基于物聯(lián)網技術的體育運動監(jiān)測系統(tǒng)設計研究

袁晉文

（鄭州大學體育學院 河南 鄭州 450044）

物聯(lián)網包括感知層、網絡層與應用層三層結構，物聯(lián)網技術主要是利用感知層對物體信息的感知與獲取、由網絡層對數據進行獲取與傳輸、由應用層進行實時監(jiān)測并提供運動處方等服務來實現人與物體、物體與物體之間的溝通與對話，以為用戶提供各種服務，進而滿足人們的各方面需求。將物聯(lián)網技術應用于人們的體育運動中，能夠實現對運動者相關數據的分析與監(jiān)測，以更好地了解運動者的運動狀態(tài)，從而為其提供科學的指導意見，不僅有利于幫助人們規(guī)避運動風險，同時也有利于增強人們的體育鍛煉效果。因此，本文試圖基于物聯(lián)網技術設計出體育運動監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測運動者的心率、血氧、呼吸頻率等有關生理數據，然后制定出相應的運動處方，以保證人們參加體育鍛煉的安全性與高效性。

1、基于物聯(lián)網技術的體育運動監(jiān)測系統(tǒng)設計的現實基礎

1.1、基于物聯(lián)網技術的體育運動監(jiān)測系統(tǒng)設計的現實背景

我國在全面建成小康社會勝利之際，全面促進人民群眾健康發(fā)展是鞏固勝利果實，是中華民族偉大復興向“兩個一百年”目標邁進的重要保障。為了全面促進人們的健康，國家頒布制定了一系列的政策文件，同時也大力發(fā)展健康產業(yè)。在政策導向和商業(yè)推動的歷史背景下，“每天鍛煉一小時，健康工作五十年，幸福生活一輩子”的健康信條被大眾所接受，特別是近幾年來，越來越多的人群積極參與到鍛煉、健身的隊伍里。但是眾多運動猝死等運動風險事件反映出“運動未必等于健康，科學運動才帶來健康”的觀念還未被認知。此外，廣大的健身愛好者更缺乏科學的鍛煉知識、方法和手段。而最科學、高效、安全的運動保障就是要加強運動風險的監(jiān)測、評估與干預以及運動效果的監(jiān)測與評估，所以各種所謂的運動手環(huán)、手表等智能健身產品一哄而上，但這些產品功能同質化嚴重，且獲得的數據均只停留在“監(jiān)測”層面，對健身人群缺乏評估與干預實質性應用價值，作為運動安全的“運動風險監(jiān)測”保障更是無從談起。因此，國內外的大眾體育運動監(jiān)控形勢十分嚴峻，而國內外針對運動者“生命保障”的運動風險監(jiān)控研究更是非常匱乏，特別是通過物聯(lián)網、數據算法模型等科技手段開展大眾體育運動監(jiān)測、風險預警與干預的體系化研究成果基本處于空白狀態(tài)，且研究深度較淺，應用價值缺乏?；诖?，本文以大眾運動健康與風險監(jiān)控為問題導向，以互聯(lián)網+物聯(lián)網+AI 智能識別等現代科技為支撐，設計體育運動監(jiān)測系統(tǒng)，并進行數據實時收集、跟蹤、上傳與分析，科學的制定運動處方以及運動風險預警干預方案。從而實現在最大限度地防止運動傷害、風險發(fā)生的同時，提高鍛煉效能，真正達到科學健身的目的。不僅為大眾提供更便捷、更高效、更精準的運動健身全過程服務，更對生命安全具有十分重要的意義。

1.2、基于物聯(lián)網技術的體育運動監(jiān)測系統(tǒng)設計的現實依據

（1）政策支持。

一直以來，國家對人們的健康予以高度重視，尤其是近幾年來，國家關于促進國民健康專門頒布制定了一系列的政策文件，例如，2016 年6 月，國務院印發(fā)的《全民健身計劃（2016-2020 年）》指出要充分利用互聯(lián)網、云計算、大數據、物聯(lián)網等現代信息技術手段推進全民健身活動的開展。2016 年10 月，中共中央、國務院印發(fā)的《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》充分明確了健康中國建設的重要性。2022 年3 月，國務院頒布了《關于構建更高水平的全民健身公共服務體系的意見》指出要強化資源集約利用和科技支撐，促進全民健身體制機制與供給方式的創(chuàng)新優(yōu)化。另外，國家還針對體育運動風險專門頒布制定了一系列的政策文件，例如，2015 年，教育部專門針對學校體育運動風險控制頒布了《學校體育運動風險防控暫行辦法》。與此同時，中共中央辦公廳、國務院辦公廳于2020 年所頒布的《關于全面加強和改進新時代學校體育工作的意見》再次對體育運動安全風險的控制進行了重點強調。這一系列的政策文件為基于物聯(lián)網技術設計體育運動監(jiān)測系統(tǒng)提供了足夠的政策支持。

（2）青少年體質健康持續(xù)下滑，迫切需求專屬的運動健康管理體系。

《中國居民營養(yǎng)與慢性病狀況報告(2020 年)》顯示，6-17歲的兒童青少年超重肥胖率接近20%，6 歲以下的兒童達到10%。發(fā)布于2018 年的《中國義務教育質量監(jiān)測報告》稱，全國近視眼人群中，中小學生預估超過1 億人。盡管我國教育部門通過每年開展青少年體質測評、將中招體育成績納入升學成績等措施，獲得了一定成效，但學生整體心肺功能仍然處于較低水平，速度、力量素質增長趨于停滯，缺乏體育鍛煉更導致很多學生存在脊柱側彎、高低肩、彎腰駝背等健康問題。由此可見，我國廣大青少年群體迫切需要高效、科學、安全的“運動與健康”智能化管理系統(tǒng)，在“體育運動風險監(jiān)控”的基礎上，實現精準化體育鍛煉指導，最終全面提升個體健康水平。

（3）家長普遍缺乏體育鍛煉以及運動風險防控知識與手段。

在“雙減”、體育成績納入升學等多重政策的推動下，廣大學生群體都需要積極參與各種強調的體育鍛煉。而近幾年來，我國多地、多校中小學生“猝死”現象的出現足以說明，學校部分教師以及廣大家長群體普遍缺乏體育運動的科學參與以及其風險防控知識與手段。因此，學校、家庭、社會三方都迫切需要運動智能技術產品的出現，為學生安全、科學地參加體育鍛煉保駕護航。

（4）人口老齡化社會，急需“生命安全保障”技術產品的出現。

人口老齡化逐漸成為我國重要的社會問題。因此，從宏觀角度上看，積極發(fā)展老年人體育是有效應對老齡化問題的有力舉措，受到了國家政府相關部門的高度重視。但老年人常見的“三高”等慢病問題，成為老年人在鍛煉過程中的巨大安全隱患，因此，社會急需“體育運動監(jiān)測”技術產品的出現，以對老年人參加體育鍛煉時的各項生理指標進行實時監(jiān)測，盡早發(fā)現其所存在的風險，提供科學的指導意見，每時每刻呵護老年人全生命周期。

（5）大眾運動與健康“數據孤島”，需要AI 智能技術實現高效整合與應用。

體育、教育、醫(yī)療、民政等各級各類單位每年都支出大量資金，開展國民體質監(jiān)測、體質檢測、體育加試等工作，所獲得的數據形成了“數據孤島”，沒有實現關聯(lián)性應用，出現極大的浪費。因此，急需行之有效的“互聯(lián)網+物聯(lián)網”以及AI 智能算法技術將其進行整合，不斷迭代科學的數據模型，實現數據的“集約化”應用，以全面提升大眾各類人群各類運動健康數據的應用效率，從而實現有效的運動風險監(jiān)控與預警，同時，深度挖掘其商業(yè)價值的應用領域。

（6）國內外相關研究匱乏，難以為運動風險的監(jiān)測與預防提供理論保障。

如今國內外針對運動者“生命保障”的運動風險監(jiān)控研究極其匱乏，特別是通過物聯(lián)網、數據算法模型等科技手段開展大眾運動風險測評、監(jiān)控、預警、干預的體系化研究成果基本處于空白狀態(tài)，且研究深度較淺，應用價值缺乏。因此基于物聯(lián)網等現代信息技術手段構建體育運動監(jiān)測系統(tǒng)具有空前的現實意義。

2、基于物聯(lián)網技術的體育運動監(jiān)測系統(tǒng)的設計

2.1、系統(tǒng)架構

本文基于物聯(lián)網技術所設計的體育運動監(jiān)測系統(tǒng)，主要是通過對運動者心率、血氧飽和度、呼吸頻率這三個與體育運動有關的生理指標進行實時監(jiān)測，以幫助人們在健身的過程中能夠對自身的運動強調進行及時了解與合理控制。另外，該體育運動監(jiān)測系統(tǒng)還能夠對人們的運動負荷進行評估，同時還具備體育運動預警功能，并能夠根據其所監(jiān)測的數據為人們提供科學的運動處方服務，以幫助人們在保證安全的前提下科學地參加體育鍛煉，從而幫助人們達到更加理想的鍛煉效果。整個系統(tǒng)包括感知層、傳輸層、應用層三個層次結構，具體如下：

感知層為整個系統(tǒng)的最底層，其中包含了很多傳感器節(jié)點，而且各個傳感器節(jié)點彼此間是獨立的，并不能實現相關數據的相互傳送。感知層能夠對運動者的心率、血氧飽和度、呼吸頻率這三個運動相關生理指標進行感知，并實時收集相關數據。其中，心率指標主要用于反映運動的強度，呼吸頻率指標主要用于反映運動者的運動負荷承受能力，血氧飽和度指標主要用于輔助運動者對運動量進行了解與控制。

傳輸層是整個系統(tǒng)的中間層，其主要功能在于將感知層獲取到的數據或者信息傳輸給應用層。該層的主體是ZigBee 網關，而ZigBee 網關則是由ZigBee 協(xié)調器和集成全硬件TCP/IP 協(xié)議棧以太網接口芯片構成，其中的ZigBee 協(xié)調器主要負責獲取感知層所收集的數據或者信息。

應用層是整個系統(tǒng)的最高層，主要包括手機、電腦、其他各種移動智能設備等用戶終端設備。本文基于物聯(lián)網所設計的體育運動監(jiān)測系統(tǒng)的應用層中，其用戶終端設備的使用者主要為參加體育鍛煉的人員、體育指導員、醫(yī)生等。本文所構建的體育運動監(jiān)測系統(tǒng)的應用層具有多方面的功能，具體包括體育運動實時監(jiān)測、運動負荷評估與預警、運動處方的制定等，也就是說，該系統(tǒng)的應用層主要通過對運動者在參加運動之前、之中以及之后的心率、血氧飽和度以及呼吸頻率等數據進行實時監(jiān)測，以對運動者的運動負荷進行監(jiān)控，進而為用戶終端設備使用者對運動者的運動情況進行分析與判斷提供依據，同時也可以為其提供科學的體育運動指導服務。

2.2、運動生理數據分析

運動負荷評估與預警服務指的是系統(tǒng)通過對運動者有關生理數據的分析來對其運動強度進行準確評估，如果出現運動者運動強度過大、運動量不足、體能恢復能力不足等問題時，系統(tǒng)就會及時預警。本文所設計的體育運動監(jiān)測系統(tǒng)主要通過運動者的呼吸頻率、血氧飽和度和心率這三個指標來判斷運動者的運動負荷大小。

當個體處于安靜狀態(tài)時，其呼吸頻率為12-20 次/min，但是當其處于劇烈運動狀態(tài)時，其呼吸頻率與呼吸幅度就會增加，呼吸頻率一般為30-40 次/min。對于只是想要通過體育鍛煉來增強自身體質的人而言，一般不適合參加過于劇烈的體育運動，而是只需要選擇一些對呼吸頻率影響不是很大的體育項目，通過適當的體育鍛煉來增強自身心肺功能。因此，如果個體呼吸頻率超過30 次/min，則可以認為其呼吸頻率過快，運動強度過大，此時就需要對當前運動者的運動強度進行有效控制。

正常情況下，人的血氧飽和度值為90%-100%，如果個體的血氧飽和度值低于90%，則為低氧血癥。通常情況下，當運動者的運動強度比較適宜時，其血氧飽和度值并不會產生很大的變化，但是如果其運動強度過大，則會降低血氧飽和度值，其身體會產生明顯的疲勞感。因此，本文以90%作為血氧飽和度值的評估標準，當運動者的血氧飽和度值低于90%時，則認為其運動強度過大，此時需要適當降低運動強度。

通過運動者的心率來對運動負荷進行評估。首先，從系統(tǒng)所獲取的心率數據中獲取最小值與最大值，其中最小值代表的是靜息心率，也就是人在安靜狀態(tài)下的心率，最大值代表的是人在運動狀態(tài)下的最高心率。由于系統(tǒng)在進行數據采集的過程中，通常是間隔相同的時間進行，例如10s 采集一次數據，因此，本文將數據采集過程中出現心率最大值之后一分鐘時的心率數據作為恢復心率，最終確定出靜息心率、最高心率與恢復心率。之后，可以通過貯備心率百分比法來計算靶心率范圍，在該心率范圍內，運動者的運動強度適宜，運動安全性較高，而且其體育鍛煉效果也比較明顯。靶心率范圍的計算公式為：靶心率范圍＝（L－P）×貯備心率百分比＋P，其中L ＝220－實際年齡，L 表示最大心率，P 表示靜息心率，貯備心率百分比與運動強度之間有著密切的聯(lián)系，當運動強度為E（輕松跑區(qū)間）時，貯備心率百分比為59%-74%，運動強度為M（馬拉松配速區(qū)間）時，貯備心率百分比為74%-84%，運動強度為T（乳酸閾值區(qū)間）時，貯備心率百分比為84%-88%，運動強度為A（無氧耐力區(qū)間）時，貯備心率百分比為88%-95%，運動強度為I（最大攝氧區(qū)間）時，貯備心率百分比為95%-100%，運動強度為R（爆發(fā)力訓練區(qū)間）時，不考慮心率。之后再通過最大心率與靶心率范圍的比較來評估運動者的運動負荷。另外，恢復心率的評估標準可以確定為≥120次/min。

3、運動處方

運動處方指的是根據運動者的年齡、性別、健康狀況等基本信息，通過處方的形式對運動者的運動種類、運動強度、運動時間、運動頻率以及相關注意事項進行合理安排。本文基于物聯(lián)網技術所設計的體育運動監(jiān)測系統(tǒng)中所包含的運動處方服務指的是體育指導員、醫(yī)生等用戶根據系統(tǒng)所獲取的關于運動者的生理數據，充分利用自身的專業(yè)知識為運動者制定出具有針對性、個性化與科學性的運動處方，以幫助運動者規(guī)避運動風險，并爭取達到最佳的鍛煉效果。具體而言，可以根據運動者的目的、愛好、年齡等情況選擇相應的運動種類，根據運動者的有關生理數據特別是靶心率來選擇相應的運動強度，根據一些基本的參考信息以及運動強度來合理安排適宜的運動時間與運動頻率，如果運動強度較大，可以適當減少運動時間與運動頻率，如果運動強度較小，則可以適當增加運動時間與運動頻率。另外，由于不同的個體在健康狀況、運動目的、體能基礎等方面存在一定的差異性，因此，在制定運動處方時，需要結合運動者的多方面具體情況填寫相應的注意事項。

除此之外，該系統(tǒng)的運動處方服務還包括當出現預警時如何對運動處方進行調整方面的服務。在對運動處方進行重新制定或者調整之前，需要先結合各項運動負荷評估指標的數值來判斷其運動強度的適宜性，之后根據運動者的運動強度評估結果來對運動處方內容進行適當的調整。如果最高心率＞靶心率最大值，呼吸頻率≥30 次/min，血氧飽和度≤90%，則說明運動強度過大，此時可以適當調整運動種類，適當降低靶心率、運動時間與運動頻率；如果靶心率最小值＜最高心率＜靶心率最大值，呼吸頻率＜30 次/min，血氧飽和度＞90%，則說明運動強度適宜，此時不需要對運動處方內容進行明顯調整；如果最高心率＜靶心率最小值，則說明運動量不足，此時可以適當調整運動種類，提高靶心率，保持或者適當增加運動時間與運動頻率；如果恢復心率≥120 次/min，則說明心臟恢復能力不足，此時可以保持原來的運動種類，也可以適當增加恢復性訓練運動，保持原來的靶心率，適當增加運動時間與運動頻率。關于注意事項的調整并沒有固定標準，而是應該做到因人而異。

4、總結

本文基于物聯(lián)網技術所設計的體育運動監(jiān)測系統(tǒng)通過對心率、血氧、呼吸三個運動相關生理數據的采集來對運動者的運動狀態(tài)進行實時監(jiān)測，有利于更好地把控運動者的運動強度。同時系統(tǒng)中所包含的運動負荷預警與運動處方服務都能夠幫助運動者安全且高效地進行體育鍛煉。但是本系統(tǒng)只是對心率、血氧、呼吸這三個生理數據進行采集，仍然不能夠全面地反映出運動者的運動狀態(tài)，仍然不夠完善，因此有待進一步改進。