杜熙茹，黃 秋，黃曉輝，蔡子冰，董吉捷

引言

隨著我國(guó)“46號(hào)文”的逐步實(shí)施，物聯(lián)網(wǎng)智慧體育的模式逐漸成型，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用也日益廣泛，健身路徑、健身器械、體重秤、運(yùn)動(dòng)配件、運(yùn)動(dòng)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(guó)家大力提倡全民健身和高度重視競(jìng)技體育訓(xùn)練的背景下，運(yùn)動(dòng)健身人群逐漸增多，各類體育場(chǎng)地如雨后春筍一般，覆蓋到各個(gè)社區(qū)和事業(yè)單位。且隨著時(shí)代進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展，體育健身器材的種類和功能也越來越多，體育場(chǎng)地的功能逐漸多元化、科技化、智能化，而體育場(chǎng)地除了需要滿足健身、訓(xùn)練、運(yùn)動(dòng)競(jìng)賽的需求外，還應(yīng)承擔(dān)起相應(yīng)的服務(wù)社會(huì)的功能[2]。

由于體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地具有多元化、分布廣和容納量大等特點(diǎn)，給實(shí)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(yùn)動(dòng)安全監(jiān)測(cè)使用的現(xiàn)狀進(jìn)行深入調(diào)查，并結(jié)合運(yùn)動(dòng)時(shí)的身心變化特點(diǎn)，旨在研發(fā)出適用于運(yùn)動(dòng)健身人員的物聯(lián)網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)設(shè)備，以幫助其減少運(yùn)動(dòng)傷亡問題，更好地參與及享受體育活動(dòng)的過程。

1 需求分析

隨著人們健身意識(shí)的增強(qiáng)，以及國(guó)家對(duì)競(jìng)技體育的重視，越來越多的人投入到運(yùn)動(dòng)健身和專業(yè)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的行列當(dāng)中，但由于人們?cè)谶\(yùn)動(dòng)時(shí)沒有得到自身身體狀況的及時(shí)反饋，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)傷亡問題的頻發(fā)。大多數(shù)人群會(huì)選擇體育場(chǎng)地進(jìn)行鍛煉，但也會(huì)因各種問題，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)監(jiān)控不到位，使安全問題存在隱患。在競(jìng)技體育訓(xùn)練中，無論是在場(chǎng)地或是場(chǎng)館，人員的安全問題是最為突出的問題，運(yùn)動(dòng)中往往會(huì)發(fā)生很多突發(fā)狀況，體操、技巧啦啦操中的人員安全、競(jìng)技運(yùn)動(dòng)中的損傷，教練也不可能進(jìn)行全方位的監(jiān)控，因此如何掌握運(yùn)動(dòng)者身體狀況、進(jìn)行運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的問題就顯得尤為重要。

針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)體育運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過可穿戴設(shè)備的信息反饋，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受試者運(yùn)動(dòng)時(shí)的身體狀況。它不僅是一種硬件設(shè)備，更能通過軟件支持以及數(shù)據(jù)交互、云端交互來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的視頻安全監(jiān)測(cè)功能，設(shè)計(jì)思路如下圖所示：

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展情況

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

體育場(chǎng)館智能化將成為行業(yè)基本配套，體育場(chǎng)館是體育行業(yè)中重要的一環(huán)，傳統(tǒng)的老場(chǎng)館普遍存在利用率低、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施差、盈利模式單一等問題。目前智能體育場(chǎng)館成為行業(yè)發(fā)展方向，新建場(chǎng)館紛紛擁抱信息化、智能化、數(shù)據(jù)化，未來智能化體育場(chǎng)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(diǎn)，不需要復(fù)雜布線，具有安裝維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)。這種無線技術(shù)以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的通訊，它既可以快速有效處理節(jié)點(diǎn)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(guó)移動(dòng)開放(免費(fèi)使用)的OneNet物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，用于物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，更為簡(jiǎn)便快捷。視頻監(jiān)控除了能監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練狀況之外，還能監(jiān)控運(yùn)動(dòng)員心率、體溫，為教練員反饋相關(guān)的信息，及時(shí)了解運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練時(shí)的身心變化狀況，避免在過度疲勞的情況下進(jìn)行大強(qiáng)度訓(xùn)練，做出科學(xué)的決策，減少由于疲勞而導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)性損傷，并在日常訓(xùn)練中及時(shí)對(duì)訓(xùn)練目標(biāo)作出科學(xué)的規(guī)劃的改變。

本系統(tǒng)通過可穿戴設(shè)備的信息反饋，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)動(dòng)時(shí)的身體狀況。具有技術(shù)含量高、成本低、功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，無論在教學(xué)還是實(shí)際應(yīng)用都具有現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 國(guó)外發(fā)展情況

目前，國(guó)外視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)主要應(yīng)用在公共領(lǐng)域和個(gè)人用戶等方面：在公共場(chǎng)所，國(guó)外設(shè)置了眾多監(jiān)控設(shè)備，以加強(qiáng)對(duì)公共領(lǐng)域的安全控制；在交通、銀行、連鎖超市、居民住宅等領(lǐng)域視頻監(jiān)控也得到了廣泛應(yīng)用[6]；在美、英等國(guó)，個(gè)人使用視頻監(jiān)控主要是應(yīng)用于住宅的安全、防范和財(cái)產(chǎn)的監(jiān)控。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)功能介紹

3.1.1 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控

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

3.1.2 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)

設(shè)計(jì)可穿戴設(shè)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(wù)器。

受監(jiān)測(cè)人員將帶有傳感器的可穿戴設(shè)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(chǔ)存在樹莓派B中，數(shù)據(jù)值顯示在ICD顯示器上，同時(shí)如果數(shù)據(jù)超出正常范圍，則觸發(fā)報(bào)警器。儲(chǔ)存的值在幫助下被發(fā)送到服務(wù)器。

所有的值都按時(shí)間順序儲(chǔ)存在服務(wù)器上，監(jiān)測(cè)人員可以通過登錄憑證登錄查看受監(jiān)測(cè)人員的數(shù)據(jù)，就可以實(shí)時(shí)掌握運(yùn)動(dòng)員體溫、運(yùn)動(dòng)時(shí)的心率，監(jiān)測(cè)其運(yùn)動(dòng)時(shí)的身體狀況，有效避免運(yùn)動(dòng)事故。還可此為數(shù)據(jù)根據(jù)制定個(gè)人相關(guān)訓(xùn)練計(jì)劃，達(dá)到最佳運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的效果。

3.1.3 遠(yuǎn)程控制體育設(shè)備

在場(chǎng)館器械設(shè)備中嵌入無線網(wǎng)絡(luò)開關(guān)控制器，每一臺(tái)設(shè)備設(shè)置單獨(dú)的標(biāo)簽信息，器械控制設(shè)備結(jié)合遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控一同使用，監(jiān)測(cè)人員可以通過視頻查看場(chǎng)館運(yùn)動(dòng)狀況，再通過器械控制設(shè)備遠(yuǎn)程控制場(chǎng)館設(shè)備，包括門、燈、各類運(yùn)動(dòng)器材的開關(guān)及各類配套設(shè)施的開關(guān)。本設(shè)備具體采用硬件設(shè)備已開發(fā)完成，我們將進(jìn)一步以低成本、實(shí)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(diǎn)

3.2.1 首次提出利用物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控運(yùn)動(dòng)安全；

3.2.2 運(yùn)動(dòng)安全監(jiān)控與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相結(jié)合，預(yù)防安全問題的同時(shí)還可把控運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度；

3.2.3 運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館智能化，隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程操控場(chǎng)館設(shè)備；

3.2.4 信息的同步反饋與處理。

3.3 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)包括如下關(guān)鍵技術(shù)，如圖2所示：

圖3 樹莓派板

(1)自動(dòng)感知技術(shù)：傳感器設(shè)計(jì)，中間件與數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)；嵌入式技術(shù)；移動(dòng)通信技術(shù)；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；

(2)智能數(shù)據(jù)處理技術(shù)：中間件與應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)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(hào)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(jià)、靈活、可完全定制和可編程的小型計(jì)算機(jī)主板，它將電腦的優(yōu)勢(shì)引入了傳感器的網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。在我們的系統(tǒng)中，我們根據(jù)可穿戴設(shè)備提供的(體溫、心率、脈搏等)數(shù)據(jù)，即個(gè)體的身體特征信息被提供給樹莓派，然后將其傳送到服務(wù)器，同時(shí)服務(wù)器顯示樹莓派攝像頭傳輸實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，對(duì)運(yùn)動(dòng)人群實(shí)施高度的安全監(jiān)測(cè)，從而形成一個(gè)完整的監(jiān)控系統(tǒng)。

3.4 技術(shù)路線

3.4.1 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)溫度系統(tǒng)組成

將溫度傳感器檢測(cè)到的體溫?cái)?shù)據(jù)，采用HTTP協(xié)議上傳到OneNet云平臺(tái)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)溫度

3.4.2 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視

RTMP協(xié)議從屬于應(yīng)用層，被設(shè)計(jì)用來在適合的傳輸協(xié)議(如TCP)上復(fù)用和打包多媒體傳輸流(如音頻、視頻和互動(dòng)內(nèi)容)。RTMP提供了一套全雙工的可靠的多路復(fù)用消息服務(wù)，類似于TCP協(xié)議[RFC0793]，用來在一對(duì)結(jié)點(diǎn)之間并行傳輸帶時(shí)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(huì)被分配不同的優(yōu)先級(jí)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸能力受限時(shí)，優(yōu)先級(jí)用來控制消息在網(wǎng)絡(luò)底層的排隊(duì)順序[8]。

3.4.2.1 視頻推流

運(yùn)行服務(wù)器端rtsp程序

樹莓派命令行進(jìn)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(yùn)行成功

3.4.2.2 運(yùn)行客戶端程序

運(yùn)行命令./sample_video_s，執(zhí)行程序?qū)崟r(shí)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(jìn)入OneNet平臺(tái)，可以看到顯示設(shè)備已在線，點(diǎn)擊通道1，點(diǎn)擊播放按鈕，因?yàn)槭菍?shí)時(shí)播放視頻，客戶端和服務(wù)端程序都要一直運(yùn)行，不能中斷。

3.4.3 遠(yuǎn)程控制運(yùn)動(dòng)設(shè)備

遠(yuǎn)程控制運(yùn)動(dòng)設(shè)備功能目前還在測(cè)試階段，暫未將其列入本系統(tǒng)內(nèi)，系統(tǒng)組成及實(shí)施路徑如下：

3.4.3.1 系統(tǒng)組成

圖5 遠(yuǎn)程控制運(yùn)動(dòng)設(shè)備

3.4.3.2 MQTT協(xié)議

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議)，是一種基于發(fā)布/訂閱(publish/subscribe)模式的“輕量級(jí)”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(diǎn)在于，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)[9]。

MQTT是一個(gè)基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議[10]。MQTT協(xié)議是輕量、簡(jiǎn)單、開放和易于實(shí)現(xiàn)的，這些特點(diǎn)使它適用范圍非常廣泛。MQTT協(xié)議運(yùn)行在TCP/IP或其他網(wǎng)絡(luò)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(xué)性

OneNet是中國(guó)移動(dòng)提供的免費(fèi)開放的物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)，物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)上，針對(duì)不同領(lǐng)域的需求，利用具有感知、通訊和計(jì)算的智能物體自動(dòng)獲取現(xiàn)實(shí)世界的信息，將這些對(duì)象互聯(lián)，實(shí)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(wù)系統(tǒng)。

3.6 系統(tǒng)先進(jìn)性

根據(jù)本課題的前期調(diào)研，顯示出以下先進(jìn)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(jī) (CSI) 界面，可被樹莓派相機(jī)或樹莓派相機(jī)(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(jī)上，可穿戴設(shè)備仍需進(jìn)一步完善。后期我們會(huì)將研發(fā)工作的重點(diǎn)放在細(xì)化工作上，以便后期系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)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(guān)、顯示屏，即可進(jìn)行工作。

4.1 視頻監(jiān)控測(cè)試

登錄物聯(lián)網(wǎng)賬戶，進(jìn)行設(shè)備連接，運(yùn)行樹莓派監(jiān)控，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)，即刻進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖8 GPIO圖

4.2 體溫監(jiān)控測(cè)試

在樹莓派板上連接溫度傳感器相應(yīng)引腳，運(yùn)行該系統(tǒng)，即可進(jìn)行溫度測(cè)試，物聯(lián)網(wǎng)點(diǎn)擊體溫監(jiān)控相應(yīng)設(shè)備，體溫?cái)?shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)立即上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，體溫?cái)?shù)據(jù)以圖像形式清晰展現(xiàn)出來。

實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有技術(shù)含量高、成本低、功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，無論在教學(xué)還是實(shí)際應(yīng)用都具有現(xiàn)實(shí)意義，如圖9所示：

圖9 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)體育運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

4.2 設(shè)備開關(guān)測(cè)試

在樹莓派板上連接設(shè)備相應(yīng)引腳，物聯(lián)網(wǎng)點(diǎn)擊相應(yīng)系統(tǒng)，發(fā)送on的指令，設(shè)備即可自動(dòng)打開；發(fā)送off指令，設(shè)備即可自動(dòng)關(guān)閉。

5 應(yīng)用效益分析

5.1 受試者的滿意程度

以廣州體育學(xué)院技巧啦啦操TCP隊(duì)伍25名運(yùn)動(dòng)員作為實(shí)驗(yàn)監(jiān)控對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有72%的運(yùn)動(dòng)員對(duì)此設(shè)備效果很滿意，24%的運(yùn)動(dòng)員對(duì)此效果基本滿意，但仍需進(jìn)一步優(yōu)化，只有4%的運(yùn)動(dòng)員認(rèn)為此設(shè)備效果甚微，如圖10所示：

5.2 監(jiān)測(cè)效果反饋

將實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果遞交10位相關(guān)專家，詢問其建議或意見，其中7名專家認(rèn)為此設(shè)操作性強(qiáng)、效果好，2名專家認(rèn)為操作性、效果有待加強(qiáng)，1名專家認(rèn)為效果甚微；10名專家均認(rèn)為此設(shè)備監(jiān)控便捷，能隨時(shí)掌握運(yùn)動(dòng)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(jìng)賽成績(jī)的提高

在為期一個(gè)月的訓(xùn)練監(jiān)控期間，隊(duì)員受傷情況呈明顯下降趨勢(shì)，隊(duì)伍整體競(jìng)技能力提高。廣州體育學(xué)院TCP隊(duì)伍在2019年中國(guó)啦啦操公開賽中取得第一名的好成績(jī)。隊(duì)員們普遍反映通過監(jiān)控系統(tǒng)訓(xùn)練能明顯感受到在訓(xùn)練過程中安全意識(shí)的增強(qiáng)，同時(shí)促進(jìn)運(yùn)動(dòng)員之間的動(dòng)作協(xié)作配合能力的增強(qiáng)，帶動(dòng)整個(gè)隊(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用系統(tǒng)、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)等軟硬件資源實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和管理，以滿足運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館數(shù)據(jù)中心遠(yuǎn)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(chǎng)館運(yùn)動(dòng)健身人群提供安全穩(wěn)定可靠的訓(xùn)練環(huán)境。