0 前言

體育健身器材產業是體育產業的重要組成部分，目前，我國健身器材產品設計開發主要以模仿國外同類產品為主，在自主創新道路上前進緩慢，加之世界范圍內健身器材產品的革新尚未出現，產品同質化嚴重，己難以適應當今網絡化、信息化、智能化的產品設計需求，這也成為我國健身器材產業急需解決的難題。

在現代化社會生活中，以數字網絡化服務為基礎的智能手機、平板、手表等便攜式智能設備被廣泛應用，基于網絡的產品應用服務也更加強調了與智能設備和可穿戴設備的融合，網絡服務與現實生活聯系更為緊密，服務的內容也更為精細化。這些領域的創新發展給物聯網技術的應用提供了更為成熟的環境。物聯網可以延伸和擴展到多個與體育相關領域中，特別適用于未來數字化體育健身服務系統的構建，動感單車作為常用的健身設備，在體育健身中扮演了重要的角色，在物聯網滲入社會和生活方方面面的同時，基于物聯網技術的數字動感單車的研發己成為我國學者亟待攻關的課題。

1 物聯網健身器材概述

物聯網作為新一代的網絡服務技術，也具有其獨有的特征，即感知化、互聯化和智能化（圖1）。互聯化特征體現在其依托于現代網絡的快速發展，利用有線和無線網絡可以將物的感知，延伸到人類生活的多個角落，通過網絡的覆蓋給物與物的交互提供了信息傳輸途徑;感知化特征是利用傳感器技術和傳感網絡技術，使連接到物聯網內的“物”擁有了自己的感知器官，使其能夠感受外界環境的變化從而做出合理的反應;智能化特征，是在數據感知和傳輸實現的基礎上，利用超級計算機和云計算系統對數據進行挖掘與計算后結果的反饋。

物聯網健身器材是物聯網技術在健身器材設計領域應用的產物，通過物聯網技術的特征和健身器材的本質，從“功用定義”的角度將物聯網健身器材定義為：物聯網健身器材是通過自動感知、數字通信、人機交互、智能處理等物聯網技術的利用，實現人與器材、器材與器材之間智能化識別、交互和信息服務的一種智能健身工具。物聯網健身器材，主要為實現健身用戶與健身服務的融合，將科學的健身服務資源提供給更多的線下人群共享，不僅突破健身服務的區域限制和時間限制，而且擴展了健身器材的多種功能（圖2）。

2 物聯網數字動感單車的設計目標

基于物聯網技術的數字動感單車設計目標是利用物聯網技術，將動感單車與專業的健身服務資源實時地銜接起來，實現多方面的資源整合，為健身人群、社交媒體、數字游戲開發商、健身服務提供商等提供交互接口。物聯網數字動感單車將個人的健身數據通過終端軟件實時地進行采集和傳輸，實現基于物聯網模式的海量健身數據存儲與處理，通過服務器端的數據分析計算給不同健身人群提供相應的健身服務方案，并實現數字動感單車的自動反饋控制，最終實現健身服務的個性化定制服務模式（圖3）。

3 硬件設計

3.1 多模式身份自動識別系統

物聯網動感單車的身份自動識別功能是為區別不同的健身用戶，以實現各類服務軟件的自動登入。用戶身份的快速識別是用戶健身數據傳輸和個性化健身服務提供的基礎。身份識別技術目前可通過二維碼、RFID、NFC、藍牙等技術實現，不同身份識別技術在技術和可行性上都具有優勢，但是在一些環境中也有其弊端，比如在健身房中，動感單車的使用間隔更加縮短，用戶如果使用自有的智能設備，容易發生丟失且影響健身體驗，而如果使用已經安置好的智能設備，則必須有用戶間的相互替換，如果在這一階段使用傳統的手動輸入方式，必然影響用戶的健身流暢性。因此，在物聯網動感單車設計中應采用多模式自動識別系統（圖4），不僅能夠完善對于現有智能設備的支持，也擴大了其他輔助身份識別模式。輔助裝置采用智能卡識別子系統，可以看作是對智能設備的輔助，智能卡模式是面向健身房、社區健身園區等多用戶、多器材健身環境而設計。

3.2 數據采集系統的設計

數據采集系統作為智能動感單車感知層前端載體，是數據采集和獲取的重要渠道，傳感器無疑是能夠滿足物聯網數字動感單車對各種信息感知需求的主要工具。數據采集系統包括：

（1）體重采集系統。物聯網動感單車設計中體重采集裝置是物聯網功能實現的必要元件之一。在實現方式上，主要通過傳感器在動感單車車輪部署，通過智能光電式傳感器的在物聯網車輪中的集成，用戶的體重數據可以實時地上傳給客戶端。

（2）心率采集系統。心率作為血液循環機能的重要生理指標在運動健身相關研究中被廣泛地應用。根據運動心率變化曲線來確定用戶健身過程的目標心率，更具科學性和可參照性。運動后心率的恢復又可作為評定用戶負荷適宜與否以及心臟機能狀態的指標和依據。

（3）能耗采集系統設計。利用外接基于加速度傳感器的運動傳感器，可以量化測量體力活動消耗，把傳感器固定在用戶身體上，就能夠感應到肢體或軀干的運動或加速度狀況。通過短距離輸送技術，可以實時傳送用戶運動狀況的數據至用戶智能設備的客戶端。

（4）手部動作識別系統。多維化設計是物聯網數字動感單車的重要設計，傳統動感單車只有一維的運動方向，通過加入左右手動作光點傳感器，可將動感單車的動作提升至兩維，讓動感單車不僅可以實現單向的識別，也可以識別左右，更加提高動感單車相關應用軟件的娛樂性和互動性。

（5）安全感知系統。紅外數據采集的功能是判斷用戶使用安全的重要措施，同時紅外數據可以作為判斷用戶是否離開的依據，人體是非常敏感的紅外探測源，人體在動感單車進行運動時，車身長度限制了其運動的范圍，而紅外探測的有效距離遠遠高出這一范圍，通過一些相應的模型建立，可以有效地探知人體在運動時一些簡單的摔倒和離開動作，真正實現動感單車的自動感知。

（6）運行數據采集系統。用戶通過智能設備操作將控制命令傳導至中央控制板，數據經解析后傳遞給下控板并完成對升降機和驅動馬達的控制，下控板在獲取升降機和馬達的數據后，將信息傳回人機交互界面。通過動感單車的運動時長、騎行里程、速度變化、坡度變化等多項數據，可以方便地對用戶的能量消耗、運動強度、運動頻率等進行計算，

從而實現對用戶健身過程的監測。

（7）環境和位置數據采集系統設計。通過在物聯網健身器材中植入溫度、濕度、GPS等智能傳感監測元件，可以快捷地收集活動健身場所的環境數據，例如近來備受關注的PM 2.5數據的監測、氧氣含量的數據都可以在物聯網健身器材中實現監測。

3.3 自動控制系統

自動控制同樣是當今物聯網研究領域的重要研究方向，對于物聯網動感單車設計而言，其自身具有獨特的使用特點。動感單車因其操作方式較為多樣化，且具有獨立的中控面板，較為適合自動控制系統的嵌入，且對于物聯網動感單車實現自動控制有以下幾點優勢。

首先，利用自動控制系統可以幫助健身用戶自動運行動感單車騎行模式，降低操作難度并節約操作時間。

其次，自動控制系統能夠準確地記錄健身用戶的運動強度與運動量，防止用戶只選擇不運動的狀況出現。

第三，是對于個性化運動處方的支持，通過物聯網，健身用戶可以獲得由健身服務提供者開具的運動處方，對于單獨選擇動感單車健身的用戶，基于個性化的運動處方實現對動感單車的自動控制將會大大提高動感單車的鍛煉效果。

4 數字動感單車的支持軟件設計

4.1 基于平臺的數字動感單車數據管理系統設計

物聯網動感單車數據管理系統是基于物聯網，以云計算技術為后臺支撐的信息管理系統。系統在使用J2EE技術平臺的基礎上，利用Java的跨平臺特性，獨立于硬件配置和操作系統，保證系統平臺的靈活性、可移植性和互操作性。系統總體架構，采用了分布式的設計，各個子系統的業務相互獨立，采用接口的形式進行調用，防止出現一個子系統的升級，牽涉到整個系統的升級，降低了升級的錯誤率。每個子系統都采用了MVC設計模型，將前臺的數據展示與業務邏輯處理分離，便于后期的維護。利用成熟的Spring、myba tis等技術進行業務邏輯與數據存儲的處理，加強了軟件復用度，縮短了開發的開發周期。采用SOA組件模型，各個子系統的關鍵功能單元的調用以WebService方式實現，接口實現技術統一采用REST技術，保證系統各部件之間調用的低耦合度。廣泛采用Web2.0界面技術，引入先進強大的工作流引擎，使用大規模、高可用、高并發數據庫引擎，實現了系統的高可靠性、高穩定性、高安全性和高擴展性，為本項目的研究提供了良好的支撐條件。物聯網動感單車數據管理系統涉及多種類型的健身資源，滿足不同健身服務的需求。主要系統設計如下：

（1）用戶信息管理系統。用戶管理負責對系統所有用戶的管理，包括普通健身用戶管理、指導人員用戶管理、系統操作用戶管理等子系統。

（2）動感單車信息管理系統。動感單車信息管理系統負責動感單車基本信息的管理，包括類別特征管理、控制代碼管理、使用指導信息管理子系統。

（3）健身數據管理系統。健身數據管理系統負責對用戶的健身信息進行管理。包括健身數據采集管理、處方信息管理、綜合數據信息管理、擴展信息管理等子系統。

（4）服務質量管理系統。服務質量管理系統負責對健身服務產品進行監督。包括服務產品審核管理、產品質量評價管理、產品銷售統計管理等子系統。

（5）CRM客戶管理系統。CRM客戶關系管理系統負責對接入健身物聯網的動感單車用戶信息進行管理。

4.2 客戶端的設計

客戶端是各類物聯網服務系統不可缺失的設計，在物聯網動感單車的網絡健身服務模式中，客戶端作為人機交互的重要入口，是實現物聯網健身服務模式的重要環節。物聯網動感單車客戶端能夠實現對使用物聯網健身器材用戶鍛煉信息的實時監測顯示，并通過健身云服務平臺向用戶提供鍛煉指導、運動處方推薦、健身服務產品供給等功能（見圖6）。

（1）用戶登錄驗證。客戶端軟件登錄方式的多樣性，既能通過傳統的方式進行注冊登錄，又可以通過ShareSDK等較為流行且安全的應用開發技術實現QQ、MSN、新浪微博等第三方接口信息認證并登錄客戶端，實現使用的便捷性。

（2）用戶健身檔案管理。會員基本信息獲取時，客戶端需要傳入會員ID和密碼，供服務端進行登錄驗證。會員通過在客戶端填寫個人的數據，建立個人數字檔案，從而獲取更為個性化的健身服務推薦，會員在登錄后可以按照操作填寫個人數據，包括基礎信息、生活習慣和社會因素等信息。儲存到云端用戶信息數據庫，可供健身服務提供人員和相關推薦系統利用。

（3）動感單車控制。通過開發智能設備的應用客戶端，可以實現客戶端與服務器端的數據傳輸，使用REST技術通過客戶端POST的方式，將客戶端數據存入JSON中，調用服務端的REST接口;服務端對傳過來的JSON數據進行解析，對用戶信息進行驗證，并對業務數據進行提取，將處理結果返回給客戶端，從而組成“設備——客戶端——服務端”的數據雙向傳輸路線。

（4）健身服務控制。為提高遠程健身服務的效果和質量，用戶可以利用客戶端給處方進行評價，會員對處方進行評價時，客戶端需要傳入會員ID和密碼，供服務端進行登錄驗證后將評價數據存入服務評價數據庫。

（5）個性化運動處方推薦。物聯網動感單車的健身服務系統通過對動感單車使用人群健身數據的分析，實現對健身用戶個性化健身處方的制定。但由于健身服務平臺的開放模式，所需服務的人群流量巨大，后臺健身服務指導者在線編輯運動處方的時效性差，而且對于同類用戶運動處方可以重復利用。個性化運動處方推薦是在后臺數據量較為龐大的假設基礎上進行，它不同于傳統的基于知識庫的推薦方式，需要完善基于用戶個體數據形似度匹配的混合推薦方法的應用。

5 結論

將物聯網技術應用到數字動感單車設計中，不僅能夠豐富我國健身器材產品，提高健身服務水平和實用性，而且能夠滿足廣大人民群眾日益增長的多元化、多層次的健身需求，具有良好的社會效應和市場發展前景。物聯網數字動感單車的設計不僅兼顧了傳統數字動感單車的優點，同時利用傳感器技術、嵌入式技術和自動感知技術，使物聯網動感單車成為一種時尚且具有現代化氣息的健身工具，給其他類型物聯網健身器材的硬件設計提供了重要的依據。可極大地提高物聯網健身器材的科學指導功能，從而進一步提升健身器材用戶的健身交互、健身效率及健身堅持度。

責任編輯：Ct