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體重秤的種類(lèi)可以分為：電子體重秤、機(jī)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(chēng)，是電子秤的一種，除了可以測(cè)量體重之外，還可以測(cè)量脂肪、卡路里、骨骼、水分等含量。

體重秤能夠準(zhǔn)確地稱(chēng)量人的體重，并且通過(guò)每日的體重變化，反應(yīng)某段時(shí)間的體重控制情況。身高體重秤采用超聲波技術(shù)測(cè)量身高(無(wú)觸碰式)；精密傳感器測(cè)量體重，能同時(shí)顯示出身高、體重結(jié)果。傳統(tǒng)的身高體重秤只能測(cè)量體重或身高，功能單一，基于這樣的考慮我們?cè)O(shè)計(jì)了人體趣味身高體重秤，能用5個(gè)LED燈對(duì)人體的胖瘦作出指示，增加了身高體重秤的趣味性和實(shí)用性。

一、趣味身高體重秤結(jié)構(gòu)

采用壓力傳感器、超聲波傳感器設(shè)計(jì)了人體趣味身高體重秤，其結(jié)構(gòu)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(jī)最小系統(tǒng)、五個(gè)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(nèi)部，性別選擇按鈕安裝在體重秤立桿側(cè)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(hào)都送入單片機(jī)最小系統(tǒng)，單片機(jī)最小系統(tǒng)將處理結(jié)果送入五個(gè)指示燈進(jìn)行顯示。

二、身高體重秤電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)編程簡(jiǎn)單，成本低廉，在很多控制領(lǐng)域里都有廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，包括單片機(jī)、提供時(shí)鐘的晶振電路、用于初始化的復(fù)位電路、電源電路。AT89S5X單片機(jī)有40個(gè)端口，P0口使用時(shí)一般通過(guò)接排阻拉高電平。單片機(jī)最小系統(tǒng)中的單片機(jī)內(nèi)部貯存男女身高與體重的關(guān)系式，單片機(jī)最小系統(tǒng)輸出信號(hào)控制五個(gè)指示燈中的一個(gè)點(diǎn)亮。

電源為5伏直流電源，其正極接單片機(jī)最小系統(tǒng)中單片機(jī)的40管腳，負(fù)極接單片機(jī)最小系統(tǒng)中單片機(jī)的20管腳。性別選擇按鈕一端連接電源(11)的負(fù)極，另一端連接單片機(jī)最小系統(tǒng)中單片機(jī)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(zhuǎn)換器，壓力傳感器模塊外接4個(gè)管腳，分別是電源Vcc，時(shí)鐘SCK，數(shù)據(jù)輸出DT，地GND，這4個(gè)管腳插在排針座上用引線引出，其中電源Vcc接單片機(jī)最小系統(tǒng)中單片機(jī)的40管腳，時(shí)鐘SCK接單片機(jī)最小系統(tǒng)中單片機(jī)的26管腳，數(shù)據(jù)輸出DT接單片機(jī)最小系統(tǒng)中單片機(jī)的27管腳，地GND接單片機(jī)最小系統(tǒng)中單片機(jī)的20管腳。

超聲波傳感器模塊外接4個(gè)管腳，分別是電源VCC，地GND，數(shù)字信號(hào)DO，模擬信號(hào)AO。其電源VCC、地GND分別接電源的正負(fù)極，其輸出的模擬信號(hào)AO送入單片機(jī)最小系統(tǒng)板中單片機(jī)的28管腳，其數(shù)字信號(hào)DO管腳不連接。

五個(gè)LED指示燈［7－8］的負(fù)極串聯(lián)一個(gè)470歐的電阻后接單片機(jī)最小系統(tǒng)中單片機(jī)的20管腳，指示燈的正極接單片機(jī)最小系統(tǒng)中單片機(jī)的39管腳，當(dāng)指示燈(6)被點(diǎn)亮?xí)r發(fā)出紅光，表示肥胖。第二指示燈的正極接單片機(jī)最小系統(tǒng)中單片機(jī)的38管腳，當(dāng)?shù)诙甘緹舯稽c(diǎn)亮?xí)r發(fā)出黃光，表示體重偏重。第三指示燈的正極接單片機(jī)最小系統(tǒng)中單片機(jī)的37管腳，當(dāng)?shù)谌甘緹舯稽c(diǎn)亮?xí)r發(fā)出綠光，表示體重正常。第四指示燈的正極接單片機(jī)最小系統(tǒng)中單片機(jī)的36管腳，當(dāng)?shù)谒闹甘緹舯稽c(diǎn)亮?xí)r發(fā)出藍(lán)光，表示體重偏輕。第五指示燈的正極接單片機(jī)最小系統(tǒng)(5)中單片機(jī)的35管腳，當(dāng)?shù)谖逯甘緹舯稽c(diǎn)亮?xí)r發(fā)出白光，表示體重不足。

三、身高體重秤的軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序運(yùn)行時(shí)，首先讀取壓力傳感器模塊和超聲波傳感器模塊的數(shù)值，根據(jù)傳感器的數(shù)值判斷是否有人站上了趣味身高體重秤，當(dāng)有人站上了趣味身高體重秤后，根據(jù)性別選取是否按下性別選擇按鈕，根據(jù)世界衛(wèi)生組織的人體的胖瘦標(biāo)準(zhǔn)，男性:(身高－80)×70%=標(biāo)準(zhǔn)體重，女性:(身高－70)×60%=標(biāo)準(zhǔn)體重，其中身高以厘米為單位。標(biāo)準(zhǔn)體重正負(fù)10%為正常體重，標(biāo)準(zhǔn)體重正負(fù)10%～20%為體重過(guò)重或過(guò)輕，標(biāo)準(zhǔn)體重正負(fù)20%以上為肥胖或體重不足，單片機(jī)最小系統(tǒng)按照世界衛(wèi)生組織的標(biāo)準(zhǔn)判斷人體的胖瘦，輸出結(jié)果控制指示燈作出指示。當(dāng)單片機(jī)最小系統(tǒng)判斷人已經(jīng)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(shù)值。

使用單片機(jī)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(shè)計(jì)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(hào)送入單片機(jī)最小系統(tǒng)處理，得到人體的體重和身高數(shù)據(jù)，創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)了性別選擇按鈕，根據(jù)測(cè)試者性別選取是否按下性別選擇按鈕，根據(jù)單片機(jī)中預(yù)先儲(chǔ)存的世界衛(wèi)生組織規(guī)定的人體胖瘦標(biāo)準(zhǔn)，判斷人體的胖瘦程度，單片機(jī)最小系統(tǒng)用處理結(jié)果控制五個(gè)指示燈進(jìn)行胖瘦顯示。

四、智能體重秤方案設(shè)計(jì)

1、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能體重秤簡(jiǎn)介

目前的體重秤只具有稱(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(hù)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(hù)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(hù)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高，人們對(duì)健康的追求越來(lái)越高；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。

在現(xiàn)有體重秤的基礎(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?。即?dāng)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(hù)提醒用戶(hù)注意飲食，從而達(dá)到幫助用戶(hù)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。

2、智能體重秤方案架構(gòu)

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）體重秤主體：體重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)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(hù)。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(hù)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?cái)?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。

（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)備已經(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)在巧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)人數(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。

（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bjson格式，因此可以存儲(chǔ)比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)類(lèi)型。其的特點(diǎn)是支持的查詢(xún)語(yǔ)言非常強(qiáng)大，其語(yǔ)法有點(diǎn)類(lèi)似于面向?qū)ο蟮牟樵?xún)語(yǔ)言，幾乎可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)單表查詢(xún)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)。

（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(hù)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(hù)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(hù)注意飲食。

3、智能體重秤硬件設(shè)計(jì)

對(duì)傳統(tǒng)體重秤進(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，是另一個(gè)重點(diǎn)。

（1）體重秤硬件模塊：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(hù)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。

（2）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)。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M CU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)。

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