基于物联网技术的体育运动监测系统设计研究

袁晋文

（郑州大学体育学院 河南 郑州 450044）

物联网包括感知层、网络层与应用层三层结构，物联网技术主要是利用感知层对物体信息的感知与获取、由网络层对数据进行获取与传输、由应用层进行实时监测并提供运动处方等服务来实现人与物体、物体与物体之间的沟通与对话，以为用户提供各种服务，进而满足人们的各方面需求。将物联网技术应用于人们的体育运动中，能够实现对运动者相关数据的分析与监测，以更好地了解运动者的运动状态，从而为其提供科学的指导意见，不仅有利于帮助人们规避运动风险，同时也有利于增强人们的体育锻炼效果。因此，本文试图基于物联网技术设计出体育运动监测系统，实时监测运动者的心率、血氧、呼吸频率等有关生理数据，然后制定出相应的运动处方，以保证人们参加体育锻炼的安全性与高效性。

1、基于物联网技术的体育运动监测系统设计的现实基础

1.1、基于物联网技术的体育运动监测系统设计的现实背景

我国在全面建成小康社会胜利之际，全面促进人民群众健康发展是巩固胜利果实，是中华民族伟大复兴向“两个一百年”目标迈进的重要保障。为了全面促进人们的健康，国家颁布制定了一系列的政策文件，同时也大力发展健康产业。在政策导向和商业推动的历史背景下，“每天锻炼一小时，健康工作五十年，幸福生活一辈子”的健康信条被大众所接受，特别是近几年来，越来越多的人群积极参与到锻炼、健身的队伍里。但是众多运动猝死等运动风险事件反映出“运动未必等于健康，科学运动才带来健康”的观念还未被认知。此外，广大的健身爱好者更缺乏科学的锻炼知识、方法和手段。而最科学、高效、安全的运动保障就是要加强运动风险的监测、评估与干预以及运动效果的监测与评估，所以各种所谓的运动手环、手表等智能健身产品一哄而上，但这些产品功能同质化严重，且获得的数据均只停留在“监测”层面，对健身人群缺乏评估与干预实质性应用价值，作为运动安全的“运动风险监测”保障更是无从谈起。因此，国内外的大众体育运动监控形势十分严峻，而国内外针对运动者“生命保障”的运动风险监控研究更是非常匮乏，特别是通过物联网、数据算法模型等科技手段开展大众体育运动监测、风险预警与干预的体系化研究成果基本处于空白状态，且研究深度较浅，应用价值缺乏。基于此，本文以大众运动健康与风险监控为问题导向，以互联网+物联网+AI 智能识别等现代科技为支撑，设计体育运动监测系统，并进行数据实时收集、跟踪、上传与分析，科学的制定运动处方以及运动风险预警干预方案。从而实现在最大限度地防止运动伤害、风险发生的同时，提高锻炼效能，真正达到科学健身的目的。不仅为大众提供更便捷、更高效、更精准的运动健身全过程服务，更对生命安全具有十分重要的意义。

1.2、基于物联网技术的体育运动监测系统设计的现实依据

（1）政策支持。

一直以来，国家对人们的健康予以高度重视，尤其是近几年来，国家关于促进国民健康专门颁布制定了一系列的政策文件，例如，2016 年6 月，国务院印发的《全民健身计划（2016-2020 年）》指出要充分利用互联网、云计算、大数据、物联网等现代信息技术手段推进全民健身活动的开展。2016 年10 月，中共中央、国务院印发的《“健康中国2030”规划纲要》充分明确了健康中国建设的重要性。2022 年3 月，国务院颁布了《关于构建更高水平的全民健身公共服务体系的意见》指出要强化资源集约利用和科技支撑，促进全民健身体制机制与供给方式的创新优化。另外，国家还针对体育运动风险专门颁布制定了一系列的政策文件，例如，2015 年，教育部专门针对学校体育运动风险控制颁布了《学校体育运动风险防控暂行办法》。与此同时，中共中央办公厅、国务院办公厅于2020 年所颁布的《关于全面加强和改进新时代学校体育工作的意见》再次对体育运动安全风险的控制进行了重点强调。这一系列的政策文件为基于物联网技术设计体育运动监测系统提供了足够的政策支持。

（2）青少年体质健康持续下滑，迫切需求专属的运动健康管理体系。

《中国居民营养与慢性病状况报告(2020 年)》显示，6-17岁的儿童青少年超重肥胖率接近20%，6 岁以下的儿童达到10%。发布于2018 年的《中国义务教育质量监测报告》称，全国近视眼人群中，中小学生预估超过1 亿人。尽管我国教育部门通过每年开展青少年体质测评、将中招体育成绩纳入升学成绩等措施，获得了一定成效，但学生整体心肺功能仍然处于较低水平，速度、力量素质增长趋于停滞，缺乏体育锻炼更导致很多学生存在脊柱侧弯、高低肩、弯腰驼背等健康问题。由此可见，我国广大青少年群体迫切需要高效、科学、安全的“运动与健康”智能化管理系统，在“体育运动风险监控”的基础上，实现精准化体育锻炼指导，最终全面提升个体健康水平。

（3）家长普遍缺乏体育锻炼以及运动风险防控知识与手段。

在“双减”、体育成绩纳入升学等多重政策的推动下，广大学生群体都需要积极参与各种强调的体育锻炼。而近几年来，我国多地、多校中小学生“猝死”现象的出现足以说明，学校部分教师以及广大家长群体普遍缺乏体育运动的科学参与以及其风险防控知识与手段。因此，学校、家庭、社会三方都迫切需要运动智能技术产品的出现，为学生安全、科学地参加体育锻炼保驾护航。

（4）人口老龄化社会，急需“生命安全保障”技术产品的出现。

人口老龄化逐渐成为我国重要的社会问题。因此，从宏观角度上看，积极发展老年人体育是有效应对老龄化问题的有力举措，受到了国家政府相关部门的高度重视。但老年人常见的“三高”等慢病问题，成为老年人在锻炼过程中的巨大安全隐患，因此，社会急需“体育运动监测”技术产品的出现，以对老年人参加体育锻炼时的各项生理指标进行实时监测，尽早发现其所存在的风险，提供科学的指导意见，每时每刻呵护老年人全生命周期。

（5）大众运动与健康“数据孤岛”，需要AI 智能技术实现高效整合与应用。

体育、教育、医疗、民政等各级各类单位每年都支出大量资金，开展国民体质监测、体质检测、体育加试等工作，所获得的数据形成了“数据孤岛”，没有实现关联性应用，出现极大的浪费。因此，急需行之有效的“互联网+物联网”以及AI 智能算法技术将其进行整合，不断迭代科学的数据模型，实现数据的“集约化”应用，以全面提升大众各类人群各类运动健康数据的应用效率，从而实现有效的运动风险监控与预警，同时，深度挖掘其商业价值的应用领域。

（6）国内外相关研究匮乏，难以为运动风险的监测与预防提供理论保障。

如今国内外针对运动者“生命保障”的运动风险监控研究极其匮乏，特别是通过物联网、数据算法模型等科技手段开展大众运动风险测评、监控、预警、干预的体系化研究成果基本处于空白状态，且研究深度较浅，应用价值缺乏。因此基于物联网等现代信息技术手段构建体育运动监测系统具有空前的现实意义。

2、基于物联网技术的体育运动监测系统的设计

2.1、系统架构

本文基于物联网技术所设计的体育运动监测系统，主要是通过对运动者心率、血氧饱和度、呼吸频率这三个与体育运动有关的生理指标进行实时监测，以帮助人们在健身的过程中能够对自身的运动强调进行及时了解与合理控制。另外，该体育运动监测系统还能够对人们的运动负荷进行评估，同时还具备体育运动预警功能，并能够根据其所监测的数据为人们提供科学的运动处方服务，以帮助人们在保证安全的前提下科学地参加体育锻炼，从而帮助人们达到更加理想的锻炼效果。整个系统包括感知层、传输层、应用层三个层次结构，具体如下：

感知层为整个系统的最底层，其中包含了很多传感器节点，而且各个传感器节点彼此间是独立的，并不能实现相关数据的相互传送。感知层能够对运动者的心率、血氧饱和度、呼吸频率这三个运动相关生理指标进行感知，并实时收集相关数据。其中，心率指标主要用于反映运动的强度，呼吸频率指标主要用于反映运动者的运动负荷承受能力，血氧饱和度指标主要用于辅助运动者对运动量进行了解与控制。

传输层是整个系统的中间层，其主要功能在于将感知层获取到的数据或者信息传输给应用层。该层的主体是ZigBee 网关，而ZigBee 网关则是由ZigBee 协调器和集成全硬件TCP/IP 协议栈以太网接口芯片构成，其中的ZigBee 协调器主要负责获取感知层所收集的数据或者信息。

应用层是整个系统的最高层，主要包括手机、电脑、其他各种移动智能设备等用户终端设备。本文基于物联网所设计的体育运动监测系统的应用层中，其用户终端设备的使用者主要为参加体育锻炼的人员、体育指导员、医生等。本文所构建的体育运动监测系统的应用层具有多方面的功能，具体包括体育运动实时监测、运动负荷评估与预警、运动处方的制定等，也就是说，该系统的应用层主要通过对运动者在参加运动之前、之中以及之后的心率、血氧饱和度以及呼吸频率等数据进行实时监测，以对运动者的运动负荷进行监控，进而为用户终端设备使用者对运动者的运动情况进行分析与判断提供依据，同时也可以为其提供科学的体育运动指导服务。

2.2、运动生理数据分析

运动负荷评估与预警服务指的是系统通过对运动者有关生理数据的分析来对其运动强度进行准确评估，如果出现运动者运动强度过大、运动量不足、体能恢复能力不足等问题时，系统就会及时预警。本文所设计的体育运动监测系统主要通过运动者的呼吸频率、血氧饱和度和心率这三个指标来判断运动者的运动负荷大小。

当个体处于安静状态时，其呼吸频率为12-20 次/min，但是当其处于剧烈运动状态时，其呼吸频率与呼吸幅度就会增加，呼吸频率一般为30-40 次/min。对于只是想要通过体育锻炼来增强自身体质的人而言，一般不适合参加过于剧烈的体育运动，而是只需要选择一些对呼吸频率影响不是很大的体育项目，通过适当的体育锻炼来增强自身心肺功能。因此，如果个体呼吸频率超过30 次/min，则可以认为其呼吸频率过快，运动强度过大，此时就需要对当前运动者的运动强度进行有效控制。

正常情况下，人的血氧饱和度值为90%-100%，如果个体的血氧饱和度值低于90%，则为低氧血症。通常情况下，当运动者的运动强度比较适宜时，其血氧饱和度值并不会产生很大的变化，但是如果其运动强度过大，则会降低血氧饱和度值，其身体会产生明显的疲劳感。因此，本文以90%作为血氧饱和度值的评估标准，当运动者的血氧饱和度值低于90%时，则认为其运动强度过大，此时需要适当降低运动强度。

通过运动者的心率来对运动负荷进行评估。首先，从系统所获取的心率数据中获取最小值与最大值，其中最小值代表的是静息心率，也就是人在安静状态下的心率，最大值代表的是人在运动状态下的最高心率。由于系统在进行数据采集的过程中，通常是间隔相同的时间进行，例如10s 采集一次数据，因此，本文将数据采集过程中出现心率最大值之后一分钟时的心率数据作为恢复心率，最终确定出静息心率、最高心率与恢复心率。之后，可以通过贮备心率百分比法来计算靶心率范围，在该心率范围内，运动者的运动强度适宜，运动安全性较高，而且其体育锻炼效果也比较明显。靶心率范围的计算公式为：靶心率范围＝（L－P）×贮备心率百分比＋P，其中L ＝220－实际年龄，L 表示最大心率，P 表示静息心率，贮备心率百分比与运动强度之间有着密切的联系，当运动强度为E（轻松跑区间）时，贮备心率百分比为59%-74%，运动强度为M（马拉松配速区间）时，贮备心率百分比为74%-84%，运动强度为T（乳酸阈值区间）时，贮备心率百分比为84%-88%，运动强度为A（无氧耐力区间）时，贮备心率百分比为88%-95%，运动强度为I（最大摄氧区间）时，贮备心率百分比为95%-100%，运动强度为R（爆发力训练区间）时，不考虑心率。之后再通过最大心率与靶心率范围的比较来评估运动者的运动负荷。另外，恢复心率的评估标准可以确定为≥120次/min。

3、运动处方

运动处方指的是根据运动者的年龄、性别、健康状况等基本信息，通过处方的形式对运动者的运动种类、运动强度、运动时间、运动频率以及相关注意事项进行合理安排。本文基于物联网技术所设计的体育运动监测系统中所包含的运动处方服务指的是体育指导员、医生等用户根据系统所获取的关于运动者的生理数据，充分利用自身的专业知识为运动者制定出具有针对性、个性化与科学性的运动处方，以帮助运动者规避运动风险，并争取达到最佳的锻炼效果。具体而言，可以根据运动者的目的、爱好、年龄等情况选择相应的运动种类，根据运动者的有关生理数据特别是靶心率来选择相应的运动强度，根据一些基本的参考信息以及运动强度来合理安排适宜的运动时间与运动频率，如果运动强度较大，可以适当减少运动时间与运动频率，如果运动强度较小，则可以适当增加运动时间与运动频率。另外，由于不同的个体在健康状况、运动目的、体能基础等方面存在一定的差异性，因此，在制定运动处方时，需要结合运动者的多方面具体情况填写相应的注意事项。

除此之外，该系统的运动处方服务还包括当出现预警时如何对运动处方进行调整方面的服务。在对运动处方进行重新制定或者调整之前，需要先结合各项运动负荷评估指标的数值来判断其运动强度的适宜性，之后根据运动者的运动强度评估结果来对运动处方内容进行适当的调整。如果最高心率＞靶心率最大值，呼吸频率≥30 次/min，血氧饱和度≤90%，则说明运动强度过大，此时可以适当调整运动种类，适当降低靶心率、运动时间与运动频率；如果靶心率最小值＜最高心率＜靶心率最大值，呼吸频率＜30 次/min，血氧饱和度＞90%，则说明运动强度适宜，此时不需要对运动处方内容进行明显调整；如果最高心率＜靶心率最小值，则说明运动量不足，此时可以适当调整运动种类，提高靶心率，保持或者适当增加运动时间与运动频率；如果恢复心率≥120 次/min，则说明心脏恢复能力不足，此时可以保持原来的运动种类，也可以适当增加恢复性训练运动，保持原来的靶心率，适当增加运动时间与运动频率。关于注意事项的调整并没有固定标准，而是应该做到因人而异。

4、总结

本文基于物联网技术所设计的体育运动监测系统通过对心率、血氧、呼吸三个运动相关生理数据的采集来对运动者的运动状态进行实时监测，有利于更好地把控运动者的运动强度。同时系统中所包含的运动负荷预警与运动处方服务都能够帮助运动者安全且高效地进行体育锻炼。但是本系统只是对心率、血氧、呼吸这三个生理数据进行采集，仍然不能够全面地反映出运动者的运动状态，仍然不够完善，因此有待进一步改进。