人工智能賦能體育館實時監(jiān)測與智控優(yōu)化設計

摘 要：借助當前國家提出的《2023群眾體育工作要點》強化政策落實，科學規(guī)劃，布局前瞻引領型、戰(zhàn)略導向型、應用支撐型重大科技基礎設施，構建一座基于ESP32芯片與阿里云的智慧體育館，以人工智能賦能體育館實時監(jiān)測與智控優(yōu)化設計。采用ESP32開發(fā)板、光敏傳感器、煙霧與空氣質(zhì)量傳感器等，通過實驗法與定量分析法對系統(tǒng)進行調(diào)試，基于Visual Studio Code平臺實現(xiàn)對場館內(nèi)部溫濕度、光照強度、空氣質(zhì)量等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，若室內(nèi)環(huán)境參數(shù)超出設定范圍，系統(tǒng)即控制繼電器調(diào)節(jié)相應設備，同時可通過移動端APP遠程查看與操控，實現(xiàn)系統(tǒng)雙重控制。系統(tǒng)結合云平臺與物聯(lián)網(wǎng)技術，有效節(jié)省了人力物力財力，保障了體育場館環(huán)境的安全，同時成功實現(xiàn)了優(yōu)化體育參與人群運動環(huán)境與加強場館防火安全等目標。通過自動與移動遠程雙重系統(tǒng)控制環(huán)境參數(shù)，自動調(diào)節(jié)，達到最優(yōu)空氣環(huán)境質(zhì)量與運動最適光線強度，提高使用體育場館人群的運動舒適度，為體育的推廣與運動參與率的提高做出一定貢獻。

關鍵詞：人工智能；物聯(lián)網(wǎng)技術；體育館環(huán)境監(jiān)測；環(huán)境調(diào)節(jié)；ESP32模塊；云平臺

中圖分類號：TP399；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-00-05

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）以互聯(lián)網(wǎng)為基礎，通過智能感知、識別與數(shù)據(jù)處理等方式，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的延伸、應用與創(chuàng)新，以及智能化管理[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，人們對實現(xiàn)活動場所智能化的需求愈加緊迫，物聯(lián)網(wǎng)技術在各領域的應用變得更加智能、靈活，跨行業(yè)技術的結合有效促進了建筑等傳統(tǒng)行業(yè)向智慧化轉變。

早在2008年北京奧運會時智慧體育館的理念就已被提出，這既是體育運動現(xiàn)代化發(fā)展的選擇，也是深化科技創(chuàng)新的選擇。加大建設智能化體育館能夠更好地滿足國民對體育運動的需求、體育競技對場地的需求[2]。大眾對體育館的要求不斷提高，不僅體現(xiàn)在體育設施的種類方面，更體現(xiàn)在體育館的功能、場地方面[3]。

但是，由于體育場館具有建筑空間大、人員密集、功能和形式多樣等特點，火災風險較高，因此對明火與煙霧的有效檢測是智慧體育場館建設的重要項目，同時也對本系統(tǒng)實現(xiàn)體育場館的智慧化轉型提出了要求[4]。另外，傳統(tǒng)體育館也存在照明不合理的問題，因此在完善照明設施方面，本系統(tǒng)可根據(jù)場內(nèi)實時亮度自動調(diào)節(jié)LED亮度，不僅能滿足規(guī)范要求，同時也可以滿足舒適度要求。除了考慮運動員、裁判員正常訓練、比賽和評判時的正常照明需求，還要求系統(tǒng)具備合適的眩光值，使運動員在比賽時不會因為眩光效應而發(fā)揮失常，觀眾不會因為眩光而錯過精彩瞬間[5]。

目前物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)被應用于交通、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療與教育等領域[1]。以體育與物聯(lián)網(wǎng)結合為例，文獻[6]探討了物聯(lián)網(wǎng)技術在體育場館方面的應用與管理，文獻[7]論述了物聯(lián)網(wǎng)技術在學生體質(zhì)健康監(jiān)測領域的實現(xiàn)途徑與發(fā)展方向，文獻[8]則對物聯(lián)網(wǎng)技術運用于賽事籌備與管理等方面進行了探索。在體育領域，人工智能已被廣泛應用到全民健身、學校體育、競技體育以及體育產(chǎn)業(yè)等方面[9]，對體育場館的智慧化轉型產(chǎn)生了重要的技術驅動作用[10]。

目前，大多數(shù)智慧體育場館建筑可利用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術對場館內(nèi)的水、電、氣、熱等能耗數(shù)據(jù)進行實時采集、記錄和分析，實現(xiàn)了建筑能耗監(jiān)測管理的可視化，從而通過優(yōu)化資源配置實現(xiàn)場館的綠色低碳運營[9]。物聯(lián)網(wǎng)技術的有效運用也有助于提高體育場館服務的智慧化水平，物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信[11]，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能[12]。

本系統(tǒng)旨在打造一座智慧體育場館，即擁有以數(shù)字平臺為核心且具有全面感知、泛在互聯(lián)、綜合分析、輔助決策和智能控制等功能的基礎設施，能夠體現(xiàn)專業(yè)、便利、安全和節(jié)能環(huán)保等特點的體育場館[13]。

1 硬件系統(tǒng)設計方案

1.1 系統(tǒng)主體簡介

該系統(tǒng)由ESP32開發(fā)板、氣體傳感器、OLED顯示屏、蜂鳴器、DHT11溫濕度傳感器、光敏傳感器、繼電器等器件組成。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。由多個傳感器采集模塊對體育場館中的溫濕度、二氧化碳體積分數(shù)、光照強度等環(huán)境數(shù)據(jù)進行感知采集，經(jīng)過主控模塊對參數(shù)進行分析加工后，數(shù)據(jù)會實時顯示在屏幕上；同時記錄的數(shù)據(jù)也會上傳至云端，在芯片聯(lián)網(wǎng)的條件下可以通過點燈（blinker）APP遠程查看場館內(nèi)的情況。

當系統(tǒng)檢測到室內(nèi)溫濕度超出舒適范圍時可自動控制繼電器打開或關閉加濕器、空調(diào)，同時也可通過移動端設備進行遠程控制，使室內(nèi)環(huán)境始終處于適宜人體運動的狀態(tài)；當光敏傳感器檢測到室內(nèi)的光照強度過大或過小時，會自動控制LED燈調(diào)節(jié)亮度，以利于保護運動員和觀眾的視力。場館內(nèi)的空氣質(zhì)量對于身處其中的人群的健康有一定影響，本研究的重點在于監(jiān)控場館內(nèi)的二氧化碳體積分數(shù)與總揮發(fā)性有機化合物（TVOC）含量，以提醒管理者及時采取通風措施，如開啟空調(diào)等，保障空氣質(zhì)量；另外出于安全考慮，本系統(tǒng)配備有煙霧與火焰?zhèn)鞲衅?，當場館內(nèi)出現(xiàn)明火或煙霧時，能夠準確感知并自動觸發(fā)警報，有效預防火災的發(fā)生，確保場館內(nèi)人員的生命安全。

1.2 硬件電路設計

本研究中，在進行正式的數(shù)據(jù)檢測前，需要對各傳感器模塊進行初步模擬，并設定傳感器相關參數(shù)。例如光敏傳感器，初始調(diào)試時，感受到的光照強度越大則輸出的模擬量越小，光照強度越小輸出的模擬量越大（最大模擬量是4 095。在亮光條件下，數(shù)字量為0，指示燈亮；在暗光條件下，數(shù)字量為1，指示燈滅）。

傳感器模塊的有效運用，可以為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供準確的反饋與數(shù)據(jù)支持。傳感器作為一種參數(shù)檢測裝置，能夠采集并輸出數(shù)據(jù)。本文電路中的氣體檢測模塊、光敏傳感器、LED顯示屏等器件都與ESP32主控芯片連接，主控模塊通過USB口供電，另一端與PC上位機連接后實現(xiàn)供電與信息傳輸功能，各模塊將采集到的信息實時傳輸至控制器進行處理。

針對本系統(tǒng)各模塊的硬件電路連接要求，設置的各電路引腳如下：

#defineDHTPIN25//定義溫濕度傳感器

#defineDHTTYPEDHT11//溫濕度傳感器的型號為DHT11

#defineSDA21//定義OLED引腳 SDA -gt;GPIO21

#defineSCL22//定義OLED引腳 SCL -gt;GPIO22

voidGPIO_Init（）

{pinMode（2，OUTPUT）;//開發(fā)板上的LED燈

pinMode（23，OUTPUT）;//蜂鳴器

pinMode（26，OUTPUT）;//室內(nèi)燈光

pinMode（18，INPUT）;//煙霧傳感器

pinMode（19，INPUT）;//火焰?zhèn)鞲衅?/p>

pinMode（34，INPUT）;//光敏傳感器

pinMode（35，INPUT）;//聲音傳感器

pinMode（16，OUTPUT）;//空調(diào)

pinMode（17，OUTPUT）;}//加濕器

1.3 硬件功能實現(xiàn)

硬件功能實現(xiàn)包括對硬件電路模塊的搭建、與云平臺通信、系統(tǒng)功能設計與后續(xù)調(diào)試分析等。為系統(tǒng)通電、燒錄代碼后，與上位機連接同一無線網(wǎng)絡便可成功在電子屏與移動端APP上顯示時間、二氧化碳體積分數(shù)、溫濕度與聯(lián)網(wǎng)標志。硬件部分顯示效果如圖2所示。

本系統(tǒng)采用了多個獨立元件，由于元件數(shù)量較多，將溫濕度檢測傳感器、空氣質(zhì)量檢測傳感器、主控芯片、顯示屏等器件進行集成，在面包板背部進行連接走線，打造的集成模塊不僅外觀整潔，還具有較高的相互獨立性，若后期某元件意外受損，不會影響其他部件的正常運行，方便進行故障定位與維修。

2 軟件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 移動端功能展示

本方案設計使用VisualStudioCode編譯器與 platformio插件進行編程，成功實現(xiàn)如下功能：與移動端熱點連接后，由主控芯片將各傳感器感知、采集的數(shù)據(jù)上傳至阿里云，經(jīng)blinker網(wǎng)絡服務器傳輸，由blinker移動端APP接收或發(fā)送。當室內(nèi)溫濕度、光照強度超出設定的閾值范圍時，系統(tǒng)可自動控制繼電器進而操作電器開關，開啟或關閉空調(diào)、加濕器與室內(nèi)燈具。blinker APP同樣可實現(xiàn)控制功能，自動調(diào)節(jié)空氣環(huán)境質(zhì)量與光照強度。另外，本系統(tǒng)還包含有煙霧傳感器與明火檢測傳感器，當檢測到有火情出現(xiàn)時系統(tǒng)將在第一時間自動報警，保證體育場館的安全。同時，也可以在移動端查看館內(nèi)的溫濕度、二氧化碳體積分數(shù)與TVOC等參數(shù)在最近1 h、1天與1周的變化情況，以二維坐標的曲線圖形式顯示，作為近期環(huán)境情況的監(jiān)測記錄。系統(tǒng)通過對連續(xù)性變量的長期存儲實現(xiàn)了對有效信息的深度挖掘，通過觀察數(shù)據(jù)走向與起伏趨勢，參考參數(shù)變化與實際調(diào)整情況，可推測出不同時段的環(huán)境參數(shù)特征，并由此得出不同時間段應設定的最適溫濕度、光照強度等范圍。軟件操作流程如圖3所示。

2.2 軟件系統(tǒng)介紹

2.2.1 移動端主界面實現(xiàn)

該設計的主界面添加有Debug控件、數(shù)字與文本控件、按鍵控件等?？梢酝ㄟ^頂部3個按鍵分別控制空調(diào)、加濕器與LED燈的開關，“Monitor”模塊會實時顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)與繼電器控制下位機的狀態(tài)，8個館內(nèi)情況的二氧化碳體積分數(shù)、TVOC體積分數(shù)等測量結果會直觀地顯示在各圖形后，可通過查看曲線圖獲悉近期館內(nèi)空氣質(zhì)量與溫濕度等的變化情況。移動端界面設計如圖4所示。

以button1按鍵為例，按下控件后會啟動button1_callback回調(diào)函數(shù)，該函數(shù)會判斷控件的實時屬性，確認其控制的繼電器狀態(tài)（開/關）并反饋給上位機，代碼中定義與綁定涉及的函數(shù)如下：

//新建組件對象，對應APP上的1個對象

BlinkerButtonButton1（\"btn-abc\"）;//按鍵組件

BlinkerButtonButton2（\"btn-3nd\"）;//空調(diào)組件

BlinkerButtonButton3（\"btn-u1p\"）;//加濕器組件

voidbutton1_callback（constStringamp;state）

//按下按鍵即會執(zhí)行該函數(shù)

{BLINKER_LOG（\"getbuttonstate：\"，state）;

if （state==\"on\"）

{digitalWrite（LED_BUILTIN，HIGH）;

LED_state=1;

Button1.print（\"on\"）;}//反饋開關狀態(tài)

elseif （state==\"off\"）

{digitalWrite（LED_BUILTIN，LOW）;

LED_state=0;

Button1.print（\"off\"）;}}//反饋開關狀態(tài)

移動端的數(shù)字組件功能設計：傳感器感知、測量環(huán)境中的數(shù)據(jù)后，由組件將數(shù)據(jù)返回。實現(xiàn)該功能的代碼如下：

BlinkerNumberTEMP（\"num-kon\"）;//溫度組件

BlinkerNumberHUMI（\"num-ebi\"）;//濕度組件

BlinkerNumberSound（\"num-qly\"）;//聲音組件

BlinkerNumberGuangmin（\"num-845\"）;//光敏組件

BlinkerNumberCO2（\"num-9t2\"）;//二氧化碳體積分數(shù)組件

BlinkerNumberTVOC（\"num-a2d\"）;//TVOC體積分數(shù)組件

voidheartbeat（）//回傳數(shù)據(jù)給APP組件

{TEMP.print（Temp_read）;

HUMI.print（Humi_read）;

Sound.print（Sound_count）;

Guangmin.print（Guangmin_count）;

CO2.print（CO2_vlaue）;

TVOC.print（TVOC_vlaue）;}

2.2.2 空氣質(zhì)量監(jiān)測實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用SGP30氣體傳感器模塊對場館內(nèi)揮發(fā)性有機化合物與二氧化碳的體積分數(shù)進行測量。在blinker移動端APP上設置數(shù)字顯示組件，分別對應二氧化碳體積分數(shù)與TVOC體積分數(shù)。

在系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲模塊中定義“Blinker.dataStorage（\"num-9t2\"，CO2_vlaue）”與“Blinker.dataStorage（\"num-a2d\"，TVOC_vlaue）”分別為二氧化碳體積分數(shù)與TVOC體積分數(shù)，并由voiddataStorage（）數(shù)組將數(shù)據(jù)上傳至云端，在移動端聯(lián)網(wǎng)即可查看實時數(shù)據(jù)與近1 h、1天與1周的數(shù)據(jù)變化趨勢。

另外定義SGP30函數(shù)為空氣質(zhì)量檢測函數(shù)，用于回傳數(shù)據(jù)，實現(xiàn)該功能的代碼如下：

voidSGP30（）

{intcounter=0;

if（！sgp.IAQmeasure（））

{Serial.println（\"Measurementfailed\"）;

return;}

Serial.print（\"TVOC\"）;

Serial.print（sgp.TVOC）;

Serial.print（\"ppb＼t\"）;

Serial.print（\"eCO2\"）;

Serial.print（sgp.eCO2）;

Serial.println（\"ppm\"）;

CO2_vlaue =sgp.eCO2;

TVOC_vlaue =sgp.TVOC;

if（！ sgp.IAQmeasureRaw（））

{Serial.println（\"RawMeasurementfailed\"）;

return;}

Serial.print（\"RawH2\"）;

Serial.print（sgp.rawH2）;

Serial.print（\"＼t\"）;

Serial.print（\"RawEthanol\"）;

Serial.print（sgp.rawEthanol）;

Serial.println（\"\"）;

delay（1000）;

counter++;

if （counter==30）

{counter=0;

uint16_tTVOC_base，eCO2_base;

if（！sgp.getIAQBaseline（amp;eCO2_base，amp;TVOC_base））

{Serial.println（\"Failedtogetbaselinereadings\"）;

return;}

Serial.print（\"****Baselinevalues：eCO2：0x\"）;

Serial.print（eCO2_base，HEX）;

Serial.print（\"amp;TVOC：0x\"）;

Serial.println（TVOC_base，HEX）;}}

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1 主控實現(xiàn)流程

在對本系統(tǒng)設計中代碼進行調(diào)試后，將代碼燒錄至主控芯片，系統(tǒng)初始化完成后采集環(huán)境數(shù)據(jù)，與上位機串口通信，然后檢測是否存在異常。若不存在異常，則系統(tǒng)結束此次工作；若存在異常，則系統(tǒng)進行智能調(diào)節(jié)后結束運行。主控模塊流程如圖5所示。

3.2 移動端控制實現(xiàn)

本系統(tǒng)在主界面設計有多個按鍵控件、文本控件、Debug控件等。通過改變按鍵控件的text屬性來為用戶直觀展示2個按鍵的功能，按鍵控件的功能通過編輯控件的回調(diào)函數(shù)來實現(xiàn)。移動端開關控制如圖6所示。

當按下按鍵控件，會進入button1_callback回調(diào)函數(shù)，進行控件屬性的判斷，決定所控制的繼電器開關狀態(tài)，并反饋組件的狀態(tài)。共設計了3個按鍵控件，它們分別是LED燈、空調(diào)與加濕器的開關，可在手機端操作以實現(xiàn)對場館內(nèi)硬件的控制。

3.3 數(shù)據(jù)記錄存儲

在blinker移動端還可以查看近期的溫度、濕度等數(shù)據(jù)記錄，也可自主選擇周期為最近1 h、1天或1周，對連續(xù)型變量的長期存儲可為工作人員提供往期數(shù)據(jù)的記錄與變化，對數(shù)據(jù)提取分析后進行深度挖掘，可得出近一段時間的環(huán)境參數(shù)變化趨勢與最佳調(diào)節(jié)范圍，為工作人員提供參考，便于其在合適的時間調(diào)節(jié)館內(nèi)環(huán)境參數(shù)，提升系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)水平。保存的數(shù)據(jù)以線形圖表的方式顯示。環(huán)境數(shù)據(jù)采集記錄如圖7所示。

4 結 語

本文設計了一款借助物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)體育場館智慧化轉型的系統(tǒng)。硬件部分采用ESP32與空氣質(zhì)量、溫濕度、煙霧、明火檢測等傳感器模塊，同步開發(fā)了體育館管理端APP，并設計了智能優(yōu)化算法，以人工智能賦能體育館實時監(jiān)測與智控優(yōu)化設計，實時監(jiān)測場內(nèi)環(huán)境并做出有效應對，實現(xiàn)館內(nèi)裝置自行監(jiān)測調(diào)控與blinker移動端遠程查看與控制。我們要積極響應國家號召，科學規(guī)劃布局前瞻引領型、戰(zhàn)略導向型、應用支撐型重大科技基礎設施，打好科技儀器設備、操作系統(tǒng)和基礎軟件國產(chǎn)化攻堅戰(zhàn)，提升國產(chǎn)化替代水平和應用規(guī)模。

本系統(tǒng)在傳統(tǒng)體育館的基礎上進行了創(chuàng)新，針對目前體育場館環(huán)境、場地管理等方面存在的問題而設計。結合云平臺與物聯(lián)網(wǎng)技術，本系統(tǒng)不僅能夠有效節(jié)省人力物力財力，保障體育場館環(huán)境的安全，還能夠優(yōu)化體育館的運動環(huán)境，為體育活動的推廣與運動參與率的提高做出一定貢獻。

注：本文通訊作者為辛瀚。

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[13]體育總局.體育總局關于印發(fā)《“十四五”體育發(fā)展規(guī)劃》的通知[EB/OL]. https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-10/26/content_5644891.htm.

作者簡介：劉佩佩（1999—），女，在讀碩士研究生，研究方向為體育管理學。

朱邱晗（1990—），女，博士，副教授，研究方向為體育社會學。

辛 瀚（1998—），男，在讀碩士研究生，研究方向為體育社會學。

收稿日期：2023-05-08 修回日期：2023-08-07