基于物联网的智能健身系统
作者： Binbin Yong a Zijian Xu a Xin Wang a Libin Cheng b Xue Li a Xiang Wu a Qingguo Zhou a
强调
bull;
本文设计了一种基于物联网的新型健身系统。
bull;
本文给出了健身系统的细节，包括服务器和应用程序的设计。
bull;
本文介绍了智能技术，以实现健身系统更好的用户体验。
摘要
随着全球经济的增长，健身俱乐部在世界范围内迅速发展。与此同时，健身行业正在蓬勃发展，尤其是城市白领人口。在这种情况下，人们需要更多的科学和实践指导来建立自己的身体。在本文中，我们设计了一个基于物联网（IoT）的健身系统来监控锻炼者的健康状况。该系统为锻炼者提供指导。运动时，运动数据由传感器和健身带收集。随后，将这些数据发送到要分析的系统。借助人工智能技术，系统可以为用户的健身提取有用的指导信息。在本文中，我们将描述系统的细节，并进一步了解实现技术。
关键词
身体素质 物联网 传感器 健身 人工智能健身
1 。介绍
随着健身产业的快速发展，人们投入越来越多的精力来建立自己的身体。根据ACSM（美国运动医学院）的报告，可穿戴设备，健康和健身APP（应用），泡沫辊是2016年的黑马 [14]，[15]。他们还预测，在未来几年，技术将成为健康和健身领域最受欢迎的趋势，其中可穿戴健身技术将主导市场。越来越多的健身追踪器，智能手表，心率监测器和GPS追踪设备将在不久的将来出现。报告1来自中国的数据显示，中国健身行业从2009年到2014年增长了84％，这意味着这五年的平均年增长率接近17％。与此同时，健身俱乐部的数量在中国以平均年增长率接近5％的速度增长。但是，根据商业模式，中国只有20％的健身房可以获利。
另一方面，技术使用户能够监控和纠正他们的健身运动，从而彻底改变了健身行业。物联网（IoT）作为现代乳品技术的标志，通过无线传感器网络技术出现在人们的日常生活中 [4]，[10]。越来越多的传感器和设备被用来引导人们进行体育锻炼。这些设备包括简单的传感器，小型健身带，不起眼的电子秤，以及创新的睡眠监视器。
然而，现代健身俱乐部的技术仍然落后于大多数现代技术，而现代健身俱乐部是平民的主要健身场所。
因此，基于上述情况，我们建议设计一个系统，为健身俱乐部提供物联网和Web技术的替代选择。
本文的其余部分安排如下。在下一节中，我们将介绍相关技术和相关工作。在第3节中 ，我们介绍了我们的系统设计。在第4节中 ，我们展示了移动应用程序的设计。最后，在第5节中 ，我们总结了我们的工作并解决了未来的工作。
2 。初步及相关工作
物联网是一个扩展互联网概念的术语。它不仅包含Internet，还包含一些可以在Internet上使用和访问的智能设备。这些类型的设备包括移动终端，有线或无线传感器，照相机，灯，电源插座和其他互连设备。物联网用于通过移动电话或PC用户通过Internet监控或控制远程设备。随着物联网技术的发展，许多基于物联网的应用程序出现在商业或家庭中。与此同时，学术界正在研究大量的物联网应用。
辛格等人。 [12]提出使用从废物箱中的红外传感器收集的实时数据来优化收集过程。拉索尔等人。 [11]开发了一个系统，使用传感器收集和分析基于物联网和大数据技术的城市数据。基于无线传感器技术，Nugra等人。设计了一个物联网应用程序来分析来自这些传感器的交通数据，从而减少车辆交通拥堵 [8]。Ghosh等人。 [1]实施了一个医疗保健系统，以监测医院患者的健康状况。
Huang和Cheng [2]使用射频识别（RFID）和物联网技术来研究医疗护理系统的应用，这是非常有意义的。基于物联网技术，徐等人。 [16]研究了紧急医疗服务的数据访问方法。
物联网技术如今正在迅速发展，而健康应用与物联网技术相结合是一种趋势。因此，基于物联网技术，我们设计了一个系统，为健身运动提供科学指导。在我们的工作中，我们创造性地构建了一个结合物联网和机器学习技术的健身系统。设计了数据采集技术。我们还提出了检测心率和构建推荐系统的算法。通过使用深度学习技术，我们的系统能够监控和提醒用户操作的正确性。介绍了系统服务器的详细设计。最后，展示了健身应用及其功能。
总之，本文提出并设计了一种智能健身系统。
图1。健身俱乐部智能系统的结构。
3 。系统的设计
我们系统的参考架构如图1所示。该系统主要由以下部分组成：
（1）
健身器材
健身房设有许多健身器材。通过连接一些传感器来重整这些装置。例如，我们在牵引装置中添加距离传感器以测量牵引距离。然后可以计算拉动锻炼的工作。
（2）
传感器
传感器用于健身设备中以测量健身用户的工作量。通常，我们在设备上使用无线传感器以避免电缆连接问题。传感器的具体类型取决于具体的装置。我们将介绍距离传感器和网络摄像头的使用。
（3）
可穿戴设备
可穿戴设备用于记录日常锻炼，例如实时心率，步行中所采取的步数等。可穿戴设备主要用于在用户不在健身俱乐部时记录活动数据。通过收集这些数据，我们的系统可以更准确地分析用户的健康状况。
（4）
开发板
开发板用于接收从传感器收集的数据。它通常有一个触摸屏供用户操作和查询应用程序。安装在开发板上的应用程序类似于移动终端中的应用程序。它主要用于在传感器和服务器之间传输数据。同时，它也是不使用移动终端的用户的替代设备。
（5）
系统服务器
系统的中间部分是服务器，用于收集和分析从传感器和终端发送的数据。此外，它还为终端提供Web应用程序接口（API）以进行调用。
（6）
计算集群
计算集群主要用于执行高计算任务。这些计算节点由系统服务器分派。
（7）
移动终端
终端通过我们的应用程序显示运动或健身信息。该应用程序在iOS或Android平台上运行。细节在第4节中设计 。
3.1 。使用传感器
在本文中，我们使用距离传感器来测量运动的距离。根据工作负荷公式，消耗的卡路里可以通过计算。 代表拉力，其通常由健身装置给出。 表示距离传感器测量的距离。
消耗的卡路里值是健身的重要参数。因此，距离传感器广泛用于我们的物联网健身系统。
3.2 。数据采集
用户的数据在系统上处理。通过传感器采集和健身带采集两种方法收集数据。
下载高分辨率图像（212KB）下载全尺寸图片
图2。数据采集流程图。
3.2.1 。传感器采集
通常，健身运动的数据由传感器收集。传感器可通过有线和无线两种方式连接到我们的系统。考虑到价格和方便，我们将使用WIFI型号ESP8266，2通过通用输入/输出（GPIO）接口连接到传感器。因此，可以从GPIO读取传感器的数据，这很容易实现。WIFI模型提供了一系列API函数（AT命令）来读取或写入GPIO的值。要启用WIFI模型，我们首先需要通过AT命令将WIFI模式设置为“AP模式”。其次，扫描可用的WIFI接入点。然后，WIFI模型连接到WIFI网络。接下来，设置“AP模式”的参数。完成这些步骤后，WIFI模型可以连接Internet。因此，我们创建一个TCP连接来传输数据。通常，我们可以使用循环读取数据，并通过TCP连接发送这些数据。另一种方法是设置GPIO的中断功能。数据采集过程的流程图如图所示图2。
在大多数情况下，在设定重量后，我们可以通过工作公式计算运动的能量成本。我们需要做的最后一件事是测量运动距离，以便获得运动消耗的能量。
3.2.2 。健身乐队收购
如今，健身带是一种流行的智能设备。越来越多的健身用户与他们一起拥有健身带。健身带用于监视用户身体的数据。在我们的系统中，健身带也用于身份验证。当用户来到健身俱乐部时，健身带将匹配健身俱乐部中的用户帐户。同时，系统将首先分析健身带的日常数据报告，然后向用户推荐合适的锻炼项目。
4 。数据分析
4.1 。烧焦的卡路里
燃烧的卡路里由两部分组成：运动部分和跑步或步行部分。
运动燃烧的卡路里主要由工作公式计算。我们首先用传感器收集距离和重量信息。之后，我们将它们相乘以获得燃烧卡路里的运动部分。
一般来说，为了计算步行或跑步燃烧的卡路里，我们做了一些实验，得到了如下的基本拟合函数。
在式（1），（2）中， 表示用户的身高，和 表示步数， 是距离（米）。通过许多实验验证，我们发现步长大致与人的身高成正比，比例因子约为0.45。 表示用户的重量（千克）， 是燃烧卡路里的价值。我们还发现，燃烧的卡路里大致与人的体重和步行距离成正比。比例系数设定为1.036。在我们的设计中，由健身带或智能手机提供。实际上，卡路里公式是一个经验公式，它是计算燃烧卡路里的神仙粗糙模型。但是，用户指导他们的锻炼是有用的，它仅用于指示锻炼的效果。因此，我们不会讨论卡路里计算的准确公式。
4.2 。心率检测
心率是每分钟心跳次数（bpm）的次数。当一个人处于不同的环境中时，有许多不同的方法可以尝试估计心率。如果用户具有健身带，则其可以自动捕获心率。许多流行的健身带为开发人员提供API以获得实时心率。通常，心率也可以在智能手机中测量，例如iPhone，Android等。
下载高分辨率图像（213KB）下载全尺寸图片
图3。智能手机上的心电图。
通过智能手机检测心率的方法是使用手机摄像头来检测用户的食指的毛细血管变化。当使用者将食指放在相机上时，由于血液被压入食指的皮肤，食指的亮度会有轻微的变化。该过程可以由光敏元件捕获。因此，我们可以通过周期性地改变屏幕亮度来收集bpm。图3显示了智能手机上的心率检测。
心率检测对于用户监测其健康状况非常有用。例如，在图3的下图中，它表示静坐时的一种心律失常（心律不齐）。这可能是由心悸的症状引起的。因此，我们尝试开发一种诊断心脏病疾病的算法。
图4。30连续bpms。
在我们的实现中，我们选择两个节拍之间的时间间隔来构成节拍序列。为简单起见，我们在一分钟内连续30个间隔作为测试数据。在收集心率时，用户处于同一状态，例如安静地坐着。然后我们计算每个节拍的bpm，我们得到一系列连续的bpm值。接下来，我们计算30个bpm值的平均值和标准偏差。根据我们的实验结果，bpm的正常平均值在50到100之间。标准偏差应不大于1.0以保持稳定的心跳。这如图4所示。
实际上，心率可以用作识别的基础。例如，我们可以在系统中使用心率识别来区分不同的用户。我们还可以使用一些复杂的方法来识别正常的心率。但是我们不会进一步详述它，因为它与本文无关。通常，经常调用心率检测，这会消耗大量的系统资源。因此，我们将使用如上所述的简单算法来检测心率。
表1。健身项目和用户的分数。
名称 跑步机 自行车 普拉提 ...
用户0 8 五 0 ...
用户1 7 0 0 ...
用户2 9 7 8 ...
用户3 8 6 0 ...
用户4 9 7 0 ...
用户5 8 8 五 ...
... ... ... ... ...
4.3 。推荐系统
在健身俱乐部，许多用户都有相同的爱好。在锻炼之后，用户可以对锻炼项目进行评分以表达他的偏好。因此，生成包含用户，健身名称和分数的数据集。数据集如表1所示。表格的第一行显示健身项目的名称。其他行显示用户的姓名和这些健身项目的分数。分数范围从0到10.零表示用户对健身项目不感兴趣或者用户尚未尝试锻炼。
通过这些数据，我们可以挖掘一些相关信息。例如，我们的系统可以通过他们的分数找到类似的用户，然后我们的系统将一些推荐的信息推送给这些用户。实际上，这是推荐系统的功能。对于表中的零分，数据中存在一些冗余信息。因此，我们首先从这些数据生成矩阵。然后我们使用奇异值分解（SVD）来提取特征。使用SVD技术，可以用小数据集替换大型数据集。同时，保留了主要信息。也就是说，我们可以使用SVD技术去除冗余信息和噪声（如表中的零）。在本文中，我们将保留原始数据的90％信息。在SVD之后，我们得到一个小矩阵。接下来，我们计算这些用户的相似性。我们通过练习的分数来计算这些用户之间的余弦相似度。相似度计算为公式（3）。 和 代表user1和user2的得分向量。
（3）
实际上，我们可以扩展推荐系统的功能。例如，我们还可以根据健身时间计算相似度。根据推荐系统，一些有用的信息将被推送给用户。
4.4 。行动认可
在健身过程中，我们需要监控行动。特别是在这种情况下，如采取错误动作会造成人身伤害或设备损坏。因此，我们尝试设计一个模型来识别用户的健身行为和行为。为实现这一目标，一些网络摄像头部署在健身俱乐部中以收集实时视频帧。
下载高分辨率图像（280KB）下载全尺寸图片
图5。3D CNN的结构。
事实上，图像识别是计算机领域的经典主题。近年来，深度神经网络被证明在图像识别方面非常有效 [5]。卷积神经网络（CNN）是一种深度神经网络。它的灵感来自生物视觉系统的神经机制。1998年，LeCun等人。结合卷积层和子采样层来创建基本的CNN模型 [7]。CNN是一种特殊的前馈神经网络。它由输入层，卷积层，子采样层和全连接层组成。这些层的数量取决于CNN模型的具体结构。输入层通常是来自图像矩阵的矢
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
J. Parallel Distrib. Comput. 118 (2018) 14–21
IoT-based intelligent fitness system
Binbin Yong a, Zijian Xu a, Xin Wang a, Libin Cheng b, Xue Li a, Xiang Wu a, Qingguo Zhou a,*
a School of Information Science and Engineering, Lanzhou University, Lanzhou, Gansu, China
b 93929 Peoplersquo;s Liberation Army, Lanzhou, Gansu, China
h i g h l i g h t s
A novel IoT-based fitness system is designed in this paper.
The details of a fitness system are given in the paper, including the designs of server and application.
Intelligent technologies are introduced in the paper to achieve a better user experience for fitness system.
a r t i c l e i n f o
Article history:
Received 24 December 2016
Received in revised form 27 March 2017 Accepted 9 May 2017
Available online 15 June 2017
Keywords: Fitness IoT Sensor
Fitness band Artificial intelligence Body building
a b s t r a c t
With the global economic growth, fitness club is developing rapidly in the world. Meanwhile, the fitness industry is booming especially for urban white-collar population. In the circumstances, people need more scientific and practical guidance to build their body. In this paper, we design an Internet of things (IoT) based fitness system to monitor the health statuses of exercisers. The system provides guidance for exercisers. When exercising, the exercise data is collected by sensors and fitness band. Subsequently, these data are sent to the system to be analyzed. With the help of artificial intelligence technology, the system can extract useful guidance information for usersrsquo; body building. In this paper, we will describe the details of the system and further reach out to the implementation technologies. The design of this kind of system is a trend for the future fitness application.
copy; 2017 Elsevier Inc. All rights reserved.
Introduction
With the rapid development of fitness industry, people devote more and more energy to build their body. According to the report of ACSM (American College of Sports Medicine), wearable devices, health and fitness APP (Application), foam roller are the dark horses in 2016 [14,15]. They also predicted that, in the coming years, technology will be the most popular trend for the health and fitness areas, in which the wearable fitness technology would dominate the market. More and more sophisticated fitness track- ers, smart watches, heart rate monitors and GPS tracking devices will appear in the near future. A report1 from China showed that fitness industry has increased by 84% from 2009 to 2014 in China, which means there is an average annual growth rate of almost 17 percent in these five years. At the same time, the number of fitness clubs has increased at an average annual growth rate of almost 5%
Corresponding author. Fax: 86 0931 8912025.
E-mail addresses: yongbb14@lzu.edu.cn (B. Yong), chivy0710@163.com (Z. Xu), xwang2016@lzu.edu.cn (X. Wang), chenglb04@163.com (L. Cheng), lix2015@lzu.edu.cn (X. Li), wuxiang219@qq.com (X. Wu), zhouqg@lzu.edu.cn
(Q. Zhou).
1 http://www.chyxx.com/industry/201608/441062.html.
http://dx.doi.org/10.1016/j.jpdc.2017.05.006
0743-7315/copy; 2017 Elsevier Inc. All rights reserved.
in China. However, subject to the business model, only 20% of these gyms in China earn a profit.
On the other hand, technology has revolutionized the fitness industry by giving users the ability to monitor and correct their fitness exercise. Internet of Things (IoT), as a sign of modern dairy technology, appear in peoplersquo;s daily life with the technologies of wireless sensor network [4,10]. More and more sensors and devices are used to guide the people for physical fitness exercise. These apparatuses range from simple sensors, small fitness band, humble electronic scales, to innovative sleep monitors.
However, the technology in modern fitness club, where is the main fitness place for civilian populations, still lags behind most of modern technologies.
Therefore, based on the above situation, we propose to design a system to offer fitness club an alternative option with IoT and Web technologies in this paper.
The rest of the paper is organized as follows. In the next section, we introduce the related technologies and related work. In Sec- tion 3, we present our design of the system. In Section 4, we show the design of mobile application. At last, in Section 5, we conclude our work and address the future work.
Fig. 1. The structure of intelligent system for fitness club.
Preliminary and related work
IoT is a term that extends the concept of Internet. It contains not only the Internet, but also some smart devices that can be used and be accessed over the Internet. These types of devices in- clude mobile terminals, wired or wireless sensors, cameras, lights, electrical outlets, and other interconnection devices. IoT is used to monitor or control remote devices over the Internet by mobile phone or PC users. With the development of IoT technology, many IoT-based applications appear in business or family. Meanwhile, a large number of IoT applications are being r
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[273866]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
