0 前言
体育健身器材产业是体育产业的重要组成部分，目前，我国健身器材产品设计开发主要以模仿国外同类产品为主，在自主创新道路上前进缓慢，加之世界范围内健身器材产品的革新尚未出现，产品同质化严重，己难以适应当今网络化、信息化、智能化的产品设计需求，这也成为我国健身器材产业急需解决的难题。
在现代化社会生活中，以数字网络化服务为基础的智能手机、平板、手表等便携式智能设备被广泛应用，基于网络的产品应用服务也更加强调了与智能设备和可穿戴设备的融合，网络服务与现实生活联系更为紧密，服务的内容也更为精细化。这些领域的创新发展给物联网技术的应用提供了更为成熟的环境。物联网可以延伸和扩展到多个与体育相关领域中，特别适用于未来数字化体育健身服务系统的构建，动感单车作为常用的健身设备，在体育健身中扮演了重要的角色，在物联网渗入社会和生活方方面面的同时，基于物联网技术的数字动感单车的研发己成为我国学者亟待攻关的课题。
1 物联网健身器材概述
物联网作为新一代的网络服务技术，也具有其独有的特征，即感知化、互联化和智能化(图1)。互联化特征体现在其依托于现代网络的快速发展，利用有线和无线网络可以将物的感知，延伸到人类生活的多个角落，通过网络的覆盖给物与物的交互提供了信息传输途径;感知化特征是利用传感器技术和传感网络技术，使连接到物联网内的“物”拥有了自己的感知器官，使其能够感受外界环境的变化从而做出合理的反应;智能化特征，是在数据感知和传输实现的基础上，利用超级计算机和云计算系统对数据进行挖掘与计算后结果的反馈。
 物联网健身器材是物联网技术在健身器材设计领域应用的产物，通过物联网技术的特征和健身器材的本质，从“功用定义”的角度将物联网健身器材定义为：物联网健身器材是通过自动感知、数字通信、人机交互、智能处理等物联网技术的利用，实现人与器材、器材与器材之间智能化识别、交互和信息服务的一种智能健身工具。物联网健身器材，主要为实现健身用户与健身服务的融合，将科学的健身服务资源提供给更多的线下人群共享，不仅突破健身服务的区域限制和时间限制，而且扩展了健身器材的多种功能(图2)。
 2 物联网数字动感单车的设计目标
基于物联网技术的数字动感单车设计目标是利用物联网技术，将动感单车与专业的健身服务资源实时地衔接起来，实现多方面的资源整合，为健身人群、社交媒体、数字游戏开发商、健身服务提供商等提供交互接口。物联网数字动感单车将个人的健身数据通过终端软件实时地进行采集和传输，实现基于物联网模式的海量健身数据存储与处理，通过服务器端的数据分析计算给不同健身人群提供相应的健身服务方案，并实现数字动感单车的自动反馈控制，最终实现健身服务的个性化定制服务模式(图3)。
 3 硬件设计
3.1 多模式身份自动识别系统
物联网动感单车的身份自动识别功能是为区别不同的健身用户，以实现各类服务软件的自动登入。用户身份的快速识别是用户健身数据传输和个性化健身服务提供的基础。身份识别技术目前可通过二维码、RFID、NFC、蓝牙等技术实现，不同身份识别技术在技术和可行性上都具有优势，但是在一些环境中也有其弊端，比如在健身房中，动感单车的使用间隔更加缩短，用户如果使用自有的智能设备，容易发生丢失且影响健身体验，而如果使用已经安置好的智能设备，则必须有用户间的相互替换，如果在这一阶段使用传统的手动输入方式，必然影响用户的健身流畅性。因此，在物联网动感单车设计中应采用多模式自动识别系统(图4)，不仅能够完善对于现有智能设备的支持，也扩大了其他辅助身份识别模式。辅助装置采用智能卡识别子系统，可以看作是对智能设备的辅助，智能卡模式是面向健身房、社区健身园区等多用户、多器材健身环境而设计。
 3.2 数据采集系统的设计
数据采集系统作为智能动感单车感知层前端载体，是数据采集和获取的重要渠道，传感器无疑是能够满足物联网数字动感单车对各种信息感知需求的主要工具。数据采集系统包括：
(1)体重采集系统。物联网动感单车设计中体重采集装置是物联网功能实现的必要元件之一。在实现方式上，主要通过传感器在动感单车车轮部署，通过智能光电式传感器的在物联网车轮中的集成，用户的体重数据可以实时地上传给客户端。
(2)心率采集系统。心率作为血液循环机能的重要生理指标在运动健身相关研究中被广泛地应用。根据运动心率变化曲线来确定用户健身过程的目标心率，更具科学性和可参照性。运动后心率的恢复又可作为评定用户负荷适宜与否以及心脏机能状态的指标和依据。
(3)能耗采集系统设计。利用外接基于加速度传感器的运动传感器，可以量化测量体力活动消耗，把传感器固定在用户身体上，就能够感应到肢体或躯干的运动或加速度状况。通过短距离输送技术，可以实时传送用户运动状况的数据至用户智能设备的客户端。
(4)手部动作识别系统。多维化设计是物联网数字动感单车的重要设计，传统动感单车只有一维的运动方向，通过加入左右手动作光点传感器，可将动感单车的动作提升至两维，让动感单车不仅可以实现单向的识别，也可以识别左右，更加提高动感单车相关应用软件的娱乐性和互动性。
(5)安全感知系统。红外数据采集的功能是判断用户使用安全的重要措施，同时红外数据可以作为判断用户是否离开的依据，人体是非常敏感的红外探测源，人体在动感单车进行运动时，车身长度限制了其运动的范围，而红外探测的有效距离远远高出这一范围，通过一些相应的模型建立，可以有效地探知人体在运动时一些简单的摔倒和离开动作，真正实现动感单车的自动感知。(6)运行数据采集系统。用户通过智能设备操作将控制命令传导至中央控制板，数据经解析后传递给下控板并完成对升降机和驱动马达的控制，下控板在获取升降机和马达的数据后，将信息传回人机交互界面。通过动感单车的运动时长、骑行里程、速度变化、坡度变化等多项数据，可以方便地对用户的能量消耗、运动强度、运动频率等进行计算，
从而实现对用户健身过程的监测。
(7)环境和位置数据采集系统设计。通过在物联网健身器材中植入温度、湿度、GPS等智能传感监测元件，可以快捷地收集活动健身场所的环境数据，例如近来备受关注的PM 2.5数据的监测、氧气含量的数据都可以在物联网健身器材中实现监测。
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