基于OneNet物联网云平台的体育运动远程监控系统

杜熙茹，黄 秋，黄晓辉，蔡子冰，董吉捷

引言

随着我国“46号文”的逐步实施，物联网智慧体育的模式逐渐成型，物联网的应用也日益广泛，健身路径、健身器械、体重秤、运动配件、运动服饰等各类体育装备同云端的智能化串联，体育物联网日益被大众所接受[1]。在国家大力提倡全民健身和高度重视竞技体育训练的背景下，运动健身人群逐渐增多，各类体育场地如雨后春笋一般，覆盖到各个社区和事业单位。且随着时代进步和社会发展，体育健身器材的种类和功能也越来越多，体育场地的功能逐渐多元化、科技化、智能化，而体育场地除了需要满足健身、训练、运动竞赛的需求外，还应承担起相应的服务社会的功能[2]。

由于体育运动场地具有多元化、分布广和容纳量大等特点，给实地监控带来一定的困难，安全问题也尤为突出。

本文通过运动安全监测使用的现状进行深入调查，并结合运动时的身心变化特点，旨在研发出适用于运动健身人员的物联网安全监测设备，以帮助其减少运动伤亡问题，更好地参与及享受体育活动的过程。

1 需求分析

随着人们健身意识的增强，以及国家对竞技体育的重视，越来越多的人投入到运动健身和专业的运动训练的行列当中，但由于人们在运动时没有得到自身身体状况的及时反馈，导致运动伤亡问题的频发。大多数人群会选择体育场地进行锻炼，但也会因各种问题，导致运动监控不到位，使安全问题存在隐患。在竞技体育训练中，无论是在场地或是场馆，人员的安全问题是最为突出的问题，运动中往往会发生很多突发状况，体操、技巧啦啦操中的人员安全、竞技运动中的损伤，教练也不可能进行全方位的监控，因此如何掌握运动者身体状况、进行运动实时监控的问题就显得尤为重要。

针对这一问题，设计了物联网体育运动远程监控系统，通过可穿戴设备的信息反馈，实时监测受试者运动时的身体状况。它不仅是一种硬件设备，更能通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的视频安全监测功能，设计思路如下图所示：

2 国内外研究现状

2.1 国内发展情况

随着移动互联网、智能家居及可穿戴设备的快速发展，我们生活中的智能设备层出不穷。跑步佩戴的智能手环、智能手表实时监测数据，提供更为详尽的数据和辅助指导[3]，除此之外，物联网的应用在体育领域运用日益广泛，智能跑步机、智能体重秤等各类体育装备与云端进行智能化连接，成为体育物联网的重要基础[4]。

体育场馆智能化将成为行业基本配套，体育场馆是体育行业中重要的一环，传统的老场馆普遍存在利用率低、网络设施差、盈利模式单一等问题。目前智能体育场馆成为行业发展方向，新建场馆纷纷拥抱信息化、智能化、数据化，未来智能化体育场馆将成为行业基本配套。

无线监控方式可以随意转换监控点，不需要复杂布线，具有安装维护方便等优势。这种无线技术以数据为基础，实现网络之间的通讯，它既可以快速有效处理节点信息，还可以保证数据的高可靠性，可以大规模的使用，大大提高监控区域的覆盖率[5]。本研究采用的无限监控利用中国移动开放(免费使用)的OneNet物联网云平台，用于物联网远程数据传输，更为简便快捷。视频监控除了能监测运动训练状况之外，还能监控运动员心率、体温，为教练员反馈相关的信息，及时了解运动员训练时的身心变化状况，避免在过度疲劳的情况下进行大强度训练，做出科学的决策，减少由于疲劳而导致的运动性损伤，并在日常训练中及时对训练目标作出科学的规划的改变。

本系统通过可穿戴设备的信息反馈，实时监测其运动时的身体状况。具有技术含量高、成本低、功能强、应用范围广等特点，无论在教学还是实际应用都具有现实意义。

2.2 国外发展情况

目前，国外视频监控业务主要应用在公共领域和个人用户等方面：在公共场所，国外设置了众多监控设备，以加强对公共领域的安全控制；在交通、银行、连锁超市、居民住宅等领域视频监控也得到了广泛应用[6]；在美、英等国，个人使用视频监控主要是应用于住宅的安全、防范和财产的监控。

3 远程监控系统

3.1 系统功能介绍

3.1.1 远程视频监控

将树莓派卡片式计算机作为物联网的感知层[7]，把摄像头部分安装在运动场馆，用于视频采集，树莓派卡片式计算机连接网络(Wi-Fi)后，可将视频数据传输到OneNet物联网云平台，监控人员只需要登入OneNet物联网云平台，通过登录凭证登录查看，就可以远程看到运动场馆的实时状况，能够及时监控场馆运动情况，发现问题，及时控制运动场馆紧急问题。

3.1.2 运动数据检测

设计可穿戴设备，嵌入树莓派B+具有4核64位处理器，传感器连接到树莓派模型，树莓派发送信息到服务器。

受监测人员将带有传感器的可穿戴设备连接到自己的身体，传感器的另一端无线连接到树莓派。传感器采集的体温、心率的数据储存在树莓派B中，数据值显示在ICD显示器上，同时如果数据超出正常范围，则触发报警器。储存的值在帮助下被发送到服务器。

所有的值都按时间顺序储存在服务器上，监测人员可以通过登录凭证登录查看受监测人员的数据，就可以实时掌握运动员体温、运动时的心率，监测其运动时的身体状况，有效避免运动事故。还可此为数据根据制定个人相关训练计划，达到最佳运动训练的效果。

3.1.3 远程控制体育设备

在场馆器械设备中嵌入无线网络开关控制器，每一台设备设置单独的标签信息，器械控制设备结合远程视频监控一同使用，监测人员可以通过视频查看场馆运动状况，再通过器械控制设备远程控制场馆设备，包括门、灯、各类运动器材的开关及各类配套设施的开关。本设备具体采用硬件设备已开发完成，我们将进一步以低成本、实用性为原则开发该产品的其他功能。

3.2 系统创新点

3.2.1 首次提出利用物联网远程监控运动安全；

3.2.2 运动安全监控与运动状态相结合，预防安全问题的同时还可把控运动强度；

3.2.3 运动场馆智能化，随时随地远程操控场馆设备；

3.2.4 信息的同步反馈与处理。

3.3 技术关键点

物联网包括如下关键技术，如图2所示：

图3 树莓派板

(1)自动感知技术：传感器设计，中间件与数据处理软件设计；嵌入式技术；移动通信技术；计算机网络技术；

(2)智能数据处理技术：中间件与应用软件设计、海量数据存储与计算、数据挖掘；智能控制技术；信息安全技术等。

树莓派(如图3所示)是基于ARM的卡片式电脑主板，用Micro SD卡作为硬盘，拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口。以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上，具备PC的基本功能，只需连接显示器和键盘，就能执行如电子表格、文字处理、玩游戏、播放高清视频等诸多功能。它是一种廉价、灵活、可完全定制和可编程的小型计算机主板，它将电脑的优势引入了传感器的网络领域。在我们的系统中，我们根据可穿戴设备提供的(体温、心率、脉搏等)数据，即个体的身体特征信息被提供给树莓派，然后将其传送到服务器，同时服务器显示树莓派摄像头传输实时监控画面，对运动人群实施高度的安全监测，从而形成一个完整的监控系统。

3.4 技术路线

3.4.1 远程监测温度系统组成

将温度传感器检测到的体温数据，采用HTTP协议上传到OneNet云平台，进行远程监测，如图4所示。

图4 远程监测温度

3.4.2 远程实时视频监视

RTMP协议从属于应用层，被设计用来在适合的传输协议(如TCP)上复用和打包多媒体传输流(如音频、视频和互动内容)。RTMP提供了一套全双工的可靠的多路复用消息服务，类似于TCP协议[RFC0793]，用来在一对结点之间并行传输带时间戳的音频流，视频流，数据流。通常情况下，不同类型的消息会被分配不同的优先级，当网络传输能力受限时，优先级用来控制消息在网络底层的排队顺序[8]。

3.4.2.1 视频推流

运行服务器端rtsp程序

树莓派命令行进入目录在/home/pi目录下 cd live_camera_linux/

执行./zk_v4l2_x264_source

出现url地址则运行成功

3.4.2.2 运行客户端程序

运行命令./sample_video_s，执行程序实时获取rtsp流，将rtsp转换rtmp流，上推OneNet。

3.4.2.3 OneNet云端查看视频

进入OneNet平台，可以看到显示设备已在线，点击通道1，点击播放按钮，因为是实时播放视频，客户端和服务端程序都要一直运行，不能中断。

3.4.3 远程控制运动设备

远程控制运动设备功能目前还在测试阶段，暂未将其列入本系统内，系统组成及实施路径如下：

3.4.3.1 系统组成

图5 远程控制运动设备

3.4.3.2 MQTT协议

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议)，是一种基于发布/订阅(publish/subscribe)模式的“轻量级”通信协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。MQTT最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务[9]。

MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议[10]。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。MQTT协议运行在TCP/IP或其他网络协议，提供有序、无损、双向连接[11]。

图6 MQTT协议

3.5 系统科学性

OneNet是中国移动提供的免费开放的物联网云服务，物联网是在互联网和移动通信网等网络通信基础上，针对不同领域的需求，利用具有感知、通讯和计算的智能物体自动获取现实世界的信息，将这些对象互联，实现全面感知、可靠传输、智能处理，构建人与物、物与物互联的智能信息服务系统。

3.6 系统先进性

根据本课题的前期调研，显示出以下先进性：

3.6.1 树莓派基本特性

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高清解码器；

视频输入：15-针头MIPI相机 (CSI) 界面，可被树莓派相机或树莓派相机(无红外线版)使用；

影像输出：RCA视频接口输出(仅1代B型有此接口)，支持PAL和NTSC制式，支持HDMI (1.3和1.4)，分辨率为640 x 350 至 1920 x 1200 支持PAL 和NTSC制式；

操作系统：Debian GNU/Linux 、Fedora、Arch Linux 、RISC OS，Windows10 Io T。

3.6.2 系统结构，如图7所示：

图7 系统结构图

3.6.3 GPIO(General Purpose Input and Output)，如图8所示：

本系统前期调试工作已经完成，通过树莓派摄像头能够将清晰的监控画面呈现在PC机上，可穿戴设备仍需进一步完善。后期我们会将研发工作的重点放在细化工作上，以便后期系统的实验和商业化。

4 系统调试结果

树莓派监控由树莓派开发版、摄像头、电源插头、显示屏组成。接上电源开关、显示屏，即可进行工作。

4.1 视频监控测试

登录物联网账户，进行设备连接，运行树莓派监控，通过网络传输至物联网，即刻进行视频实时监控。

图8 GPIO图

4.2 体温监控测试

在树莓派板上连接温度传感器相应引脚，运行该系统，即可进行温度测试，物联网点击体温监控相应设备，体温数据通过网络立即上传至物联网平台，体温数据以图像形式清晰展现出来。

实践证明，该系统具有技术含量高、成本低、功能强、应用范围广等特点，无论在教学还是实际应用都具有现实意义，如图9所示：

图9 物联网云平台体育运动远程监控系统

4.2 设备开关测试

在树莓派板上连接设备相应引脚，物联网点击相应系统，发送on的指令，设备即可自动打开；发送off指令，设备即可自动关闭。

5 应用效益分析

5.1 受试者的满意程度

以广州体育学院技巧啦啦操TCP队伍25名运动员作为实验监控对象，通过实验数据，有72%的运动员对此设备效果很满意，24%的运动员对此效果基本满意，但仍需进一步优化，只有4%的运动员认为此设备效果甚微，如图10所示：

5.2 监测效果反馈

将实验监测结果递交10位相关专家，询问其建议或意见，其中7名专家认为此设操作性强、效果好，2名专家认为操作性、效果有待加强，1名专家认为效果甚微；10名专家均认为此设备监控便捷，能随时掌握运动人群身心状况，了解其安全问题。

图10 受试者满意程度

5.3 受伤情况的降低和竞赛成绩的提高

在为期一个月的训练监控期间，队员受伤情况呈明显下降趋势，队伍整体竞技能力提高。广州体育学院TCP队伍在2019年中国啦啦操公开赛中取得第一名的好成绩。队员们普遍反映通过监控系统训练能明显感受到在训练过程中安全意识的增强，同时促进运动员之间的动作协作配合能力的增强，带动整个队伍凝聚力的提高。

6 结束语

通过使用物联网技术对运动场馆数据中心的应用系统、服务器和网络等软硬件资源实现监控和管理，以满足运动场馆数据中心远程、规范化需求，降低工作人员压力，提高工作效率，为体育场馆运动健身人群提供安全稳定可靠的训练环境。