文摘
随着国民生活质量的提高,身体健康问题是逐渐放在同样重要的地位的基本问题,如教育、民生、安全。提高大学生的身体素质,促进学生的健康成长是主要活动在国家和民族的未来。因此,每个学校每年都会进行物理测试。使用无线传感器进行数据采集各领域发挥了重要作用。因此,对于大学生的身体健康管理,本文提出了设计一个传感器系统收集物理测量数据。通过传感器测量数据被收集,如XGZP6847气体压力传感器来收集学生的肺活量。然后,传感器节点和协调器通过串口连接到电脑,分别和CC2530芯片传输数据通过无线个域网协调器模块,建立了与PC通信通过2.4 g无线通信模块,采用线程池来节省资源的策略,提高了响应速度,获得学生的身体测试数据。至关重要的数据采集和传输容量和体重主题为例,系统实现了准确的传播收集测试数据从传感器到终端,极大地提高了精度和实时身体测试数据采集,并减少错误的概率在录音过程中,收集到的数据可以直接使用或二次开发,并促进大学生身体健康管理系统的建立。
1。介绍
的应用和发展物联网和数据挖掘技术,实时数据采集过程的性能尤为重要。它可以帮助用户实时监控数据,进一步挖掘有效信息。高校开展学生的体能测试。越来越多的学生身体健康相关的历史数据。每个地区和学校将产生大量的实时数据。工作的改善学生的身体健康,有必要充分利用大量的测试数据的价值,学生的身体健康在前几年。随着新兴技术的发展,改善学生的健康的工作逐渐走向大数据的时代(1]。学生体质健康测试数据通过数据库收集。测试数据是巨大的。使用传统的数据收集方法,是不可能记录,快速捕获和管理数据。
目前,传感器信息采集系统的特点很多种传感器,大量的数据,高模块化的数据采集,和固定的存储过程,收集到的数据可以直接使用或二次开发。多种功能的传感器技术和低能耗发展迅速的强有力的促进下微电子的技术进步,技术,无线通信,因此,信息收集等多种功能,数据处理和无线通信可以集成到一个非常小的体积(2]。由于微机电系统(MEMS)的快速发展,无线通信系统和数字电子技术,有一种新的信息获取和处理方式,也就是说,无线传感器网络,无线ad hoc网络的一个重要研究分支。无线传感器网络是由许多传感器节点(3),它可以监控和收集周围环境的数据信息。传感器网络处理这些信息并给观察者(4]。
该系统是用于收集大学生物理测量数据的一些数据。根据其测量原理、受试者参与的新标准可分为如下:仰卧起坐引体向上都是计数的主题;坐在向前弯曲,立定跳远测距科目;50米跑、800米跑和1000米跑都是时间的主题;和身高、体重、肺活量测定科目。传感器节点模块主要由传感器模块、数据处理模块和ZigBee无线通信模块。传感器模块是一个各种各样的传感器,可以收集所需的数据,而数据处理模块和ZigBee无线传输模块是由CC2530芯片及其辅助电路,共同完成数据采集和短途数据传输的目的。因为测试面积小,普通无线传感器节点不需要彼此建立通信。外部网络的无线传输模块采用AS01-ML01DP5无线传输模块,其工作频带2.4 GHz,它采用双列直插式,SMA输出接口和内置放大器和RFX2401C集成功率放大器芯片,NRF24L01射频芯片。该模块不仅可以有2公里的传输距离,但也确保其传输速度。 Since PC cannot be directly connected with SPI interfaces of all modules, a microprocessor is used to complete the function of interface switching. In order to facilitate the test, the system adopts the as06-vtb07 module produced by the same manufacturer as the wireless module to realize the serial port conversion function. The module uses the STM8L101F3P6 minimum system board leading out all I/O ports to realize the interface conversion function through the CH340 virtual serial port chip. In the design, according to the requirements of register configuration, the data reception and transmission are controlled according to the communication timing. The system analyzes and processes the received information and submits it to the teacher for viewing. At the same time, the system feeds back the relevant information to each network node, which greatly improves the work efficiency of the system. The purpose is to obtain the status of the monitoring node in real time, enable the host computer to obtain the relevant information through the wireless network, and adopt certain processing methods. Using the platform to collect physical test data and develop the college students’ physical health management system can reduce repetitive work on the one hand and reduce the probability of human errors in the programming process on the other hand.
2。相关工作
因为无线传感器网络有许多优点,被广泛应用于交通、医疗、等领域(5]。它可以帮助我们获得数据更快,更有效,更经济。现在,随着深入研究的基础上获取信息的方向,无线传感器网络在各个领域的应用。
在1970年代,在美国有专业健康管理机构来研究各种影响人类健康的因素,比如加州健康维护组织。美国学者对身体健康做了广泛的研究,从理论模型的建设到特定身体健康的实验操作内容。早在1954年,克劳斯等人设计的六个测试方法包括最低水平低背部肌肉力量和身体的灵活性,这是广泛使用在美国和一些欧洲国家。补充和调整后,测试内容包括50米跑、600米跑、立定跳远,垒球,往返运行,引体向上,仰卧起坐。1987年,fitnessgram项目正式启动。目前,它已成为一个重要的身体健康评估和报告软件和综合评价和干预系统在美国,包括物理促销和营养。2011年,疾病控制和预防中心发布了美国学校健康指南旨在促进健康的饮食和身体活动在学校的基础上,研究学生的身体素质的发展。
在体能测验过程中,在感知层技术应用主要是无线传感器网络技术和无线射频识别技术(6]。无线传感器的使用无线电频率识别技术可以集成射频识别技术和网络技术(7)达到体能测验结果和阅读学生信息的目的。也有许多这类的研究。这些研究关注节点部署的优化算法。例如,AeroScout和NTT实验室发明了电子标签配备传感器节点(8]。事实上,无线射频识别技术已广泛应用于大学生的体能测验,主要反映在校园卡。还有论文直接设计一个运动测试系统基于射频识别技术(9]。
传感器网络节点通过一定的通信协议传输传感信息。远程用户需要访问外部网络,如互联网、局域网、公司内部网通过网关设备实现无线传感器网络的实时监控和查询信息。文献[10)设计了一种可穿戴arm-ECG舒适的心脏电活动和心率传感器系统记录和监控。文献[11]的WSN用作传感系统的一部分并迅速检查树木的健康信息,如硝酸平衡指数(NBI)提供的荧光传感器。文献[12提出了一种新的特征提取技术的基础上。文献[13)使用B / S(浏览器/服务器)模式来表达一个远程数据监测的无线传感器网络的方法。当一个远程用户发出查询请求后,网关发送查询请求传感器网络的每个节点通过水槽节点。在传感器节点收到查询请求后,发回确认信息到水槽节点和网关,然后上传水槽节点收集传感器数据信息,然后通过水槽节点上传它。相应的处理网关后,返回给用户的远程查询。这种设计在查询时间严重滞后的缺点,不适合监测系统具有较强的实时性能和大数据量。
3所示。设计无线传感器的测量信息收集系统
3.1。无线传感器节点的设计和实现
在整个系统中,无线传感器节点是最基本的组件。无线传感器节点包括一个微处理器,传感器单元,收发器单元和电源单元(14]。传感器将数据结论后,将传输的结论数据每个终端应用程序的设备,设备和终端应用程序将自动执行相应的指令和操作这些数据显示,如图1。
在此系统中,无线网络层的多传感器数据采集终端。主要任务是收集数据的定期监测站点和传输系统收集到的数据通过GPRS服务器。
图像通过图像传感器节点收集数据,并通过环境传感器节点收集环境数据。这一层的主要工作的总结一句话如下:该层主要使用8种环境数据传感器+一个图像传感器,组成了一个无线传感器网络收集数据通过无线个域网局域网协议(15通过聚合节点)和融合数据。数据融合完成后,网关将准备到物联网网关发送数据。在此系统中,传统图像传感器节点使用一个USB相机。图像采集程序框架使用V4L2 (Video4Linux2),编程框架uvc开车免费USB设备(16]。Video4Linux2是一个内核驱动程序框架视频设备在Linux内核中,为上层提供统一的接口来访问视频设备低。内核中所有子系统的优势抽象底层硬件的差异,为上层提供统一接口,提取通用代码,以避免代码冗余。整个视频图像监控系统框架如图2。
环境数据传感器履行职责、监测周围环境中相应的环境价值。因为不同的数据格式(单位,数值范围)收集,需要“司令部”来管理它,源于一个汇聚节点,协调管理节点。从派生目的,可以看出,协调管理节点主要聚集八环境数据传感器的数据,数据传送格式,TQ6410网关。
引体向上,修复后的红外传感器上单杠,如果学生可以达到的高度,红外传感器可以探测、红外传感器返回CC2530高水平,和CC2530通过信号。治疗后,其内部计数器将计数一次,从而达到测量的目的引体向上的数量。以同样的方式,当测量仰卧起坐,一个红外传感器设置在学生的头的位置姿态的肘部和膝盖将联系,也可实现计数仰卧起坐的目的。
时间对象,红外收发器传感器也用于测量。红外传感器的变送器将继续发射红外信号,红外触摸一个对象时,它会产生一个反射信号。收到信号后,接收端信号执行的一系列操作,如放大、检测,和塑造,最后获得TTL电平编码信号并将其发送给CC2530芯片解码和后续操作。
对于距离测试,选择超声波测距模块实现非接触测量。工作原理是开始定时器触发范围时,传输模块会自动发送一个方波,并接收模块将检测是否有信号返回;如果有一个返回的信号,它将输出一个高水平,高水平将持续很长一段时间。从传播的时间返回的超声波,和距离测量对象可以根据计算发射和接受之间的时差。例如,当测量身高,超声波模块探头放置在距离地面2.5米,和探针之间的距离和高度测量平台的超声波模块 ;然后, ,然后,得到高度 。同样,在立定跳远和坐在前弯,超声波测距模块也可以用来衡量学生成绩。
3.2。物理测试工作的线程池模型
当接收到一个请求从TQ6410中央数据中心的大学学生的体检,任务管理器将叉相应的子流程处理请求如果它遵循简单的处理步骤。然而,如果多个物理传感器设备发出请求同时,经理将继续叉的过程(17),还需要管理的子过程处理请求。此时,中央数据中心中的服务器将面临过度资源占领,这可能会导致服务停机时间。因此,为了解决这种情况,“线程池”的概念,介绍了数据采集系统。
线程池的工作模型如图3。工作流程大致如下:首先,创建一个指定数量的任务处理器线程在初始化阶段的物理测量数据采集系统。最初是在所有线程空闲队列。一次水槽节点将数据发送给监控服务器,它只需要从空闲列表。一个线程就足够了。如果空闲列表为空,用户暂时不能发送数据。当客户端暂停发送数据时,释放线程,线程返回到空闲列表。使用线程池技术后,系统的CPU占用大幅增加的请求,不会改变,可以保持在一个稳定的状态,和整个系统的服务保持可用状态(18]。与此同时,经理也在有序的节奏等操作创建新的请求和破坏子进程,这有利于提高整个系统的效率。
3.3。大学生身体健康管理系统的框架
本文采用MVC设计模式,实现了自动生成的源文件显示层、控制层、持久层和数据收集终端通过模板技术。平台的总体结构如图4。
在图4,整个系统使用Spring MVC为核心,表示层的页面控件使用jquery组件和页面技术使用JSP、JSTL,和HTML技术;页面信息分布在后台通过Spring MVC的调度程序,最后由后台程序处理;背景使用JPA技术数据库映射到实体类;为了提高数据库性能和并发查询功能,平台集成了MemCached (19]。前端数据采集设备可以根据需要,选择和相应的模板可以根据配置控制器和传感器使用。本文使用Arduino开源平台的前端数据采集。Arduino是一个软件和硬件平台基于开源的代码,建立在开源的代码简单的I / O接口,并已处理/线路开发环境类似于Java和c .根据平台的总体结构,生成的业务数据收集的工作流平台前端 。
生成的系统平台采用MVC模式,和服务器是基于弹簧(20.]。生成的类应该包括控制层、服务层和持久层。持久层包括数据库操作类和实体类文件。控制层采用Spring MVC和实现基于注释从URL映射到类。平台使用本机Spring MVC,架构组提供开发标准和规范样本文档在不同的场景。
控制层实现了一个基类,封装了服务器的功能有效性验证,添加新消息,增加信息,初始化数据绑定,等。当平台生成用户级控制层的类,它需要继承这个类,和程序可以直接调用父类方法运行时,哪个更方便使用简化的模板来生成代码,减少重复工作。服务层以spring IoC为核心并管理所有业务服务类。父类的服务层应该封装数据范围过滤的功能和权限过滤。用户服务层平台生成的类继承该父类实现的功能添加、查找、删除和更新。采用弹簧JPA持久性,底层的层依赖于hibernate实现(21]。架构级别考虑实现读写分离和区分基于spring事务标记,和架构统一封装,减少判断的发展(22]。Arduino可以使用等发达电子元件开关或传感器或其他控制设备,发光二极管,步进电机或其他输出设备或独立运作作为一个接口,可以用软件交流。平台持久层实现分页查询的功能,获取实体,拯救实体,更新实体,逻辑删除,和物理删除。持久层平台基于模板生成的类继承基类持久层的平台,不再需要用户手动添加、删除、修改和查看数据。Hibernate是一个对象关系映射解决方案在Java语言。冬眠不仅仅是负责从Java类映射到数据库表,还包括从Java数据类型映射到SQL数据类型。它还提供了一个面向对象的数据查询和检索机制,大大缩短了开发时间的手动处理SQL和JDBC。
4所示。实验和分析
4.1。物理信息收集数据中心编程架构
首先,中央数据中心的编程架构图所示5。客户端发出请求和连接后,任务处理器分配相应的ClientEventHandler事务处理,以及处理程序主要执行数据接收功能。为了解决上述问题,ACE中间件技术,消息经销商技术和线程池技术的设计和开发中使用该系统的中央数据中心。
信息传播形式的字节流通过TCP / IP协议的网络。是很重要的知道消息的传输结束时。因此,一些必要的记录信息传播在每个消息的开始。为了减少过度占领字节流,提高传输效率,以下消息结构设计:
消息格式
{
Int类型;/ /消息的开始
int ID;/ /设备号
{/ /循环接收部分
长尺寸;/ /消息长度
……/ /真正的消息的内容,这部分的长度是一样的,所指定的大小
}
}
必须使用上面的所有消息的结构。当类型为1,这意味着从接收到视频图像数据发送;当类型为2,这意味着从环境传感器接收到的数据。之间的区别不同的传感器获得通过分析接收文本信息的内容,如接收到的是:“湿度:34.6”,使用“:”划分,接收到的数据发送的湿度传感器,该值为34.6;当其他值类型,这意味着数据格式是错误的。此时,应该写在系统错误日志信息。
4.2。系统初始化和驱动程序的实现
ARM7微处理器LPC2138的启动代码主要由五部分组成:启动。(装配文件),硬中断请求优先级别。(装配文件),目标。e (C文件),目标。h(头文件)和配置。h(头文件)。
LPC2138和CC2530之间的串行通信采用中断处理模式。当中断服务子程序接收到一个中断,它需要做的第一件事就是找到中断输入中断标志寄存器(U0IIR),因为它只知道UART中断,但不能判断什么类型的中断,并根据查询结果进行相应的处理。在处理之后,您需要阅读U0IIR清除中断,然后退出中断服务程序。中断矢量表如表所示1。
无线通信收发器芯片我们选择CC2530,无线个域网网络的硬件保证。API接口,提供的无线个域网协议必须存在CC2530司机。的司机CC2530总共包含了五个接口:CC2530初始化界面(CC2530_init) CC2530数据发送接口(CC2530_SendData) CC2530接收数据接口(CC2530_ReceiveData),将CC2530参数设置界面(CC2530_set),和阅读CC2530参数接口(CC2530_get)。
第一步是第一个下拉nRESET销水平,然后设置VREG_EN销高水平,最后恢复要重置CC2530 nRESET销级别。第二步是触发启动命令(SXOSCON)和检查晶体振荡器标志,确保晶体振荡器的确是处于启动状态。第三步是进一步建立了控制寄存器。最后,明确发送缓冲寄存器和接收缓冲寄存器准备正确的发送和接收的数据。通过这种方式,完成初始化过程。
本文系统的可行性测试两个主题的肺活量和体重。在这个实验中,两个CC2530 ZigBee模块和一个STM32FI03ZWETT6芯片用于数据传输和处理。
4.3。体重和肺活量测试
重量测量采用电阻应变压力传感器的最大射程200公斤,具有精度高、结构简单的特点。配备一个承载板和安装基座,人体可以站在承载平台测试,避免重的缺点错误引起的变化在工作平面上。它的工作原理是外部弹性体变形,重量,和电阻应变仪也会变形,这将影响其阻力并生成相应的微分信号。因此,在实际测量中,传感器将重量转换成电压信号,然后流程ADC转换后的电压信号来获取重量数据。传感器的技术参数如表所示2。
肺活量传感器使用XGZP6847气体压力传感器测量。应变传感器是一个很好的组合电阻应变效应和系统的惯性力原则,具有良好的应用程序在实际的测试工作。传感器由一个弹性膜和四个电阻集成到膜。四个压敏电阻器组成一个惠斯通电桥结构。当压力应用于弹性膜,这座桥将生成一个线性应用的压力成正比。相关的电压输出信号及其技术参数如表所示3。
传统的肺活量测试仪使用气体流量传感器来测量气体流量的获得至关重要的能力得分。摘要XGZP6847气体压力传感器是用于收集的气息压的话题。把4、5、6针CC2530歼10的传感器接口,分别连接到高水平,P06接地。每个模块通电后,两个CC2530s将进行一个自组织网络根据设定软件来实现通信,和STM32也将建立与PC通信通过2.4 g无线通信模块。当主体通过气管吐出传感器输入,输出的电压值的传感器将会改变。由于传感器输出的模拟信号,模拟数字转换是必需的,和CC2530本身ADC模拟数字转换。选择ADCCON3寄存器控制参考电压和大量毁灭的一个转换频道和存储转换结果,也就是说,xb0 ADCCOM3设置为0,这是由两个寄存器、ADCH ADCL,和转换结果是二进制补码的形式,及其高两位就为零,需要转移,和ADCL商店低6位的结果,和ADCH商店的高8位的结果。AIN0通道选择,选择参考电压为5 V,大量毁坏率是256。这时,CC2530芯片的无线传感器节点直接连接到PC机通过串行端口。从数据上显示的电脑,它可以知道传感器收集了输出电压变化引起的测试; the data obtained by the sensor is shown in Figure6。
然后,CC2530芯片传输数据通过无线个域网协调器模块。此时,传感器节点和协调器,分别通过串口连接到个人电脑。在这个时候,通过传感器测量的数据被收集。根据观察结果端口检测工具,传感器节点和协调器之间的网络已成功建立,可以传输数据。上面的基础上构建模块,STM32和2.4 g无线通信模块的主要控制模块的添加,和获得的数据进行数值转换;在STM32根据公式(1)获得期间收集的气体压力测试:
结果显示在电脑边,如图所示7。从结果显示在电脑端,服务器可以接收简单处理过的数据传输通过2.4 g无线通信模块。因此,取得了预期的效果。
后的肺活量测试,无线传感器获得的气体压力呼出主题,气体流量可以根据圆柱体的横截面积计算中使用的肺活量计肺活量主题,然后,具体肺活量值可根据测试时间。因此,它表明,该方法可用于检测至关重要的能力。
采用电阻应变式压力传感器的重量。电阻应变计传感器的金属的应变效应;也就是说,它在外力的作用下产生机械变形,所以相应的电阻值的变化。电阻应变仪主要包括金属和半导体。金属应变仪可分为线类型、箔类型,和电影类型。半导体应变计具有灵敏度高(通常是几十倍的线类型和箔类型)和小横向效应。其他模块类似于那些至关重要的能力测试,由传感器获得的数据显示在图8,黄色区域是一个有效值。
输出电压之间的数值转换公式和重量测试结果所示
结果显示在电脑边,如图所示9。
从结果,它是可行的无线传感器网络技术应用于体能测验环境,采取各种各样的体能测试无线传感器节点,并构建一个无线传感器网络传输的数据收集的体能测试人员到服务器,以便建立一个系统,可以实现稳定和统一的无线传输。
5。结论
本文首先设计了与LPC2138 CC2530司机,然后设计无线传感器节点的网络建立和程序访问网络。最后,描述了整个系统的总体工作和调试。在实验阶段,首先,体能测试系统的总体框架进行了分析。然后,重要的数据采集和传输容量和重量主题为例,选择相应的传感器和芯片作为硬件。WSN节点的程序和STM32开发控制程序开发平台播出mdk5开发平台,分别控制2.4 g无线通信模块将数据发送到服务器。最后,肺活量和身体重量的检测是实现。无线传感器网络布线简单、清晰的网络结构。传感器节点是小、易于部署和易于安装和维护。无线网络的引入到大学生身体测量信息管理系统提高了系统的效率在很大程度上。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
我们声明,没有利益冲突。