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體重秤方案開發(fā)
體重秤的種類可以分為：電子體重秤、機械體重秤（指針體重秤）。體重秤還可以分為帶身高尺的體重秤和不帶身高尺的體重秤。另外還有一種體脂稱，是電子秤的一種，除了可以測量體重之外，還可以測量脂肪、卡路里、骨骼、水分等含量。
體重秤能夠準確地稱量人的體重，并且通過每日的體重變化，反應某段時間的體重控制情況。身高體重秤采用超聲波技術測量身高(無觸碰式)；精密傳感器測量體重，能同時顯示出身高、體重結果。傳統(tǒng)的身高體重秤只能測量體重或身高，功能單一，基于這樣的考慮我們設計了人體趣味身高體重秤，能用5個LED燈對人體的胖瘦作出指示，增加了身高體重秤的趣味性和實用性。
一、趣味身高體重秤結構
采用壓力傳感器、超聲波傳感器設計了人體趣味身高體重秤，其結構示意圖如圖1所示。
人體趣味身高體重秤包括:體重秤底座、壓力傳感器模塊、體重秤立桿、超聲波傳感器模塊、單片機最小系統(tǒng)、五個指示燈、電源、性別選擇按鈕等。體重秤立桿垂直固定在體重秤底座上，壓力傳感器模塊和電源安裝在體重秤底座內部，性別選擇按鈕安裝在體重秤立桿側面，超聲波傳感器模塊固定在體重秤立桿頂端，壓力傳感器模塊和超聲波傳感器模塊輸出的電壓信號都送入單片機最小系統(tǒng)，單片機最小系統(tǒng)將處理結果送入五個指示燈進行顯示。
二、身高體重秤電路設計
單片機編程簡單，成本低廉，在很多控制領域里都有廣泛的應用。單片機最小系統(tǒng)電路，包括單片機、提供時鐘的晶振電路、用于初始化的復位電路、電源電路。AT89S5X單片機有40個端口，P0口使用時一般通過接排阻拉高電平。單片機最小系統(tǒng)中的單片機內部貯存男女身高與體重的關系式，單片機最小系統(tǒng)輸出信號控制五個指示燈中的一個點亮。
電源為5伏直流電源，其正極接單片機最小系統(tǒng)中單片機的40管腳，負極接單片機最小系統(tǒng)中單片機的20管腳。性別選擇按鈕一端連接電源(11)的負極，另一端連接單片機最小系統(tǒng)中單片機的25管腳。
人體趣味身高體重秤電路單元如圖3所示，壓力傳感器模塊包括壓力傳感器［4－6］、放大器和A/D轉換器，壓力傳感器模塊外接4個管腳，分別是電源Vcc，時鐘SCK，數據輸出DT，地GND，這4個管腳插在排針座上用引線引出，其中電源Vcc接單片機最小系統(tǒng)中單片機的40管腳，時鐘SCK接單片機最小系統(tǒng)中單片機的26管腳，數據輸出DT接單片機最小系統(tǒng)中單片機的27管腳，地GND接單片機最小系統(tǒng)中單片機的20管腳。
超聲波傳感器模塊外接4個管腳，分別是電源VCC，地GND，數字信號DO，模擬信號AO。其電源VCC、地GND分別接電源的正負極，其輸出的模擬信號AO送入單片機最小系統(tǒng)板中單片機的28管腳，其數字信號DO管腳不連接。
五個LED指示燈［7－8］的負極串聯一個470歐的電阻后接單片機最小系統(tǒng)中單片機的20管腳，第一指示燈的正極接單片機最小系統(tǒng)中單片機的39管腳，當第一指示燈(6)被點亮時發(fā)出紅光，表示肥胖。第二指示燈的正極接單片機最小系統(tǒng)中單片機的38管腳，當第二指示燈被點亮時發(fā)出黃光，表示體重偏重。第三指示燈的正極接單片機最小系統(tǒng)中單片機的37管腳，當第三指示燈被點亮時發(fā)出綠光，表示體重正常。第四指示燈的正極接單片機最小系統(tǒng)中單片機的36管腳，當第四指示燈被點亮時發(fā)出藍光，表示體重偏輕。第五指示燈的正極接單片機最小系統(tǒng)(5)中單片機的35管腳，當第五指示燈被點亮時發(fā)出白光，表示體重不足。
三、身高體重秤的軟件設計
單片機程序運行時，首先讀取壓力傳感器模塊和超聲波傳感器模塊的數值，根據傳感器的數值判斷是否有人站上了趣味身高體重秤，當有人站上了趣味身高體重秤后，根據性別選取是否按下性別選擇按鈕，根據世界衛(wèi)生組織的人體的胖瘦標準，男性:(身高－80)×70%=標準體重，女性:(身高－70)×60%=標準體重，其中身高以厘米為單位。標準體重正負10%為正常體重，標準體重正負10%～20%為體重過重或過輕，標準體重正負20%以上為肥胖或體重不足，單片機最小系統(tǒng)按照世界衛(wèi)生組織的標準判斷人體的胖瘦，輸出結果控制指示燈作出指示。當單片機最小系統(tǒng)判斷人已經走下趣味身高體重秤后，熄滅全部指示燈并重新讀取壓力傳感器模塊和超聲波傳感器模塊的數值。
使用單片機最小系統(tǒng)、壓力傳感器模塊、超聲波傳感器模塊、LED燈等器件設計了人體趣味身高體重秤。壓力傳感器模塊和超聲波傳感器模塊輸出的信號送入單片機最小系統(tǒng)處理，得到人體的體重和身高數據，創(chuàng)新性的設計了性別選擇按鈕，根據測試者性別選取是否按下性別選擇按鈕，根據單片機中預先儲存的世界衛(wèi)生組織規(guī)定的人體胖瘦標準，判斷人體的胖瘦程度，單片機最小系統(tǒng)用處理結果控制五個指示燈進行胖瘦顯示。
四、智能體重秤方案設計
1、基于物聯網技術的智能體重秤簡介
目前的體重秤只具有稱體重的功能，并不能將這些數據存儲下來，也不能給出體重變化趨勢，更不能在使用者體重超標時給出提醒。
記錄體重變化的趨勢，并體重超過某個設定的域值時通過發(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行了解和記錄，從而對日后的營養(yǎng)計劃提供依據，提高健身活動的合理性、針對性和科學性。另外，對于廣大用戶的體重變化數據的記錄并進行大數據分析，可以了解我國人口的營養(yǎng)情況、生活發(fā)展水平、體重與疾病的關系等各項指標。
隨著人們生活水平的提高，人們對健康的追求越來越高；隨著物聯網大數據移動互聯網技術的發(fā)展及在各行業(yè)的應用，通過物聯網采集數據并傳至大數據平臺進行分析的應用模式越來越多。
在現有體重秤的基礎上增加了新的功能，對傳統(tǒng)的體重秤進行改造，使之具有無線傳輸的功能。即當用戶稱完體重后，按一下按鈕，體重值會通過無線傳輸設備傳到接收平臺。接收平臺會將收到的數據進行存儲并對數據進行分析，如果數據超過預先設定的閾值，會在吃飯時間通過短信網關發(fā)短信給用戶提醒用戶注意飲食，從而達到幫助用戶對自己的體重進行控制的目的。另外，還可以將體重值記錄下來并生成體重變化曲線。
2、智能體重秤方案架構
基于物聯網技術的智能體重秤的設計包括：體重秤主體、通信服務器、數據庫服務器、web服務器、移動終端應用。通信服務器、數據庫服務器與web服務器一起構成了體重管理系統(tǒng)的后臺服務端。移動終端應用安裝在智能手機上，并通過移動網絡與體重管理系統(tǒng)相連接。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
（1）體重秤主體：體重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，具有將數據通過無線通信技術發(fā)送到外網的功能?？紤]到一個家庭中每個體重秤可能會被多個人使用，在設計體重秤時設計多個按鈕，每個按鈕與一個人對應。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。數據傳輸協議中要明確SN和按鈕編號數據通過TCP協議發(fā)送至通信服務器。每個體重秤都是TCP客戶端。通過無線網絡連接，接人具有固定IP地址的通信服務器。SN、按鈕編號及體重數據構成一個數據包一次發(fā)送。每稱一次超重體重，秤都有一個建立連接、發(fā)送數據、斷開連接的過程。
（2）通信服務器：通信服務器的主要功能是充當TCP連接的服務器端。通信服務器程序接受來自體重秤的連接，解析數據，得到體重秤SN、按鈕編號、體重值，并將該信息寫人數據庫中。當設備數量眾多時，通信服務器的壓力比較大。為此通信服務器采用異步連接的方式接收來自于體重秤的數據。實際開發(fā)中發(fā)現，由于無線連接有時會出現假連接現象，即實際上設備已經斷開連接了，但無線連接的不穩(wěn)定性會造成一種假象，在服務器端連接仍然保持，而且不會自己斷掉。這種假連接現象的缺點是，當通信程序運行時間過長，總連接數就會超過服務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，可以對每個連接的數據發(fā)送時間進行監(jiān)控。如果發(fā)現在巧min之內沒有數據發(fā)送和接收，則由服務器端程序主動斷開連接。通信服務器的另一功能是將數據寫人數據庫中。當設備數量眾多時，并發(fā)訪問壓力大，為了減輕數據庫的壓力，采取的措施有兩點：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(tǒng)一寫人數據庫中。這樣大大減少了數據庫訪問的壓力。
（3）數據庫服務器：數據庫服務器采用MongoDB數據庫。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數據庫中比較熱門的一種。它在許多場景下可用于替代傳統(tǒng)的關系型數據庫或鍵/值存儲方式。MongoDB是一個介于關系數據庫和非關系數據庫之間的產品，是非關系數據庫當中功能最豐富、最像關系數據庫的。它支持的數據結構非常松散，是類似json的bjson格式，因此可以存儲比較復雜的數據類型。其最大的特點是支持的查詢語言非常強大，其語法有點類似于面向對象的查詢語言，幾乎可以實現類似關系數據庫單表查詢的絕大部分功能，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。并且MongoDB通過連接器能夠作為Hadoop MapReduce的數據源和數據存儲目的庫，這為日后進行大數據分析奠定了基礎。
（4）Web服務器：web服務器提供了B/S架構的程序，用于支持用戶從PC端或手機端訪問自己的體重數據、查看體重變化曲線及根據用戶提前填寫的體重閾值，當體重超過閾值時，會通過短信網關發(fā)短信提醒用戶注意飲食。
3、智能體重秤硬件設計
對傳統(tǒng)體重秤進行改進，設計一種具有無線傳輸功能的低成本、低功耗的體重秤，是另一個重點。
（1）體重秤硬件模塊：該設備采用電池供電，能夠通過A/D采集來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LCD顯示當前所采集樣值。用戶可通過按鍵操作與節(jié)點交互，將數據上傳至平臺。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線模塊供電。這樣能達到節(jié)省能耗的目的。
（2）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過放大整形處理，以便于M CU進行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實時數據和狀態(tài)顯示以及將數據和狀態(tài)實時發(fā)給無線模塊；第三部分為無線模塊應用設計，主要是無線模塊電源以及數據接口設計。低功耗硬件設計的關鍵技術是電源分割、隔離、低功耗等技術。
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