目前的體重電子秤只具有稱(chēng)體重的功能，并不能將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)，也不能給出體重變化趨勢(shì),更不 能在使用者體重超標(biāo)時(shí)給出提醒。本設(shè)計(jì)對(duì)傳統(tǒng)的體重秤進(jìn)行改造，使之具有無(wú)線傳輸?shù)墓δ?。即?dāng) 用戶稱(chēng)完體重后，按一下按鈕，體重值會(huì)通過(guò)無(wú)線傳輸設(shè)備傳到接收平臺(tái)。接收平臺(tái)會(huì)將收到的數(shù)據(jù)進(jìn) 行存儲(chǔ),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值，會(huì)通過(guò)短信網(wǎng)關(guān)發(fā)短信給用A提前注冊(cè)時(shí) 登記的手機(jī)號(hào)提醒用戶注意飲食，從而達(dá)到用戶對(duì)自己的體重進(jìn)行控制的目的。

目前的體重電子秤只具有稱(chēng)體重的功能，并不能將這 些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)，也不能給出體重變化趨勢(shì)，更不能在 使用者體重超標(biāo)時(shí)給出提醒。

記錄體重變化的趨勢(shì),并體重超過(guò)某個(gè)設(shè)定的域 值時(shí)通過(guò)發(fā)短信的方式給用戶提醒，對(duì)于控制體重的 人來(lái)說(shuō)是有個(gè)有效的輔助手段。特別是對(duì)于正在發(fā)育 的嬰兒，高血壓、高血糖等身體狀況與體重密切相關(guān)的 人群來(lái)說(shuō),該功能不僅可以幫助醫(yī)生了解病人的體重 變化趨勢(shì)，而且可以幫助用戶對(duì)自己的體病變化進(jìn)行 了解和記錄，從而對(duì)日后的營(yíng)養(yǎng)計(jì)劃提供依據(jù),提高健 身活動(dòng)的合理性、針對(duì)性和科學(xué)性。另外，對(duì)于廣大用戶的體重變化數(shù)據(jù)的記錄并進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，可以了 解我國(guó)人口的營(yíng)養(yǎng)情況、生活發(fā)展水平、體重與疾病的 關(guān)系等各項(xiàng)指標(biāo)。

隨著人們生活水平的提髙,人們對(duì)健康的追求越 來(lái)越髙;隨著物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及 在各行業(yè)的應(yīng)用，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)并傳至大數(shù)據(jù) 平臺(tái)進(jìn)行分析的應(yīng)用模式越來(lái)越多。在該大背景下, 本設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。

隨著國(guó)外品牌Withings在2013年CES發(fā)布第一 款全新智能身體分析秤，各個(gè)品牌的分析秤便紛至沓 來(lái)。這些體重秤與一般的電子體重秤沒(méi)有太大區(qū)別， 更多的是能夠測(cè)試用戶體脂肪以及BMI參數(shù)，甚至還 能測(cè)量用戶心跳和空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)等。

本設(shè)計(jì)在現(xiàn)有體重電子秤的基礎(chǔ)上增加了新的功能， 對(duì)傳統(tǒng)的體重秤進(jìn)行改造,使之具有無(wú)線傳輸?shù)墓δ堋?/span> 即當(dāng)用戶稱(chēng)完體重后，按一下按鈕，體重值會(huì)通過(guò)無(wú)線 傳輸設(shè)備傳到接收平臺(tái)。接收平臺(tái)會(huì)將收到的數(shù)據(jù)進(jìn) 行存儲(chǔ)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如果數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)先設(shè)定的 閾值，會(huì)在吃飯時(shí)間通過(guò)短信網(wǎng)關(guān)發(fā)短信給用戶提醒 用戶注意飲食,從而達(dá)到幫助用戶對(duì)自己的體重進(jìn)行 控制的目的。另外，還可以將體重值記錄下來(lái)并生成 體重變化曲線。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)框圖

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能體重秤的設(shè)計(jì)包括:體重 秤主體、通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、Web服務(wù)器、移 動(dòng)終端應(yīng)用。通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器與Web服務(wù) 器一起構(gòu)成了體重管理系統(tǒng)的后臺(tái)服務(wù)端。移動(dòng)終端 應(yīng)用安裝在智能手機(jī)上,并通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與體重管理 系統(tǒng)相連接。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2各部分功能描述

1.2.1 體重秤

體重電子秤除了具有普通秤所具有的稱(chēng)重功能外，還 具有無(wú)線通信模塊，具有將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)發(fā) 送到外網(wǎng)的功能?？紤]到一個(gè)家庭中每個(gè)體重秤可能 會(huì)被多個(gè)人使用,在設(shè)計(jì)體重秤時(shí)設(shè)計(jì)多個(gè)按鈕,每個(gè) 按鈕與一個(gè)人對(duì)應(yīng)。每個(gè)體重秤都有一個(gè)全球惟一的 SN，用來(lái)區(qū)分不同的體重秤。SN加上按鈕編號(hào)用來(lái) 惟一確定一個(gè)用戶。數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議中要明確SN和按 鈕編號(hào)。數(shù)據(jù)通過(guò)TCP協(xié)議發(fā)送至通信服務(wù)器。每 個(gè)體重秤都是TCP客戶端。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接,接人 具有固定IP地址的通信服務(wù)器。SN、按鈕編號(hào)及體重 數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)包一次發(fā)送。每稱(chēng)一次超重體重， 秤都有一個(gè)建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)、斷開(kāi)連接的過(guò)程。

1.2.2通信服務(wù)器

通信服務(wù)器的主要功能是充當(dāng)TCP連接的服務(wù) 器端。通信服務(wù)器程序接受來(lái)自體重秤的連接，解析 數(shù)據(jù),得到體重秤SN、按鈕編號(hào)、體重值，并將該信息 寫(xiě)人數(shù)據(jù)庫(kù)中。

當(dāng)設(shè)備數(shù)量眾多時(shí),通信服務(wù)器的壓力比較大。 為此通信服務(wù)器采用異步連接的方式接收來(lái)自于體重 秤的數(shù)據(jù)。實(shí)際開(kāi)發(fā)中發(fā)現(xiàn)，由于無(wú)線連接有時(shí)會(huì)出 現(xiàn)假連接現(xiàn)象，即實(shí)際上設(shè)備巳經(jīng)斷開(kāi)連接了 ,但無(wú)線 連接的不穩(wěn)定性會(huì)造成一種假象，在服務(wù)器端連接仍 然保持,而且不會(huì)自己斷掉。這種假連接現(xiàn)象的缺點(diǎn) 是,當(dāng)通信程序運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，總連接數(shù)就會(huì)超過(guò)服務(wù) 器能接收的最大連接數(shù),從而新的設(shè)備就連不上去。 為了避免該現(xiàn)象的出現(xiàn),可以對(duì)每個(gè)連接的數(shù)據(jù)發(fā)送 時(shí)間進(jìn)行監(jiān)控。如果發(fā)現(xiàn)在15 min之內(nèi)沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā) 送和接收，則由服務(wù)器端程序主動(dòng)斷開(kāi)連接。

通信服務(wù)器的另一功能是將數(shù)據(jù)寫(xiě)人數(shù)據(jù)庫(kù)中。 當(dāng)設(shè)備數(shù)量眾多時(shí),并發(fā)訪問(wèn)壓力大,為了減輕數(shù)據(jù)庫(kù) 的壓力,采取的措施有兩點(diǎn):一是采用了數(shù)據(jù)庫(kù)連接池 機(jī)制;二是將1 min之內(nèi)的數(shù)據(jù)先放到內(nèi)存中存儲(chǔ)。1 min后統(tǒng)一寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)中。這樣大大減少了數(shù)據(jù)庫(kù)訪 問(wèn)的壓力。

1.2.3數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)。MongoDB 是由C++語(yǔ)言編寫(xiě)的高性能、開(kāi)源、無(wú)模式的文檔型 分布式文檔存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，旨在為Web應(yīng)用提供可擴(kuò)展 的高性能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案,是當(dāng)前NoSql數(shù)據(jù)庫(kù)中 比較熱門(mén)的一種。它在許多場(chǎng)景下可用于替代傳統(tǒng)的 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)或鍵/值存儲(chǔ)方式。MongoDB是一個(gè)介 于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)之間的產(chǎn)品，是非關(guān)系 數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中功能最豐富、最像關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的。它支持 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非常松散，是類(lèi)似json的bjscm格式，因此 可以存儲(chǔ)比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)類(lèi)型。其最大的特點(diǎn)是支持 的查詢語(yǔ)言非常強(qiáng)大，其語(yǔ)法有點(diǎn)類(lèi)似于面向?qū)ο蟮?/span> 査詢語(yǔ)言，幾乎可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)單表査詢的 絕大部分功能,而且還支持對(duì)數(shù)據(jù)建立索引。具有高 性能、易部署、易使用,存儲(chǔ)數(shù)據(jù)非常方便的特點(diǎn)。并 且MongoDB通過(guò)連接器能夠作為Hadoop MapReduce 的數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)目的庫(kù)，這為日后進(jìn)行大數(shù)據(jù)分 析奠定了基礎(chǔ)。

1.2.4 Web服務(wù)器

Web服務(wù)器提供了 B/S架構(gòu)的程序,用于支持用 戶從PC端或手機(jī)端訪問(wèn)自己的體重?cái)?shù)據(jù)、查看體重 變化曲線及根據(jù)用戶提前填寫(xiě)的體重閾值，當(dāng)體重超 過(guò)閾值時(shí)，會(huì)通過(guò)短信網(wǎng)關(guān)發(fā)短信提醒用戶注意飲食。

Web服務(wù)器的作用有以下幾方面。

①用戶注冊(cè)登錄。用戶初次使用體重秤時(shí)需要 先注冊(cè),注冊(cè)時(shí)輸人體重秤的SN,針對(duì)不同按鈕號(hào)輸 人用戶姓名、昵稱(chēng)、密碼、年齡、性別、身高、血壓、血糖、 血脂、體重閾值、綁定手機(jī)號(hào)、通知時(shí)間等信息。這些 初始信息將體重秤的某一個(gè)按鈕傳送上來(lái)的數(shù)據(jù)與某 個(gè)人綁定,有助于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理以及提醒。以后使 用時(shí)只需要登錄即可看到自己的相關(guān)信息。

②信息展示。當(dāng)用戶通過(guò)手機(jī)端或PC端登錄體 重管理平臺(tái),輸入昵稱(chēng)和密碼后,會(huì)分別以表格形式和 曲線形式顯示用戶的體重變化趨勢(shì)圖，曲線圖上有 BMI計(jì)算結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)體重參考值。用戶可以査詢自 己任一時(shí)段的體重值及變化曲線，從而針對(duì)自己在彼 時(shí)的生活習(xí)慣做出對(duì)控制體重有利的調(diào)整。

③臨界提醒。當(dāng)用戶的體重超過(guò)所設(shè)的閾值或 超過(guò)BMI指數(shù)上限時(shí)，通過(guò)短信網(wǎng)關(guān)在用戶規(guī)定的時(shí) 間發(fā)送短信給綁定手機(jī)提醒用戶控制飲食。

Web服務(wù)器設(shè)計(jì)時(shí)采用Java語(yǔ)言，Tomcat服務(wù)器。

設(shè)計(jì)時(shí)要考慮多個(gè)用戶并發(fā)訪問(wèn)時(shí)系統(tǒng)的負(fù)載能力。

④界面設(shè)計(jì)。體重?cái)?shù)據(jù)展示的Web頁(yè)面如圖2 所示。

左側(cè)顯示的是BMI指數(shù)簡(jiǎn)介;右上圖顯示了用 戶的基本信息和一個(gè)月內(nèi)用戶的體重值;右下圖則給 出用戶體重的變化曲線。通過(guò)體重變化曲線，用戶可 以預(yù)測(cè)自己未來(lái)的體重從而對(duì)自己的體重進(jìn)行控制。

2.體重電子秤設(shè)計(jì)

對(duì)傳統(tǒng)體重電子秤進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)一種具有無(wú)線傳輸 功能的低成本、低功耗的體重秤，是本文的另一個(gè)重 點(diǎn)。以下給出體重秤的軟、硬件設(shè)計(jì)模塊圖。

2.1體重電子秤硬件模塊圖

圖3所示是一種低成本、低功耗的電子秤的硬件 模塊圖。該設(shè)備采用電池供電，能夠通過(guò)A/D采集來(lái) 自重力傳感器的數(shù)據(jù)，對(duì)所得原始信息按一定算法處 理,并通過(guò)LCD顯示當(dāng)前所采集樣值。用戶可通過(guò)按 鍵操作與節(jié)點(diǎn)交互，將數(shù)據(jù)上傳至平臺(tái)。通過(guò)串口連 接GPRS無(wú)線通信模塊。該模塊能將所采集的數(shù)據(jù)傳 送至遠(yuǎn)方平臺(tái)。

采用低功耗MSP430處理器，電池分3路分別給 重力傳感器、處理器及顯示器和無(wú)線模塊供電。這樣 能達(dá)到節(jié)省能耗的目的[4]。

2.2軟件流程圖

由于該系統(tǒng)功比較簡(jiǎn)單，并且為了節(jié)省資源和能 量消耗，在該設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)中沒(méi)有上操作系統(tǒng),而是 使用狀態(tài)機(jī)的方式來(lái)完成數(shù)據(jù)采集、顯示、無(wú)線通信， 及與用戶的交互功能。整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。

在圖4所示的軟件流程 圖中，系統(tǒng)在大部分時(shí)間處 于LPM3睡眠模式，由定時(shí)器 中斷每隔0.5 S將系統(tǒng)喚醒。

系統(tǒng)醒來(lái)后，完成需要處理 的事務(wù)，如數(shù)據(jù)采集、處理、

顯示更新、按鍵檢測(cè)、無(wú)線通 信等。處理完畢后，又進(jìn)入 LPM3睡眠模式。到下一個(gè) 0.5 s又會(huì)被定時(shí)器中斷喚醒。用這種方式實(shí)現(xiàn)了系 統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,并且達(dá)到了低功耗的要求。

軟件采用狀態(tài)機(jī)方案，并通過(guò)待時(shí)使傳感器節(jié)點(diǎn) 進(jìn)入LPM3深度睡眠模式、發(fā)送完數(shù)據(jù)后關(guān)掉無(wú)線模 塊、A/D采樣完后關(guān)閉內(nèi)部參考電源、發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)暫 時(shí)關(guān)掉LCD背光以減小總工作電流等措施，使得靜態(tài) 電流減小了 0. 6 mA左右。由于節(jié)點(diǎn)處于靜態(tài)電流消 耗的時(shí)間占有節(jié)點(diǎn)工作的大部分時(shí)間,減小靜態(tài)電流， 雖然只是一點(diǎn)點(diǎn)，但能極大地增加整個(gè)設(shè)備的電池壽命。

2.3硬件低功耗設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)根據(jù)功能以及低功耗設(shè)計(jì)的需要，分為 三部分。其設(shè)計(jì)的中心是低功耗設(shè)計(jì)。第一部分為傳 感器電路設(shè)計(jì)，傳感器電路將原始模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大 整形處理,以便于MCU進(jìn)行A/D采集;第二部分為數(shù) 字電路以及人機(jī)接口設(shè)計(jì)，包括A/D采集、LCD實(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)和狀態(tài)顯示以及將數(shù)據(jù)和狀態(tài)實(shí)時(shí)發(fā)給無(wú)線模 塊;第三部分為無(wú)線模塊應(yīng)用設(shè)計(jì),主要是無(wú)線模塊電 源以及數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)。低功耗硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是 電源分割、隔離、低功耗等技術(shù)。

3.結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)對(duì)普通的體 重秤進(jìn)行改造,設(shè)計(jì)出了一種具有低功耗無(wú)線傳輸功 能的新型體重秤，并給出了整個(gè)體重管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 方案。該系統(tǒng)不僅能測(cè)量人體體重，而且能在Web端 存儲(chǔ)體重?cái)?shù)據(jù)并根據(jù)人體的身高、年齡，判斷人體健康 狀態(tài)。

描述了各部分的作用及在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中遇到的困難 及解決方法。該設(shè)計(jì)對(duì)于了解自己身體的詳細(xì)變化情 況、進(jìn)行合理的飲食規(guī)劃及預(yù)防疾病具有非常現(xiàn)實(shí)的 意義。