基于物联网的脂肪检测系统设计与实现.docx

    基于物联网的脂肪检测系统设计与实现    孙玉昕（武汉工程大学 计算机科学与工程学院，湖北 武汉 430077）Reference：随着社会的发展和生活水平的提高，人们对健康保健的关注度越来越高为了满足人们对身体成分检测数据需求，设计了基于物联网的脂肪秤监测系统，该系统能使用户获得长期、连续、真实、准确的身体成分测量参数，具有一定的实用价值Keys：人体脂肪成分检测；物联网；无线传感器DOI：10.11907/rjdk.143045TP319：A：1672-7800（2014）011-0098-02作者简介：孙玉昕（1977-），女，黑龙江大庆人，硕士，武汉工程大学计算机科学与工程学院讲师，研究方向为多媒体与计算机技术、计算机应用技术0引言人体成分是指人体总体重中脂肪成分和非脂肪成分的比例［1］，由水分、蛋白质、脂肪和矿物质4种成分组成，长期连续监测人体脂肪含量对健康体质评价和健康减肥等都具有重要意义［2］为了实现日常情况下持续不断并且舒适便捷地测量人体成分，本文提出了一种基于物联网的脂肪秤监测系统应用方案利用物联网和无线传感器技术，结合生物电阻抗分析法BIA（BIA：Bioelectricalimpedanceanalysis）［3］，设计了适合家庭使用，操作简便、准确可靠的脂肪检测系统。

生物电阻抗分析方法（BIA）原理是：使用低电压交流电通过人体[来自WW]，测量人体对电流的阻抗阻抗越大，说明导电率低的脂肪成份越多，再结合人体的身高、体重、年龄、性别，即可判断出人体的脂肪含量和水份含量BIA方法的重复性和一致性（同一个人同时测定次数的变动系数以及数人测定2次之间的相关系数）较好，变动系数在0.5%~6%范围内［2］物联网（the Internet Of Things，IOT）［4］是当前国内外传感器技术领域的研究热点，它利用各种信息传感设备，如射频识别装置、无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）［4-5］等，按统一的协议，把世界上任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，从而实现感知每个角落的信息［6］，为传统的人体脂肪监控产品升级提供了技术支持1系统结构利用无线传感器技术，脂肪秤可自动通过物联网从网络平台上获取被测量用户信息和配置参数，同时将用户测量结果按照测量时间进行数据归档保存脂肪秤能够自动记忆每一个用户的体重、体脂肪等数据，并在此基础上进行自动识别，当用户使用设备再次测量时，就可以自动识别用户身份，并对数据进行历史比对和分析，实现测量过程自动化。

脂肪秤能够连续跟踪和分析人群体重、体脂肪率等数据，帮助人们建立健康良性的生活方式系统总体结构如图1所示2系统通信设计通过BIA测量的人体体重、脂肪、水分、肌肉、骨骼含量等生理数据，按照用户的特征加以区分，同时按照测试时间和日期进行存储脂肪秤内置低功耗、高灵敏度、抗干扰的2.4G无线数据通讯模块，具备低功耗无线守候唤醒功能，可长期不间断地守候空中的无线信号呼叫，一旦检测到无线唤醒信号，就立刻恢复到正常工作状态，上传测量数据或者接受参数命令2.1通讯协议设计为了提高脂肪秤的便捷和方便性，系统要求脂肪秤与上位机进行数据通讯时，无需人工操作，整个通讯过程自动完成脂肪秤与上位机的工作过程是异步操作的：①当用户操作上位机进行数据采集时，无需操作脂肪秤，可以实现远端唤醒及数据交换；②当用户进行人体成分测量时，也不需要上位机的配合，完全独立完成脂肪秤与上位机之间的工作机制是：脂肪秤长期处于信道监听守候状态，通讯过程由上位机发起，脂肪秤在监听到通讯命令后，进入通讯状态，在通讯完成后再次进行信道监听守候状态脂肪秤一直处于无线信道监听状态，如何解决长期信道守候而带来的功耗和电池寿命问题，成为无线通讯协议的关键。

通过分析，采用如下无线数据通讯时序方案：（1）上位机通讯时序当需要与脂肪秤进行数据通讯时，上位机会每隔（TUpRepeat ）10ms向脂肪秤发送唤醒信号，唤醒信号持续时间2ms，然后上位机转入接收状态，接收状态持续时间为（TUpwindows）8ms，接收到脂肪秤的应答信号后，马上进入数据通讯状态如果在TUpWindows时间内没有收到脂肪秤的应答信号，就继续发送唤醒信号，重复上述过程，直到上位机通讯超时(TUpSend =30s)2）脂肪秤通讯时序脂肪秤大部分时间处于低功耗休眠状态（无线收发功能关闭），每隔一段时间 (TDownRepeat =10s)，脂肪秤会醒来，处于无线信道监听状态，监听状态窗口持续时间TDownWindow=25ms如果脂肪秤监听到上位机的唤醒信号，核对地址无误后，脂肪秤会向上位机发送应答信号，表明已经被唤醒，进行数据通讯任务如图4所示，时序设计要确保脂肪秤以10s为周期出现在监听窗口内，可靠捕捉到完整的上位机唤醒信号，而且上位机也有机会成功接收到脂肪秤的回应大量试验证明，采用上述的无线通讯协议，可以确保上位机发起数据通讯时，在10s内通讯成功的概率是90%，在20s通讯成功的概率达到99.9%。

脂肪秤长期休眠和短时监听的工作方式，导致监听状态的占空比非常小，脂肪秤的待机平均电流仅50mA，按照300mAH的普通AA电池电量计算，理论待机时间达150天以上，完全达到正常使用要求2.2无线数据基站设计无线数据基站是与无线脂肪秤配套的数据收发部件无线数据基站内置无线数据通讯模块，通过专门设计的无线数据通信协议，与无线脂肪秤建立无线数据通讯信道，实现测量数据的接收和配置参数命令的发送无线数据基站具有通用串行总线USB标准从设备接口，可以和电脑、电视、等所有具有通用串行总线USB标准接口的系统连接3软件设计3.1控制软件控制软件通过通用串行总线USB来控制无线数据基站，实现与无线脂肪秤的数据采集同步，控制命令下传数据同步软件可自动或手动呼叫脂肪秤，随时监听脂肪秤的应答，无需人工干预，具备良好的易用性和便捷性数据同步软件通过超文本传输协议HTTP和可扩展标记语言XML，与互联网数据平台进行数据通讯，将用户的人体健康测量数据自动同步到管理平台，也可从管理平台获取用户的相关参数信息，同步到无线脂肪秤中3.2数据管理平台用户的测量数据最终传输到数据管理平台，整理形成历史数据汇总图表、波动异常分析、趋势预测、健康干预评估等。

数据管理平台采取分布式数据库架构，记录用户的多种健康测量数据，通过Web网页＋JAVA语言设计的网络操作界面，让用户可以在任何操作平台终端访问服务端Reference：［1］邓小刚，魏萍.人体脂肪测量系统的实现［J］.医疗卫生装备，2002（4）：31-33.［2］王京钟，王筱桂．生物电阻抗法测量肥胖者体脂含量的应用方程［J］.卫生研究，2003，32（4）：386-389.［3］王成.医疗仪器原理［M］.上海：上海交通大学出版社， 2008：68-71.［4］彭晓珊.关于物联网技术发展及应用前景的研究［J］.汕头科技，2010（1）：25-30.［5］任丰原，黄海宁，林闯.无线传感器网络［J］.软件学报，2003，14（7）：1282-1291.［6］张福生.物联网： 开启全新生活的智能时代［M］.太原：山西人民出版社， 2010： 59-62.（：杜能钢）  -全文完-。