CN107158661A - 一种数据交互健身系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数据交互健身系统，该系统包括智能网关、智能健身器械、移动端app、pc端应用系统。所述智能网关与智能健身器械、移动端app以及pc端应用系统之间通过无线网络进行连接通信；所述智能网关配备私有云、无线路由、健身器械控制枢纽；所述智能健身器械需要配置人体传感器、NFC控制芯片以及ZigBee模块；所述移动端app，用于通过NFC通信获取用户健身健康指标信息；所述pc端应用系统，用于获取智能网关通过无线网络上传至私有云的用户健身信息，针对用户指定健康目标以及用户健身信息进行数据的分析处理。本发明提供了一种智能化高、专业性强的健身系统，帮助人们针对个人特性进行科学的锻炼，达到最优效果。
Description
技术领域
本发明属于物联网智能健身系统技术领域，涉及一种数据交互健身系统。
背景技术
随着人们生活水平日益提高，保持健康的身体状况已经成为人们的基本追求，随着室内健身运动越来越普及，城市人群已经把健身运动作为改善身体状况的日常项目。然而在传统的健身房中，用户需要携带会员卡方可进入健身房，增加了用户负担。用户每次使用完健身器械之后，所有的用户健身信息都将归零，不能很好的把用户的个人健身数据储存下来，使得用户不能根据自身的健身信息进行针对性的锻炼，影响用户的锻炼效果。
大部分人在健身运动中觉得整个过程是枯燥乏味的，而且短时间内看不到什么健身成果，所以在用户每次运动过程中实时反馈个人运动信息，能提高用户健身的积极性，并引导用户进行针对性的训练。此外，健身者通常是在没有教练指导的情况下进行健身运动或者根据教练初期制定的健身方案进行健身运动。对于前者，用户在健身过程中带有一定的盲目性，往往费时费力却达不成既定效果。对于后者，初期用户尚可能够达到目标效果，但是长此以往，按照同一套方案进行健身运动容易达到健身瓶颈期，身体机能如果适应了同一种强度的健身运动，不易于后期的健身发展。
针对传统健身方式存在的缺点，以及不同用户身体情况和锻炼效果存在的巨大差异，我们需要创建一种新型的健身系统。将传统的健身方式与物联网技术结合起来，帮助用户进行更专业、更高效的健身训练，同样也可以帮助健身房商家管理和维护健身器械，并向用户提供健身信息储存与管理的后台服务。
发明内容
本发明所解决的技术问题是，针对现有健身方式技术的不足，提出一种数据交互健身系统，在物联网的基础上延伸和拓展，使得健身房器械能够与用户端进行信息交换和通信，提升用户健身效率与积极性，方便健身房管理与维护健身器械。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种数据交互健身系统，包括：
智能网关，用于记录用户打卡信息，获取健身器械中人体传感器采集到的用户健身信息，并通过用户ID序列号，实现私有云数据库中用户信息与采集到的用户健身信息进行绑定匹配；
智能健身器械，用于提供给用户健身场景，通过人体传感器采集用户健身信息，内置无线通信模块，可以与智能手机及智能网关进行无线通信，双向地传输运动数据及控制指令；
配备NFC-SIM卡的智能手机，用于健身用户打卡登记，与智能健身器械进行身份ID认证，实时获取用户健身信息；
移动端app，用于通过NFC通信获取用户健身信息，进行查询管理个人历史锻炼信息；
pc端应用系统，用于获取智能网关通过无线网络上传至私有云的用户健身信息，对这些数据进行分析处理；用于根据用户健身信息以及用户预期的目标，经过后台的专家系统进行计算分析，提供针对不同个体的健身建议。
进一步的，所述智能网关需要配备智能健身枢纽模块，该模块用于监控整个健身房中的智能健身器械，通过无线方式与智能健身器械进行数据交互，能够检测器械的使用情况，受损器械的报警提醒以及故障排查。
进一步的，所述智能网关需要配备私有云模块，该模块为每个用户单独使用而构建的，因而提供对数据、安全性和服务质量的最有效控制，用户的健身信息隐私都会储存在单独的一个私有云当中，能提供给用户优质的数据安全服务。
进一步的，所述智能网关需要配备无线路由功能，该功能确保所有用户都能够通过手机wifi功能接入互联网，无线频率分别有2.4GHz、5GHz，无线传输速率1200Mbps，2.4GHz频段为300Mbps，5GHz频段为867Mbps。
进一步的，所述智能健身器械需要安装人体传感器，用于采集用户在健身运动过程中身体的各项指标信息，包括心率、肌肉含量、脂肪含量、运动速率、消耗卡路里、身体质量指数、体脂百分比、腰臀比、基础代谢。
进一步的，所述智能健身器械需要安装NFC控制芯片，用于与移动端app进行NFC通信，可以通过点对点打卡识别用户个人信息并传输用户健身信息。
进一步的，所述智能健身器械需要安装ZigBee模块，由于ZigBee无线通信系统具备高稳定、安全、自组网和双向通讯的特点，智能健身器械与智能网关之间可以通过ZigBee模块进行无线通信，把智能健身器材中人体传感器所采集到的用户健身信息通过ZigBee无线通信实时传输到智能网关中，智能网关中的私有云再对数据进行数据存储与分析。
进一步的，所述智能手机需要配备带有NFC无线通信功能的SIM卡，NFC近场通信技术是由非接触式射频识别(RFID)及互联互通技术整合演变而来，在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。
进一步的，所述移动端app需要通过NFC无线通信方式或者无线网络连接智能网关私有云方式来获取用户健身信息，对用户健身信息进行实时监测，查看身体各项指标，针对性的开展健身运动。
进一步的，所述pc端应用系统需要通过无线网络获取智能网关上传至私有云中的用户健身信息，对这些数据进行分析处理，计算出用户在不同的时间节点例如每天、周、月、年中消耗的卡路里总量、肌肉增减总量、脂肪增减总量、四肢维度的变化以及基础代谢总量的变化；并根据用户健身信息以及用户预期设定的健身目标，经过后台的专家系统进行计算分析，提供针对不同个体的健身建议及健身计划，包括有氧运动和无氧运动的合理搭配与训练强度，训练周期针对性的目标，饮食营养的健康搭配。
相较于现有健身方式与技术，本发明具有以下有益效果：
本系统通过使用无线通信技术使得智能网关、健身器械、移动端、pc端相互连接，具有性能稳定、功耗低、传输快等特点。健身房把用户个人信息直接录入到NFC-SIM卡中，并在智能网关私有云当中创建用户健身数据库，用户只需携带手机进行打卡即可完成会员身份确认。用户在使用智能健身器械例如跑步机时，用户把手机放置跑步机NFC感应区进行NFC点对点连接完成身份识别，运动过程中所产生的用户健身信息可以通过NFC无线通信技术实时地传输到用户手机当中，用户使用移动端配套的app方可进行个人数据的查询与浏览，实时观察个人的身体状况指标的变化。带有ZigBee发射模块的健身器械同时把用户健身信息传输到带有ZigBee接收模块的智能网关中，智能网关再将数据传输到私有云当中，用户可以通过移动端或者pc端对私有云进行数据访问。基于这些数据，可以通过pc端的应用系统，得到线上专家系统提供的健身建议及健身计划，当健身器械识别用户身份后，可通过智能网关调用私有云数据库把健身建议及健身计划提取出来并反馈到健身器械显示屏上，指导用户进行科学有效的健身训练，包括有氧运动的时间和强度、无氧运动的肌肉群训练和强度。通过智能网关与健身器械的互联，pc端应用系统可以实时监控和及时维护健身器械，实现一种创新性的管理体系，对于健身用户的训练方式方法以及企业针对健身房的运作和管理有着重大意义。
附图说明
图1为本发明健身器械与智能网关互联的结构示意图；
图2为本发明健身器械与智能手机互联的结构示意图；
图3为本发明NFC控制芯片与SIM卡连接通信示意图；
图4为本发明用户健身信息实时采集和传输示意图；
图5为本发明移动端app查看锻炼记录流程示意图；
图6为本发明智能网关与pc端应用系统互联示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，通过以下具体实施，并结合附图，对本发明进一步的详细说明。
用户使用配备了NFC功能的SIM卡的智能手机，把手机放在门禁NFC感应区，即可与健身房的会员门禁识别系统进行数据交互，身份验证通过即可进入健身房进行锻炼。使用智能器械时，用户将智能手机靠近NFC感应区，NFC感应区配备了一块NFC感应式读卡器，当手机靠近感应区时，手机内部的NFC-SIM卡即可与感应区内部的NFC芯片进行点对点的连接，NFC芯片会读取NFC-SIM卡中的用户ID序列号、用户生理信息，进行身份绑定，并通过微型处理器把用户数据截取出来组织成数据包，通过ZigBee发射模块把数据包发送至智能网关私有云当中。智能网关中的私有云通过解包把用户数据解压出来，并与数据库中的用户数据进行检索匹配，检索出当前用户的数据库并与之匹配，并把pc端健身专家系统所提供的健康建议及健身计划通过智能网关ZigBee模块反馈给智能健身器械，健康计划会显示在器械上的显示屏中，方便用户在锻炼的途中根据自身的健康建议进行合理科学的健身锻炼。在用户锻炼的过程中，人体传感器会把用户的运动指数及身体情况等数据实时记录下来，把采集到的数据储存在NFC控制芯片以及本机内存当中，所述锻炼数据包括用户使用健身器械的类型、健身器械的编号、用户锻炼的时长、锻炼的强度、运动的里程数、锻炼所消耗的卡路里量、用户的心率、肌肉含量、脂肪含量、运动速率、消耗卡路里、身体质量指数、体脂百分比、腰臀比、基础代谢。图2所采集的用户健身信息第一条路径会通过NFC无线通信实时地传输到智能手机中的NFC-SIM卡中；第二条路径会通过ZigBee模块传输到智能网关中的私有云当中。智能手机中的数据，可以通过配套的移动端app查看个人健身信息及身体指标的变化图；私有云中的数据，可以通过wifi与pc端的应用系统连接，系统针对健身信息进行分析处理，计算本次健身的训练效果，并根据采集到的用户生理数据以及用户预设健身目标判定该健身训练是否合理有效，并提供针对性的健身建议及健身计划。
本发明提出智能手机与智能健身器械之间通过NFC技术进行数据的交互，与RFID一样，NFC信息也是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递。NFC通过备之间进行非接触式点对点数据传输(在20厘米内)交换数据。该模式和红外线差不多，可用于数据交换，只是传输距离较短，传输创建速度较快，传输速度也快些，并且功耗低。
在双向传输的模式下，NFC终端双方都会主动发出射频场来建立点对点的通信，相当于两个NFC终端都处于主动模式。支持NFC的终端可以在主动或被动模式下交换数据。在被动模式下，启动NFC通信的设备，也称为NFC发起设备(主设备)，在整个通信过程中提供射频场，将数据发送到另一台设备。另一台设备称为NFC目标设备(从设备)，不必产生射频场，而使用负载调制技术，即可以相同的速度将数据传回发起设备。
目前市场上一部分智能手机不携带NFC硬件模块，考虑到用户成本以及用户体验感受，本文提出一种NFC控制芯片与SIM卡绑定连接的方法如图3。这样就实现了传统SIM卡配备NFC无线通讯传输功能。健身用户只要使用了NFC-SIM卡，即可使原本不支持NFC功能的智能手机实现所有NFC通讯功能。这也为本方案中的健身系统提供了技术支撑。
传统会员认证都是通过健身房发放的会员卡实现，造成了用户携带的不方便。本方案中用户不再需要时刻携带会员卡进入健身房，只需携带智能手机，通过内置的NFC-SIM卡即可打卡完成点对点的身份认证。
传统的健身器械并没有对用户锻炼的数据信息进行采集与存储，用户锻炼完之后往往不能记录下自己锻炼的具体情况。本发明提出的健身系统在健身器械上面安装了人体传感器组件，用户使用健身器械进行锻炼的同时，人体传感器会实时地检测用户的身体特征以及运动强度水平，再通过微型处理器进行数据的包装和处理，分别把用户健身信息存储到NFC控制芯片以及本地内存中。
用户将智能手机靠近NFC感应区即可与健身器械中的NFC控制芯片进行互联，NFC控制芯片将所获取到的用户健身信息实时地传输到NFC-SIM卡中，即可实现用户健身信息的实时采集与存储。
ZigBee技术中，采用对称密钥的安全机制，密钥由网络层和应用层根据实际应用需要生成，并对其进行管理、存储、传送和更新。ZigBee协议栈类为MAC、网络和应用层定义了安全性。它的安全服务包括针对关键进程建立和传输、设备管理和框架保护的方法。
图4中ZigBee模块将人体传感器所采集到的用户健身信息以及健身器械的类型和编号，按照规定的协议格式【器械类型：器械编号：健身数据内容】组织成数据包，经过加密模块加密，再通过ZigBee发射模块把加密后的数据包发送至智能网关。
智能网关将接收到的加密后的数据包，通过自身其加密模块解密，智能网关加密模块和与ZigBee加密模块被初始化为同一个对称密钥，作为加解锁的密钥。解密后获得数据包内容【器械类型：器械编号：健身数据内容】，将获取到的数据包与私有云预置共享密钥进行加密，再传输到私有云当中。
私有云端服务模块接收到加密数据包，用预置对称密钥解密，获取真实的通信数据，其中健身数据内容包括NFC用户ID序列号，首先比较数据库中是否存在该NFC用户ID序列号所对应的健身用户。若不存在健身用户，则该NFC用户ID序列号未激活，所有健身数据不予保存；若存在健身用户，则把所有健身数据存入相对应的健身用户数据库表单中，并依据建立的映射绑定关系，检索该健身器械所对应的该健身用户的健身建议及健身计划，若检索到健身建议及健身计划组织成的数据包，再反向传输给智能网关。
智能网关接受到私有云模块发送的健身建议及健身计划数据包后，通过预置的对称密钥解密获得真实的数据包内容，重新组织加密后，通过ZigBee发射模块反向传输到健身器械的ZigBee模块中。
Zigbee接收模块对接受到的数据包解密，获得真实的数据包内容，若数据包内容中存在该健身用户所对应的健身建议及健身计划，则通过语音的方式进行健身提示，并将健身建议和健身计划显示在健身器械的显示屏上。若数据包内容中不存在相对应的健身建议及健身计划，也会提供相应的语音提醒。
用户在锻炼途中可以根据专家系统所提供的健身建议及健身计划进行针对性的健身训练。在运动结束后，用户分别可用移动端app与pc端应用系统查询自身健身情况和身体指标数据。
所述移动端app，通过智能手机NFC-SIM卡与健身器械NFC控制芯片接触、连接成功，进行点对点网络数据传输，图5中NFC-SIM卡实时获取用户健身信息，用户登陆配套的移动端app，即可查看今日健身数据、历史健身数据、近日身体指标、历史身体指标趋势。移动端app会针对获取的健身信息进行数据计算，如计算身体质量指数(BMI)，BMI＝体重(公斤)/身高2(米2)，并根据BMI正常范围来判断用户身体指标。
所述pc端应用系统，通过Wi-Fi无线通信技术获取得到智能网关私有云当中的用户健身信息，对这些数据进行分析处理，计算出用户健身强度、不同时间节点的锻炼总时间、锻炼总量、消耗总能量等。并通过图6中健身专家系统推理出针对不同用户的健身建议和健身计划。
专家系统通常由人机交互界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取等部分构成。其中核心组件是知识库与推理机。知识库是大量专业知识和经验在计算机中的映射，推理机是利用专家知识和经验进行的逻辑判断、推理和分析的能力在计算机中的映射。
调用健身专家系统对用户健身信息进行分析评估，通过大量专家知识和经验判断用户的健身信息是否合理，若不合理，针对用户初始设定的健身目标以及自身身体指标进行分析计算，得出合适科学的健身建议及健身计划，并组织成数据包，预置密钥加密后发送到智能网关私有云中，检索相对应的用户数据库表单，将解密后的数据内容存入对应数据库表单中，当用户的NFC-SIM卡与健身器械进行互联后，智能网关自动获取私有云中的健身建议及健身计划信息，并反馈到健身器械的显示屏当中便于用户进行科学地训练。
所述健身器械当中的微型处理器，把获取到的器械运行状况和器械使用状况实时传输到ZigBee模块，ZigBee发射模块再把器械数据传输到智能网关私有云当中，健身房管理者可以通过pc端应用系统查看所有健身器械的运行状况和使用状况，从而做出相应的资源配置和调整。
该过程的成功实现，能够帮助用户在更加智能、科学、个性化的系统中进行健身运动，系统实时记录监测用户健身信息并及时反馈给用户健身建议与健身计划。
提供以上优选实施例仅仅是为了描述本发明的目的，并非因此限制本发明的专利范围。本发明的范围由所附权利要求限定。在不脱离本发明原理的前提下，可稍作改进和润饰，这些改进和润饰均应涵盖在本发明的范围之内。
Claims (10)
1.一种数据交互健身系统，其特征在于，包括：
智能网关，用于记录用户打卡信息，获取健身器械中人体传感器采集到的用户健身信息，并通过用户ID序列号，实现私有云数据库中用户信息与采集到的用户健身信息进行绑定匹配；
智能健身器械，用于提供给用户健身场景，通过人体传感器采集用户健身信息，内置无线通信模块，可以与智能手机及智能网关进行无线通信，双向地传输运动数据及控制指令；
配备NFC-SIM卡的智能手机，用于健身用户打卡登记，与智能健身器械进行身份ID认证，实时获取用户健身信息；
移动端app，用于通过NFC通信获取用户健身信息，进行查询管理个人历史锻炼信息；
pc端应用系统，用于获取智能网关通过无线网络上传至私有云的用户健身信息，对这些数据进行分析处理；用于根据用户健身信息以及用户预期的目标，经过后台的专家系统进行计算分析，提供针对不同个体的健身建议。
2.根据权利要求1所述的数据交互健身系统，其特征在于：所述智能网关需要配备智能健身枢纽模块，该模块用于监控整个健身房中的智能健身器械，通过无线方式与智能健身器械进行数据交互，能够检测器械的使用情况，受损器械的报警提醒以及故障排查。
3.根据权利要求1所述的数据交互健身系统，其特征在于：所述智能网关需要配备私有云模块，该模块为每个用户单独使用而构建的，因而提供对数据、安全性和服务质量的最有效控制，用户的健身信息隐私都会储存在单独的一个私有云当中，能提供给用户优质的数据安全服务。
4.根据权利要求1所述的数据交互健身系统，其特征在于：所述智能网关需要配备无线路由功能，该功能确保所有用户都能够通过手机wifi功能接入互联网，无线频率分别有2.4GHz、5GHz，无线传输速率1200Mbps，2.4GHz频段为300Mbps，5GHz频段为867Mbps。
5.根据权利要求1所述的数据交互健身系统，其特征在于：所述智能健身器械需要安装人体传感器，用于采集用户在健身运动过程中身体的各项指标信息，包括心率、肌肉含量、脂肪含量、运动速率、消耗卡路里、身体质量指数、体脂百分比、腰臀比、基础代谢。
6.根据权利要求1所述的数据交互健身系统，其特征在于：所述智能健身器械需要安装NFC控制芯片，用于与移动端app进行NFC通信，可以通过点对点打卡识别用户个人信息并传输用户健身信息。
7.根据权利要求1所述的数据交互健身系统，其特征在于：所述智能健身器械需要安装ZigBee模块，由于ZigBee无线通信系统具备高稳定、安全、自组网和双向通讯的特点，智能健身器械与智能网关之间可以通过ZigBee模块进行无线通信，把智能健身器材中人体传感器所采集到的用户健身信息通过ZigBee无线通信实时传输到智能网关中，智能网关中的私有云再对数据进行数据存储与分析。
8.根据权利要求1所述的数据交互健身系统，其特征在于：所述智能手机需要配备带有NFC无线通信功能的SIM卡，NFC近场通信技术是由非接触式射频识别(RFID)及互联互通技术整合演变而来，在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。
9.根据权利要求1所述的数据交互健身系统，其特征在于：所述移动端app需要通过NFC无线通信方式或者无线网络连接智能网关私有云方式来获取用户健身信息，对用户健身信息进行实时监测，查看身体各项指标，针对性的开展健身运动。
10.根据权利要求1所述的数据交互健身系统，其特征在于：所述pc端应用系统需要通过无线网络获取智能网关上传至私有云中的用户健身信息，对这些数据进行分析处理，计算出用户在不同的时间节点例如每天、周、月、年中消耗的卡路里总量、肌肉增减总量、脂肪增减总量、四肢维度的变化以及基础代谢总量的变化；并根据用户健身信息以及用户预期设定的健身目标，经过后台的专家系统进行计算分析，提供针对不同个体的健身建议及健身计划，包括有氧运动和无氧运动的合理搭配与训练强度，训练周期针对性的目标，饮食营养的健康搭配。
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