基于物联网的智能体育馆方案设计与实现

摘 要：随着物联网技术的发展，物联网的应用逐渐扩展到社会生活的各个方面[1]，智能体育馆也成为物联网技术的一个重要应用领域。本项目根据信息化时代背景下新一代智能体育馆的基本建设原则，结合物联网技术，设计与实现了一个智能体育馆系统，不仅保证馆内实时数据的监控、发布与交互，同时提供场馆预定功能以及体育馆内部管理系统，完善体育馆的服务与功能。本文提出的基于物联网的智能体育馆方案即可用于大型体育场馆的智能化管理也可为中小型体育馆提供便捷的场馆安全管理、场馆监控、用户服务等功能。与此同时，本系统也能为物联网的其他智能应用提供一定的借鉴作用。

关键词：物联网技术，智能场馆，无线网络，实时数据，信息化系统

目前国外已提出了较为完整化的智能体育馆概念，但其主要重心放在综合布线系统、语音通信系统、有线电视系统、信息网络系统等方面，很明显这些智能化场馆的概念主要与大型比赛用体育场馆相关，而没有针对生活服务型中小型体育场馆的单一项智能化改进，而国内对于智能体育馆方面的重视度并未达到理想高度，仅有国家重点建设的体育场馆达到了一定的智能化水平，而对于国内的大部分体育馆（开放类服务性场馆）并无相关要求。

此外，关于体育馆信息发布管理平台，目前在国内外已经有很多的体育馆管理平台，而且各类体育馆使用各类平台后也获得很多的便利，但是不可否认的是，在已存在的各类管理平台中存在着大量的问题，平台价格过于昂贵，难于维护或者维护价格昂贵，都是为各个专用体育馆量身定做，专业性太强，可扩展性能差。

本系统根据体育场馆的智能化建设需要，基于物联网技术完成了一套智能体育馆的设计并进行了相应的实现，分别对智能体育馆的硬件平台以及核心软件进行设计，并进行了系统的联调与测试。

一、 智能体育馆总体方案

为了实现体育馆的智能化，并且为体育馆管理者及用户提供智能化管理与使用服务，本系统设计与实现了如下几项功能。

1. 信息的实时采集与发布

对于体育场馆来说，信息主要是一些物理参数，如体育场馆温湿度监测、游泳馆的水温水质监测，场馆内人数统计等。对于场馆中人们所关心的数据，可以实时得显示在网站上，也可以在前台通过屏幕进行显示。

2. 前台的场馆信息发布

场馆管理者可以控制前台发布的内容，包括发布实时侦测的数据、发布公告、发布场馆信息等，使得用户未进场馆，即可知道场馆的所有动态。

3. 场地的智能管理

现行的场地管理主要是人为管理，这样信息传递会出现延时甚至错误，也无法将数据电子化，造成管理上的诸多不便。所以，场地的智能化管理，主要是设计一套可行的流程，实现场地的预定、计时、提醒、问题预警等功能。

4. 面向用户的跨平台便捷服务 从便捷服务的角度来讲，用户最为关心的是游泳馆的水温水质这种基本信息，以及各场馆使用情况的信息。所以要有一个平台，能够对水温水质，或者是场馆使用信息，进行查询。有了这些数据，就能够为用户预定场地创造条件，最终实现网络预订。此外，为方便用户使用各种终端获取该服务，本系统拟制作多平台版本。

根据上述的功能要求，本文构建了基于物联网技术的智能体育馆系统。系统总体方案如

图1所示。

无线传感器网络馆内信息发布系统体育馆支撑硬件体育馆内部网络信息化平台信息处理中心服务器 图1 基于物联网技术的智能体育馆系统总体方案

二、 硬件平台的设计

本系统的硬件设计主要包括四个部分：传感器节点构成的传感网络、体育馆内部网络、服务器与数据库平台、防火墙系统以及体育馆的支撑硬件设备。

1. 传感器节点构成的传感网络

体育馆智能传感网络部署应满足体育场馆的实际需要进行。此系统中，我们安装了人数传感器、温湿度传感器、水温水质监测等几种传感器组成传感器网络[2]。人数传感器用于获取场馆内进出人数数据，温湿度传感器用于检测馆内温度及湿度，在游泳馆中加装水温水质监测传感器可以获取水质的相关信息。体育馆内部署的各个传感器节点公同构成传感器网络，来对体育馆内的相关信息进行智能感知。项目中，通过传感器接入网络将传感器收集到的数据汇集到数据处理中心进行相应的处理，并存入相应的数据库中。

2. 体育馆内部网络系统

系统通过为体育场馆内的信息的传输提供网络平台，以支持语言、数据、图像、控制信号和多媒体信息的接收、存储、处理、交换、传送、播放，从而满足场馆管理和无线传感器网络中对各种信息的通信和广播的要求。其子系统包括：综合布线系统、语音通信系统、信息网络系统、有线电视和视频转播系统、公共（应急）广播系统、电子会议系统[3]等。体育中心数据网络总体上考虑采用三层星型全沉余路由拓扑结构，数据网络系统由核心层、汇聚层和接入层组成[4]。核心层设于体育馆大厅，其它场馆设置汇聚层和接入层二级结构，便于网络可靠运行、高效管理和业务扩展，并为场馆今后日常化经营建立坚实的数据平台。体育场馆的控制网络总体上也采用三层星型全沉余路由拓扑结构，控制网络系统由核心层、汇聚层和接入层组成。核心层设于体育馆大厅，其它场馆设置汇聚层和接入层二级结构，以大幅度提高网络的可靠性和安全性，避免由于网络故障造成控制信号的遗漏、错误或延时。 3. 服务器与数据库平台

服务器与数据库平台的建立需满足数据处理与提供信息化服务两个功能，首先需要对外部传感器采集到的数据进行相应的处理，将处理后的结果存入相应的数据库中；同

时，平台需要负责管理场馆内的硬件设施；第三，服务器平台需要作为WEB服务器面向互联网用户，为他们提供一些便捷的服务，比如场馆的预定以及场馆信息的查询等。 4. 防火墙系统

为了保证内部网络的安全，这里我们采用防火墙技术+DMZ的技术对该平台进行相应的保护。系统的主要架构如图2所示。防火墙是应用最广的一种防范技术。作为系统的第一道防线，其主要作用是监控可信任网络和不可信任网络之间的访问通道，可在内部与外部网络之间形成一道防护屏障，拦截来自外部的非法访问并阻止内部信息的外泄。考虑到会有信息发布、网上预订等功能，应考虑使用带DMZ的防火墙技术。DMZ防火墙方案为要保护的内部网络增加了一道安全防线，通常认为是非常安全的。同时它提供了一个区域放置公共服务器，从而又能有效地避免一些互联应用需要公开，而与内部安全策略相矛盾的情况发生。在DMZ区域中通常包括堡垒主机、Modem池，以及所有的公共服务器，服务器只能用作用户连接，真正的后台数据需要放在内部网络中。该技术方案采用了现有的成熟技术，安装配置快，自动化程度高安全性较高。但也有一定的安全隐患，网络设备和软件的采购费用较高。

图2 网络及防火墙系统

5. 体育馆支撑硬件设备

由体育馆内的视频监控系统、语音通信系统、信息发布系统等构成，主要包括负责支撑智能体育馆的运行与维护的其他硬件设备。 三、 核心软件的设计与实现

本系统的软件设计主要包括：数据处理信息化平台的搭建、场地智能化管理系统以及面向用户的便捷服务平台[5]。核心软件主要为一个应用信息系统，它为体育赛事组织、场馆运营和物业管理业务提供应用服务数据库、信息集成平台和对外信息门户，提高信息的时效性，实现管理自动化，为管理者提供辅助决策支持，已达到提高效率、节约资源和提高经济效益的目的。为应用信息系统提供相关软件设计如下：

1. 数据处理信息化平台

该系统主要负责处理传感器网络采集到数据，并对这些数据进行数据分析、数据挖掘等处理工作，然后通过场地智能化管理系统以及面向用户的信息发布系统进行相关信息的发送及预警。

2. 场地智能化管理系统

体育馆信息管理平台主要涉及由一个web系统组成，功能界面可分为监控信息界面，用于获取传感网数据并在必要时修正；场馆管理界面，用于查询和管理场馆预定状况；信息发布界面，用于在信息发布平台上发布体育馆通知；风采展示界面，在此可以设置信息发布平台上展示的风采图片；报表生成界面，可对体育馆情况生成多种报表，方便管理及保存。其中场馆管理界面又分为按时间查询及按场地查询，用于满足管理员不同需求。该系统需要满足以下功能： （1）信息采集

①数据查询：可以实时或周期性的查询场馆的信息（水温水质，游泳馆人数） ②预警设定：设定各个传感器的阈值，并提供报警功能。例如水温低于20度平台显示报警信息。

③报表查看与生成：查看设备的历史信息，按要求导出设备历史报表信息。 （2）信息发布

①屏幕发布项目：前台大屏幕显示内容发布 ②网页发布项目：网页可查看数据

③公告发布：体育馆公告内容发布（节假日安排、培训班信息等） （3）场馆管理

①预订退订：场馆的预订退订

②场地策略：例如，场地价格，长期预定的场馆，预设占用时间等 ③预订人信息：场馆预订人的信息查询 ④历史信息：场馆使用的历史信息查询 ⑤报表：场馆使用信息报表

3. 面向用户的便捷服务平台

体育馆面向用户的便捷服务平台包括一个信息发布平台主要负责显示风采图片和传感网采集到的实时数据，比如体育馆通知公告、体育馆信息介绍等，同时包括一个服务平台来提供便捷的服务功能比如场馆预定及查询、查询会员相关信息及注册、查询体育馆地理位置及联系方式等。

信息发布及信息管理平台的具体设计功能图如图3所示。

图3 体育馆场地智能管理系统及面向用户的便捷服务平台的结构功能图

四、 联调与测试

1． 针对智能传感网络的测试

项目组通过令智能传感网连续五天不间断工作的实验方式对其稳定性，精度，延迟三个方面进行了测试，设定传感器的数据读取间隔为5秒钟。

在实验期间，智能传感网络一直保持稳定工作状态，温湿度传感数据无明显异常，人数传感器无明显误差。因此可预见智能传感网络可保证其每日稳定性要求；温湿度传感器所获取温度数据精确到小数点后一位，湿度数据（百分数表示）精确到百分之一，实验期间在同一地点，各温度传感器采集数据相差不超过1度，各湿度传感器采集数据相差不超过百分之一，不妨碍体育馆日常运营。五天内人数传感器测量数据误差累积为5人，平均每天一人，相对于日常游泳馆内人数一到两百人，可以忽略。由此可见，在日常工作时，温湿度采集数据精度满足要求，人数采集数据误差在允许范围内；实验期间，温湿度传感器延时最大为1.2s，平均为0.5s；而人数传感器最大延时为0.7s，平均延时为0.2s。相对于5s的读取间隔，以上延时可忽略。

综上分析，体育馆智能传感网络测试效果良好，能够保证该传感网的每日正常运行。 2. 针对信息发布管理平台及数据库的测试

项目组使用Microsoft 的WebApplication Stress Tool软件对信息发布管理平台及数据库进行测试，模拟多个浏览器持续一段时间并发访问被测系统，记录系统相关的一系列信息，计算出系统支持的最大并发用户数。

项目组通过脚本模拟100个强并发用户的访问，并模拟实际用户的一些点击操作。平均响应时间为3.02秒，成功率为100%，web服务器CPU平均占用率为57.64%，最高占用率为68.91%，数据库服务器CPU平均占用率为96.56%，最高占用率为98.34%。

综上分析，信息发布管理平台及数据库测试效果良好，能够基本保证该平台的每日正常运行，后期如需扩大发布范围，应升级服务器。 五、 结论

本项目针对生活服务型中小体育馆，将其作为一个智慧的整体，不仅可直接投入日常应用，并且将从根本上为体育馆的信息管理和发布方式以及场馆检测维护方式带来革命性变化。系统在搭建和维护成本相对较低的情况下将从现在和将来两方面为体育馆降低成本带来收益：一方面该系统一经投入使用，必然将大量减少不必要的人力劳动以及随之而来的花费，另一方面在信息化大背景下该系统更加符合消费群众的心理，其方便的信息化展示将无形地增加用户粘性并将带来更多的消费群体。通过以上论述，显然智能体育馆项目投入将为体育馆带来极佳的经济和社会前景。

[参 考 文 献]

[1] 邓昀;程小辉.面向物联网的智能家居系统设计[J].桂林理工大学学报，2012：18-44. [2] 潘玲蓉.基于物联网的智能医护系统的设计与实现[J].JOURNAL OF IEEE，2012：90-95. [3] 陈敏. 无线传感器网络原理与实践[M].北京：化学工业出版社，2011：29-73.

[4] Jean-Philippe Vasseur. 基于IP的物联网架构、技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，

2011：102-128.

[5] 武士涛.基于物联网技术的智能安防系统应用研究[J].信息安全与技术，2012：20-22