体重秤方案开发设计

体重秤的种类可以分为：电子体重秤、机械体重秤（指针体重秤）。体重秤还可以分为带身高尺的体重秤和不带身高尺的体重秤。另外还有一种体脂称，是电子秤的一种，除了可以测量体重之外，还可以测量脂肪、卡路里、骨骼、水分等含量。

体重秤能够准确地称量人的体重，并且通过每日的体重变化，反应某段时间的体重控制情况。身高体重秤采用超声波技术测量身高(无触碰式)；精密传感器测量体重，能同时显示出身高、体重结果。传统的身高体重秤只能测量体重或身高，功能单一，基于这样的考虑我们设计了人体趣味身高体重秤，能用5个LED灯对人体的胖瘦作出指示，增加了身高体重秤的趣味性和实用性。

一、趣味身高体重秤结构

采用压力传感器、超声波传感器设计了人体趣味身高体重秤，其结构示意图如图1所示。

人体趣味身高体重秤包括:体重秤底座、压力传感器模块、体重秤立杆、超声波传感器模块、单片机最小系统、五个指示灯、电源、性别选择按钮等。体重秤立杆垂直固定在体重秤底座上，压力传感器模块和电源安装在体重秤底座内部，性别选择按钮安装在体重秤立杆侧面，超声波传感器模块固定在体重秤立杆顶端，压力传感器模块和超声波传感器模块输出的电压信号都送入单片机最小系统，单片机最小系统将处理结果送入五个指示灯进行显示。

二、身高体重秤电路设计

单片机编程简单，成本低廉，在很多控制领域里都有广泛的应用。单片机最小系统电路，包括单片机、提供时钟的晶振电路、用于初始化的复位电路、电源电路。AT89S5X单片机有40个端口，P0口使用时一般通过接排阻拉高电平。单片机最小系统中的单片机内部贮存男女身高与体重的关系式，单片机最小系统输出信号控制五个指示灯中的一个点亮。

电源为5伏直流电源，其正极接单片机最小系统中单片机的40管脚，负极接单片机最小系统中单片机的20管脚。性别选择按钮一端连接电源(11)的负极，另一端连接单片机最小系统中单片机的25管脚。

人体趣味身高体重秤电路单元如图3所示，压力传感器模块包括压力传感器［4－6］、放大器和A/D转换器，压力传感器模块外接4个管脚，分别是电源Vcc，时钟SCK，数据输出DT，地GND，这4个管脚插在排针座上用引线引出，其中电源Vcc接单片机最小系统中单片机的40管脚，时钟SCK接单片机最小系统中单片机的26管脚，数据输出DT接单片机最小系统中单片机的27管脚，地GND接单片机最小系统中单片机的20管脚。

超声波传感器模块外接4个管脚，分别是电源VCC，地GND，数字信号DO，模拟信号AO。其电源VCC、地GND分别接电源的正负极，其输出的模拟信号AO送入单片机最小系统板中单片机的28管脚，其数字信号DO管脚不连接。

五个LED指示灯［7－8］的负极串联一个470欧的电阻后接单片机最小系统中单片机的20管脚，第一指示灯的正极接单片机最小系统中单片机的39管脚，当第一指示灯(6)被点亮时发出红光，表示肥胖。第二指示灯的正极接单片机最小系统中单片机的38管脚，当第二指示灯被点亮时发出黄光，表示体重偏重。第三指示灯的正极接单片机最小系统中单片机的37管脚，当第三指示灯被点亮时发出绿光，表示体重正常。第四指示灯的正极接单片机最小系统中单片机的36管脚，当第四指示灯被点亮时发出蓝光，表示体重偏轻。第五指示灯的正极接单片机最小系统(5)中单片机的35管脚，当第五指示灯被点亮时发出白光，表示体重不足。

三、身高体重秤的软件设计

单片机程序运行时，首先读取压力传感器模块和超声波传感器模块的数值，根据传感器的数值判断是否有人站上了趣味身高体重秤，当有人站上了趣味身高体重秤后，根据性别选取是否按下性别选择按钮，根据世界卫生组织的人体的胖瘦标准，男性:(身高－80)×70%=标准体重，女性:(身高－70)×60%=标准体重，其中身高以厘米为单位。标准体重正负10%为正常体重，标准体重正负10%～20%为体重过重或过轻，标准体重正负20%以上为肥胖或体重不足，单片机最小系统按照世界卫生组织的标准判断人体的胖瘦，输出结果控制指示灯作出指示。当单片机最小系统判断人已经走下趣味身高体重秤后，熄灭全部指示灯并重新读取压力传感器模块和超声波传感器模块的数值。

使用单片机最小系统、压力传感器模块、超声波传感器模块、LED灯等器件设计了人体趣味身高体重秤。压力传感器模块和超声波传感器模块输出的信号送入单片机最小系统处理，得到人体的体重和身高数据，创新性的设计了性别选择按钮，根据测试者性别选取是否按下性别选择按钮，根据单片机中预先储存的世界卫生组织规定的人体胖瘦标准，判断人体的胖瘦程度，单片机最小系统用处理结果控制五个指示灯进行胖瘦显示。

四、智能体重秤方案设计

1、基于物联网技术的智能体重秤简介

目前的体重秤只具有称体重的功能，并不能将这些数据存储下来，也不能给出体重变化趋势，更不能在使用者体重超标时给出提醒。

记录体重变化的趋势，并体重超过某个设定的域值时通过发短信的方式给用户提醒，对于控制体重的人来说是有个有效的辅助手段。特别是对于正在发育的婴儿，高血压、高血糖等身体状况与体重密切相关的人群来说，该功能不仅可以帮助医生了解病人的体重变化趋势，而且可以帮助用户对自己的体病变化进行了解和记录，从而对日后的营养计划提供依据，提高健身活动的合理性、针对性和科学性。另外，对于广大用户的体重变化数据的记录并进行大数据分析，可以了解我国人口的营养情况、生活发展水平、体重与疾病的关系等各项指标。

随着人们生活水平的提高，人们对健康的追求越来越高；随着物联网大数据移动互联网技术的发展及在各行业的应用，通过物联网采集数据并传至大数据平台进行分析的应用模式越来越多。

在现有体重秤的基础上增加了新的功能，对传统的体重秤进行改造，使之具有无线传输的功能。即当用户称完体重后，按一下按钮，体重值会通过无线传输设备传到接收平台。接收平台会将收到的数据进行存储并对数据进行分析，如果数据超过预先设定的阈值，会在吃饭时间通过短信网关发短信给用户提醒用户注意饮食，从而达到帮助用户对自己的体重进行控制的目的。另外，还可以将体重值记录下来并生成体重变化曲线。

2、智能体重秤方案架构

基于物联网技术的智能体重秤的设计包括：体重秤主体、通信服务器、数据库服务器、web服务器、移动终端应用。通信服务器、数据库服务器与web服务器一起构成了体重管理系统的后台服务端。移动终端应用安装在智能手机上，并通过移动网络与体重管理系统相连接。系统框图如图1所示。

（1）体重秤主体：体重秤除了具有普通秤所具有的称重功能外，还具有无线通信模块，具有将数据通过无线通信技术发送到外网的功能。考虑到一个家庭中每个体重秤可能会被多个人使用，在设计体重秤时设计多个按钮，每个按钮与一个人对应。每个体重秤都有一个全球惟一的SN，用来区分不同的体重秤。SN加上按钮编号用来惟一确定一个用户。数据传输协议中要明确SN和按钮编号数据通过TCP协议发送至通信服务器。每个体重秤都是TCP客户端。通过无线网络连接，接人具有固定IP地址的通信服务器。SN、按钮编号及体重数据构成一个数据包一次发送。每称一次超重体重，秤都有一个建立连接、发送数据、断开连接的过程。

（2）通信服务器：通信服务器的主要功能是充当TCP连接的服务器端。通信服务器程序接受来自体重秤的连接，解析数据，得到体重秤SN、按钮编号、体重值，并将该信息写人数据库中。当设备数量众多时，通信服务器的压力比较大。为此通信服务器采用异步连接的方式接收来自于体重秤的数据。实际开发中发现，由于无线连接有时会出现假连接现象，即实际上设备已经断开连接了，但无线连接的不稳定性会造成一种假象，在服务器端连接仍然保持，而且不会自己断掉。这种假连接现象的缺点是，当通信程序运行时间过长，总连接数就会超过服务器能接收的最大连接数，从而新的设备就连不上去。为了避免该现象的出现，可以对每个连接的数据发送时间进行监控。如果发现在巧min之内没有数据发送和接收，则由服务器端程序主动断开连接。

通信服务器的另一功能是将数据写人数据库中。当设备数量众多时，并发访问压力大，为了减轻数据库的压力，采取的措施有两点：一是采用了数据库连接池机制；二是将1 min之内的数据先放到内存中存储。1 min后统一写人数据库中。这样大大减少了数据库访问的压力。

（3）数据库服务器：数据库服务器采用MongoDB数据库。MongoDB是由c++语言编写的高性能、开源、无模式的文档型分布式文档存储数据库，旨在为web应用提供可扩展的高性能数据存储解决方案，是当前Nosql数据库中比较热门的一种。它在许多场景下可用于替代传统的关系型数据库或键/值存储方式。MongoDB是一个介于关系数据库和非关系数据库之间的产品，是非关系数据库当中功能最丰富、最像关系数据库的。它支持的数据结构非常松散，是类似json的bjson格式，因此可以存储比较复杂的数据类型。其最大的特点是支持的查询语言非常强大，其语法有点类似于面向对象的查询语言，几乎可以实现类似关系数据库单表查询的绝大部分功能，而且还支持对数据建立索引。具有高性能、易部署、易使用，存储数据非常方便的特点。并且MongoDB通过连接器能够作为Hadoop MapReduce的数据源和数据存储目的库，这为日后进行大数据分析奠定了基础。

（4）Web服务器：web服务器提供了B/S架构的程序，用于支持用户从PC端或手机端访问自己的体重数据、查看体重变化曲线及根据用户提前填写的体重阈值，当体重超过阈值时，会通过短信网关发短信提醒用户注意饮食。

3、智能体重秤硬件设计

对传统体重秤进行改进，设计一种具有无线传输功能的低成本、低功耗的体重秤，是另一个重点。

（1）体重秤硬件模块：该设备采用电池供电，能够通过A/D采集来自重力传感器的数据，对所得原始信息按一定算法处理，并通过LCD显示当前所采集样值。用户可通过按键操作与节点交互，将数据上传至平台。通过串口连接GPRS无线通信模块。该模块能将所采集的数据传送至远方平台。采用低功耗MSP430处理器，电池分3路分别给重力传感器、处理器及显示器和无线模块供电。这样能达到节省能耗的目的。

（2）硬件低功耗设计：硬件设计根据功能以及低功耗设计的需要，分为三部分。其设计的中心是低功耗设计。第一部分为传感器电路设计，传感器电路将原始模拟信号经过放大整形处理，以便于M CU进行A／D采集；第二部分为数字电路以及人机接口设计，包括A／D采集、LCD实时数据和状态显示以及将数据和状态实时发给无线模块；第三部分为无线模块应用设计，主要是无线模块电源以及数据接口设计。低功耗硬件设计的关键技术是电源分割、隔离、低功耗等技术。