面示意圖

3.6 可視化界面

系統(tǒng)基于Bootstrap框架構(gòu)建具有簡(jiǎn)潔合理的分類和布局的可視化界面和基于JQuery、ECharts庫(kù)繪制的多樣化圖表使用戶和管理員直觀獲取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息。合理的界面設(shè)計(jì)布局和高辨析度、清晰的信息顯示體現(xiàn)出系統(tǒng)對(duì)于用戶體驗(yàn)的重視，拉近了人和計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)系從而有利于管理員工作效率的提高[6]。管理員可以在可視化界面中（見(jiàn)圖5）對(duì)所有用戶狀況進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測(cè)，亦可對(duì)指定用戶進(jìn)行訪問(wèn)以調(diào)取該用戶的所有信息。

圖5 PC端管理員界面示意圖

4 結(jié)論

系統(tǒng)采用JavaWeb技術(shù)，Bluetooth4.0技術(shù)和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)結(jié)合當(dāng)下團(tuán)體運(yùn)動(dòng)情況（如運(yùn)動(dòng)會(huì)、馬拉松比賽、學(xué)生體育課教學(xué)，軍訓(xùn)等等）設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了的群體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下實(shí)時(shí)身體狀況的檢測(cè)和評(píng)估，有效地降低了個(gè)體在團(tuán)隊(duì)運(yùn)動(dòng)中因健康風(fēng)險(xiǎn)被忽視而導(dǎo)致意外情況發(fā)生的可能性，具備一定的可行性，實(shí)用性和可操作性，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠、高效和便捷的預(yù)期目標(biāo)。但是隨著時(shí)代的進(jìn)步，該系統(tǒng)將面臨新的要求和挑戰(zhàn)，不同團(tuán)體對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)類型的多樣化需求、多平臺(tái)手機(jī)應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)、個(gè)體運(yùn)動(dòng)能力識(shí)別認(rèn)證等等，都將是需要解決的核心技術(shù)。

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