目前的體重電子秤只具有稱(chēng)體重的功能，并不能將這些數據存儲下來(lái)，也不能給出體重變化趨勢,更不 能在使用者體重超標時(shí)給出提醒。本設計對傳統的體重秤進(jìn)行改造，使之具有無(wú)線(xiàn)傳輸的功能。即當 用戶(hù)稱(chēng)完體重后，按一下按鈕，體重值會(huì )通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸設備傳到接收平臺。接收平臺會(huì )將收到的數據進(jìn) 行存儲,并對數據進(jìn)行分析，如果數據超過(guò)預先設定的閾值，會(huì )通過(guò)短信網(wǎng)關(guān)發(fā)短信給用A提前注冊時(shí) 登記的手機號提醒用戶(hù)注意飲食，從而達到用戶(hù)對自己的體重進(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 些數據存儲下來(lái)，也不能給出體重變化趨勢，更不能在 使用者體重超標時(shí)給出提醒。

記錄體重變化的趨勢,并體重超過(guò)某個(gè)設定的域 值時(shí)通過(guò)發(fā)短信的方式給用戶(hù)提醒，對于控制體重的 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生了解病人的體重 變化趨勢，而且可以幫助用戶(hù)對自己的體病變化進(jìn)行 了解和記錄，從而對日后的營(yíng)養計劃提供依據,提高健 身活動(dòng)的合理性、針對性和科學(xué)性。另外，對于廣大用戶(hù)的體重變化數據的記錄并進(jìn)行大數據分析，可以了 解我國人口的營(yíng)養情況、生活發(fā)展水平、體重與疾病的 關(guān)系等各項指標。

隨著(zhù)人們生活水平的提髙,人們對健康的追求越 來(lái)越髙;隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)大數據移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及 在各行業(yè)的應用，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)采集數據并傳至大數據 平臺進(jìn)行分析的應用模式越來(lái)越多。在該大背景下, 本設計應運而生。

隨著(zhù)國外品牌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)有太大區別， 更多的是能夠測試用戶(hù)體脂肪以及BMI參數，甚至還 能測量用戶(hù)心跳和空氣質(zhì)量監測等。

本設計在現有體重電子秤的基礎上增加了新的功能， 對傳統的體重秤進(jìn)行改造,使之具有無(wú)線(xiàn)傳輸的功能。 即當用戶(hù)稱(chēng)完體重后，按一下按鈕，體重值會(huì )通過(guò)無(wú)線(xiàn) 傳輸設備傳到接收平臺。接收平臺會(huì )將收到的數據進(jìn) 行存儲，并對數據進(jìn)行分析,如果數據超過(guò)預先設定的 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(hù)提醒 用戶(hù)注意飲食,從而達到幫助用戶(hù)對自己的體重進(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(xiàn)。

1.系統設計

1.1系統框圖

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能體重秤的設計包括:體重 秤主體、通信服務(wù)器、數據庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、移 動(dòng)終端應用。通信服務(wù)器、數據庫服務(wù)器與Web服務(wù) 器一起構成了體重管理系統的后臺服務(wù)端。移動(dòng)終端 應用安裝在智能手機上,并通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )與體重管理 系統相連接。系統框圖如圖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(xiàn)通信模塊，具有將數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)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,在設計體重秤時(shí)設計多個(gè)按鈕,每個(gè) 按鈕與一個(gè)人對應。每個(gè)體重秤都有一個(gè)全球惟一的 SN，用來(lái)區分不同的體重秤。SN加上按鈕編號用來(lái) 惟一確定一個(gè)用戶(hù)。數據傳輸協(xié)議中要明確SN和按 鈕編號。數據通過(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(hù)端。通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接,接人 具有固定IP地址的通信服務(wù)器。SN、按鈕編號及體重 數據構成一個(gè)數據包一次發(fā)送。每稱(chēng)一次超重體重， 秤都有一個(gè)建立連接、發(fā)送數據、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 數據,得到體重秤SN、按鈕編號、體重值，并將該信息 寫(xiě)人數據庫中。

當設備數量眾多時(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 秤的數據。實(shí)際開(kāi)發(fā)中發(fā)現，由于無(wú)線(xiàn)連接有時(shí)會(huì )出 現假連接現象，即實(shí)際上設備巳經(jīng)斷開(kāi)連接了 ,但無(wú)線(xiàn) 連接的不穩定性會(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。這種假連接現象的缺點(diǎn) 是,當通信程序運行時(shí)間過(guò)長(cháng)，總連接數就會(huì )超過(guò)服務(wù) 器能接收的最大連接數,從而新的設備就連不上去。 為了避免該現象的出現,可以對每個(gè)連接的數據發(fā)送 時(shí)間進(jìn)行監控。如果發(fā)現在15 min之內沒(méi)有數據發(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據寫(xiě)人數據庫中。 當設備數量眾多時(shí),并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)壓力大,為了減輕數據庫 的壓力,采取的措施有兩點(diǎn):一是采用了數據庫連接池 機制;二是將1 min之內的數據先放到內存中存儲。1 min后統一寫(xiě)入數據庫中。這樣大大減少了數據庫訪(fǎng) 問(wèn)的壓力。

1.2.3數據庫服務(wù)器

數據庫服務(wù)器采用MongoDB數據庫。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 分布式文檔存儲數據庫，旨在為Web應用提供可擴展 的高性能數據存儲解決方案,是當前NoSql數據庫中 比較熱門(mén)的一種。它在許多場(chǎng)景下可用于替代傳統的 關(guān)系型數據庫或鍵/值存儲方式。MongoDB是一個(gè)介 于關(guān)系數據庫和非關(guān)系數據庫之間的產(chǎn)品，是非關(guān)系 數據庫當中功能最豐富、最像關(guān)系數據庫的。它支持 的數據結構非常松散，是類(lèi)似json的bjscm格式，因此 可以存儲比較復雜的數據類(lèi)型。其最大的特點(diǎn)是支持 的查詢(xún)語(yǔ)言非常強大，其語(yǔ)法有點(diǎn)類(lèi)似于面向對象的 査詢(xún)語(yǔ)言，幾乎可以實(shí)現類(lèi)似關(guān)系數據庫單表査詢(xún)的 絕大部分功能,而且還支持對數據建立索引。具有高 性能、易部署、易使用,存儲數據非常方便的特點(diǎn)。并 且MongoDB通過(guò)連接器能夠作為Hadoop MapReduce 的數據源和數據存儲目的庫，這為日后進(jìn)行大數據分 析奠定了基礎。

1.2.4 Web服務(wù)器

Web服務(wù)器提供了 B/S架構的程序,用于支持用 戶(hù)從PC端或手機端訪(fǎng)問(wèn)自己的體重數據、查看體重 變化曲線(xiàn)及根據用戶(hù)提前填寫(xiě)的體重閾值，當體重超 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(hù)注意飲食。

Web服務(wù)器的作用有以下幾方面。

①用戶(hù)注冊登錄。用戶(hù)初次使用體重秤時(shí)需要 先注冊,注冊時(shí)輸人體重秤的SN,針對不同按鈕號輸 人用戶(hù)姓名、昵稱(chēng)、密碼、年齡、性別、身高、血壓、血糖、 血脂、體重閾值、綁定手機號、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)的數據與某 個(gè)人綁定,有助于對數據進(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。當用戶(hù)通過(guò)手機端或PC端登錄體 重管理平臺,輸入昵稱(chēng)和密碼后,會(huì )分別以表格形式和 曲線(xiàn)形式顯示用戶(hù)的體重變化趨勢圖，曲線(xiàn)圖上有 BMI計算結果作為標準體重參考值。用戶(hù)可以査詢(xún)自 己任一時(shí)段的體重值及變化曲線(xiàn)，從而針對自己在彼 時(shí)的生活習慣做出對控制體重有利的調整。

③臨界提醒。當用戶(hù)的體重超過(guò)所設的閾值或 超過(guò)BMI指數上限時(shí)，通過(guò)短信網(wǎng)關(guān)在用戶(hù)規定的時(shí) 間發(fā)送短信給綁定手機提醒用戶(hù)控制飲食。

Web服務(wù)器設計時(shí)采用Java語(yǔ)言，Tomcat服務(wù)器。

設計時(shí)要考慮多個(gè)用戶(hù)并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)系統的負載能力。

④界面設計。體重數據展示的Web頁(yè)面如圖2 所示。

左側顯示的是BMI指數簡(jiǎn)介;右上圖顯示了用 戶(hù)的基本信息和一個(gè)月內用戶(hù)的體重值;右下圖則給 出用戶(hù)體重的變化曲線(xiàn)。通過(guò)體重變化曲線(xiàn)，用戶(hù)可 以預測自己未來(lái)的體重從而對自己的體重進(jìn)行控制。

2.體重電子秤設計

對傳統體重電子秤進(jìn)行改進(jìn),設計一種具有無(wú)線(xiàn)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、硬件設計模塊圖。

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) 自重力傳感器的數據，對所得原始信息按一定算法處 理,并通過(guò)LCD顯示當前所采集樣值。用戶(hù)可通過(guò)按 鍵操作與節點(diǎn)交互，將數據上傳至平臺。通過(guò)串口連 接GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊。該模塊能將所采集的數據傳 送至遠方平臺。

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(xiàn)模塊供電。這樣 能達到節省能耗的目的[4]。

2.2軟件流程圖

由于該系統功比較簡(jiǎn)單，并且為了節省資源和能 量消耗，在該設備的軟件設計中沒(méi)有上操作系統,而是 使用狀態(tài)機的方式來(lái)完成數據采集、顯示、無(wú)線(xiàn)通信， 及與用戶(hù)的交互功能。整個(gè)系統的軟件流程圖如圖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將系統喚醒。

系統醒來(lái)后，完成需要處理 的事務(wù)，如數據采集、處理、

顯示更新、按鍵檢測、無(wú)線(xiàn)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)現了系 統狀態(tài)的轉換,并且達到了低功耗的要求。

軟件采用狀態(tài)機方案，并通過(guò)待時(shí)使傳感器節點(diǎn) 進(jìn)入LPM3深度睡眠模式、發(fā)送完數據后關(guān)掉無(wú)線(xiàn)模 塊、A/D采樣完后關(guān)閉內部參考電源、發(fā)送數據時(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。由于節點(diǎn)處于靜態(tài)電流消 耗的時(shí)間占有節點(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)設備的電池壽命。

2.3硬件低功耗設計

硬件設計根據功能以及低功耗設計的需要，分為 三部分。其設計的中心是低功耗設計。第一部分為傳 感器電路設計，傳感器電路將原始模擬信號經(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 字電路以及人機接口設計，包括A/D采集、LCD實(shí)時(shí) 數據和狀態(tài)顯示以及將數據和狀態(tài)實(shí)時(shí)發(fā)給無(wú)線(xiàn)模 塊;第三部分為無(wú)線(xiàn)模塊應用設計,主要是無(wú)線(xiàn)模塊電 源以及數據接口設計。低功耗硬件設計的關(guān)鍵技術(shù)是 電源分割、隔離、低功耗等技術(shù)。

3.結束語(yǔ)

本文結合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)對普通的體 重秤進(jìn)行改造,設計出了一種具有低功耗無(wú)線(xiàn)傳輸功 能的新型體重秤，并給出了整個(gè)體重管理系統的設計 方案。該系統不僅能測量人體體重，而且能在Web端 存儲體重數據并根據人體的身高、年齡，判斷人體健康 狀態(tài)。

描述了各部分的作用及在實(shí)現過(guò)程中遇到的困難 及解決方法。該設計對于了解自己身體的詳細變化情 況、進(jìn)行合理的飲食規劃及預防疾病具有非?，F實(shí)的 意義。