目前的體重電子秤只具有稱體重的功能，并不能將這些數(shù)據(jù)存儲下來，也不能給出體重變化趨勢,更不 能在使用者體重超標(biāo)時給出提醒。本設(shè)計對傳統(tǒng)的體重秤進(jìn)行改造，使之具有無線傳輸?shù)墓δ堋＜串?dāng) 用戶稱完體重后，按一下按鈕，體重值會通過無線傳輸設(shè)備傳到接收平臺。接收平臺會將收到的數(shù)據(jù)進(jìn) 行存儲,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果數(shù)據(jù)超過預(yù)先設(shè)定的閾值，會通過短信網(wǎng)關(guān)發(fā)短信給用A提前注冊時 登記的手機(jī)號提醒用戶注意飲食，從而達(dá)到用戶對自己的體重進(jìn)行控制的目的。

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

記錄體重變化的趨勢,并體重超過某個設(shè)定的域 值時通過發(fā)短信的方式給用戶提醒，對于控制體重的 人來說是有個有效的輔助手段。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 人群來說,該功能不僅可以幫助醫(yī)生了解病人的體重 變化趨勢，而且可以幫助用戶對自己的體病變化進(jìn)行 了解和記錄，從而對日后的營養(yǎng)計劃提供依據(jù),提高健 身活動的合理性、針對性和科學(xué)性。另外，對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 解我國人口的營養(yǎng)情況、生活發(fā)展水平、體重與疾病的 關(guān)系等各項指標(biāo)。

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

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

本設(shè)計在現(xiàn)有體重電子秤的基礎(chǔ)上增加了新的功能， 對傳統(tǒng)的體重秤進(jìn)行改造,使之具有無線傳輸?shù)墓δ堋?/span> 即當(dāng)用戶稱完體重后，按一下按鈕，體重值會通過無線 傳輸設(shè)備傳到接收平臺。接收平臺會將收到的數(shù)據(jù)進(jìn) 行存儲，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如果數(shù)據(jù)超過預(yù)先設(shè)定的 閾值，會在吃飯時間通過短信網(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并生成 體重變化曲線。

1.系統(tǒng)設(shè)計

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)計包括:體重 秤主體、通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、移 動終端應(yīng)用。通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與Web服務(wù) 器一起構(gòu)成了體重管理系統(tǒng)的后臺服務(wù)端。移動終端 應(yīng)用安裝在智能手機(jī)上,并通過移動網(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重功能外，還 具有無線通信模塊，具有將數(shù)據(jù)通過無線通信技術(shù)發(fā) 送到外網(wǎng)的功能。考慮到一個家庭中每個體重秤可能 會被多個人使用,在設(shè)計體重秤時設(shè)計多個按鈕,每個 按鈕與一個人對應(yīng)。每個體重秤都有一個全球惟一的 SN，用來區(qū)分不同的體重秤。SN加上按鈕編號用來 惟一確定一個用戶。數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議中要明確SN和按 鈕編號。數(shù)據(jù)通過TCP協(xié)議發(fā)送至通信服務(wù)器。每 個體重秤都是TCP客戶端。通過無線網(wǎng)絡(luò)連接,接人 具有固定IP地址的通信服務(wù)器。SN、按鈕編號及體重 數(shù)據(jù)構(gòu)成一個數(shù)據(jù)包一次發(fā)送。每稱一次超重體重， 秤都有一個建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)、斷開連接的過程。

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)器程序接受來自體重秤的連接，解析 數(shù)據(jù),得到體重秤SN、按鈕編號、體重值，并將該信息 寫人數(shù)據(jù)庫中。

當(dāng)設(shè)備數(shù)量眾多時,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自于體重 秤的數(shù)據(jù)。實際開發(fā)中發(fā)現(xiàn)，由于無線連接有時會出 現(xiàn)假連接現(xiàn)象，即實際上設(shè)備巳經(jīng)斷開連接了 ,但無線 連接的不穩(wěn)定性會造成一種假象，在服務(wù)器端連接仍 然保持,而且不會自己斷掉。這種假連接現(xiàn)象的缺點 是,當(dāng)通信程序運(yùn)行時間過長，總連接數(shù)就會超過服務(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),可以對每個連接的數(shù)據(jù)發(fā)送 時間進(jìn)行監(jiān)控。如果發(fā)現(xiàn)在15 min之內(nèi)沒有數(shù)據(jù)發(fā) 送和接收，則由服務(wù)器端程序主動斷開連接。

通信服務(wù)器的另一功能是將數(shù)據(jù)寫人數(shù)據(jù)庫中。 當(dāng)設(shè)備數(shù)量眾多時,并發(fā)訪問壓力大,為了減輕數(shù)據(jù)庫 的壓力,采取的措施有兩點:一是采用了數(shù)據(jù)庫連接池 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。1 min后統(tǒng)一寫入數(shù)據(jù)庫中。這樣大大減少了數(shù)據(jù)庫訪 問的壓力。

1.2.3數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用MongoDB數(shù)據(jù)庫。MongoDB 是由C++語言編寫的高性能、開源、無模式的文檔型 分布式文檔存儲數(shù)據(jù)庫，旨在為Web應(yīng)用提供可擴(kuò)展 的高性能數(shù)據(jù)存儲解決方案,是當(dāng)前NoSql數(shù)據(jù)庫中 比較熱門的一種。它在許多場景下可用于替代傳統(tǒng)的 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫或鍵/值存儲方式。MongoDB是一個介 于關(guān)系數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系數(shù)據(jù)庫之間的產(chǎn)品，是非關(guān)系 數(shù)據(jù)庫當(dāng)中功能最豐富、最像關(guān)系數(shù)據(jù)庫的。它支持 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非常松散，是類似json的bjscm格式，因此 可以存儲比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型。其最大的特點是支持 的查詢語言非常強(qiáng)大，其語法有點類似于面向?qū)ο蟮?/span> 査詢語言，幾乎可以實現(xiàn)類似關(guān)系數(shù)據(jù)庫單表査詢的 絕大部分功能,而且還支持對數(shù)據(jù)建立索引。具有高 性能、易部署、易使用,存儲數(shù)據(jù)非常方便的特點。并 且MongoDB通過連接器能夠作為Hadoop MapReduce 的數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)存儲目的庫，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)端訪問自己的體重數(shù)據(jù)、查看體重 變化曲線及根據(jù)用戶提前填寫的體重閾值，當(dāng)體重超 過閾值時，會通過短信網(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用戶注冊登錄。用戶初次使用體重秤時需要 先注冊,注冊時輸人體重秤的SN,針對不同按鈕號輸 人用戶姓名、昵稱、密碼、年齡、性別、身高、血壓、血糖、 血脂、體重閾值、綁定手機(jī)號、通知時間等信息。這些 初始信息將體重秤的某一個按鈕傳送上來的數(shù)據(jù)與某 個人綁定,有助于對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理以及提醒。以后使 用時只需要登錄即可看到自己的相關(guān)信息。

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

③臨界提醒。當(dāng)用戶的體重超過所設(shè)的閾值或 超過BMI指數(shù)上限時，通過短信網(wǎng)關(guān)在用戶規(guī)定的時 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)計時采用Java語言，Tomcat服務(wù)器。

設(shè)計時要考慮多個用戶并發(fā)訪問時系統(tǒng)的負(fù)載能力。

④界面設(shè)計。體重數(shù)據(jù)展示的Web頁面如圖2 所示。

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

2.體重電子秤設(shè)計

對傳統(tǒng)體重電子秤進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計一種具有無線傳輸 功能的低成本、低功耗的體重秤，是本文的另一個重 點。以下給出體重秤的軟、硬件設(shè)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(shè)備采用電池供電，能夠通過A/D采集來 自重力傳感器的數(shù)據(jù)，對所得原始信息按一定算法處 理,并通過LCD顯示當(dāng)前所采集樣值。用戶可通過按 鍵操作與節(jié)點交互，將數(shù)據(jù)上傳至平臺。通過串口連 接GPRS無線通信模塊。該模塊能將所采集的數(shù)據(jù)傳 送至遠(yuǎn)方平臺。

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)計中沒有上操作系統(tǒng),而是 使用狀態(tài)機(jī)的方式來完成數(shù)據(jù)采集、顯示、無線通信， 及與用戶的交互功能。整個系統(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)在大部分時間處 于LPM3睡眠模式，由定時器 中斷每隔0.5 S將系統(tǒng)喚醒。

系統(tǒng)醒來后，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、無線通 信等。處理完畢后，又進(jìn)入 LPM3睡眠模式。到下一個 0.5 s又會被定時器中斷喚醒。用這種方式實現(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，并通過待時使傳感器節(jié)點 進(jìn)入LPM3深度睡眠模式、發(fā)送完數(shù)據(jù)后關(guān)掉無線模 塊、A/D采樣完后關(guān)閉內(nèi)部參考電源、發(fā)送數(shù)據(jù)時暫 時關(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)點處于靜態(tài)電流消 耗的時間占有節(jié)點工作的大部分時間,減小靜態(tài)電流， 雖然只是一點點，但能極大地增加整個設(shè)備的電池壽命。

2.3硬件低功耗設(shè)計

硬件設(shè)計根據(jù)功能以及低功耗設(shè)計的需要，分為 三部分。其設(shè)計的中心是低功耗設(shè)計。第一部分為傳 感器電路設(shè)計，傳感器電路將原始模擬信號經(jīng)過放大 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，包括A/D采集、LCD實時 數(shù)據(jù)和狀態(tài)顯示以及將數(shù)據(jù)和狀態(tài)實時發(fā)給無線模 塊;第三部分為無線模塊應(yīng)用設(shè)計,主要是無線模塊電 源以及數(shù)據(jù)接口設(shè)計。低功耗硬件設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)是 電源分割、隔離、低功耗等技術(shù)。

3.結(jié)束語

本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)對普通的體 重秤進(jìn)行改造,設(shè)計出了一種具有低功耗無線傳輸功 能的新型體重秤，并給出了整個體重管理系統(tǒng)的設(shè)計 方案。該系統(tǒng)不僅能測量人體體重，而且能在Web端 存儲體重數(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現(xiàn)過程中遇到的困難 及解決方法。該設(shè)計對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)實的 意義。