一． 需求分析

1.1功能性需求

（1）手环可以随时采集用户的身体状况，记录步行数，并监测用户的睡眠状况。

（2）用户数据可长期保存，随时提取

（3）可根据采集到的用户数据建立健康模型，实时对用户提出建议和警告，建议的结果发送到移动端APP

（4）对用户进行有针对性的商品推荐

1.2性能需求

（1）保密性：手环和移动端APP配对，输入个人口令才能配对连接查看数据

（2）美观性：手环设计美观，APP界面清新简洁

（3）易用性：操作难度低，易上手

（4）产品安全性：手环防水防震，APP无明显bug

二． 模块划分及技术方案

2.1感应模块

手环和皮肤接触的地方有一个金属感应器，通过“三轴加速度传感器”运作，测量空间中X轴、Y轴、Z轴的加速度，能够感应人体在各个方向的振动。当用户迈步时，单脚着地重心上提，垂直方向呈向上加速度，并向前加速。而手环中的三轴加速器，就是通过人体这样不同的加速度变化可以绘制出一条正弦曲线。以垂直方向加速度正弦波为例，从波谷到波峰再到波谷就是正常人一个步伐的过程，如此就可以推算出用户行进的步数。

图1

当用户进入睡眠状态时，手环使用体动记录仪监视用户的微小运动，以系统的计算方式进行累计计算，每2分钟记录一次合计值，与此同时的姿势数据得到记录。通过计算来判断睡眠状态。

2.2数据传输模块

手环数据的同步主要有三种方式：蓝牙，NFC，USB由于使用USB传输会增加成本，便利性也难以保证，故不使用USB传输

表1

2.2.1蓝牙传输：

1 主从关系：

蓝牙技术规定每一对设备之间进行蓝牙通讯时，必须一个为主角色，另一为从角色，才能进行通信，通信时，必须由主端进行查找，发起配对，建链成功后，双方即可收发数据。理论上，一个蓝牙主端设备，可同时与7个蓝牙从端设备进行通讯。一个具备蓝牙通讯功能的设备， 可以在两个角色间切换，平时工作在从模式，等待其它主设备来连接，需要时，转换为主模式，向其它设备发起呼叫。一个蓝牙设备以主模式发起呼叫时，需要知道对方的蓝牙地址，配对密码等信息，配对完成后，可直接发起呼叫。

2 呼叫过程：

蓝牙主端设备发起呼叫，首先是查找，找出周围处于可被查找的蓝牙设备。主端设备找到从端蓝牙设备后，与从端蓝牙设备进行配对，此时需要输入从端设备的PIN码，也有设备不需要输入PIN码。配对完成后，从端蓝牙设备会记录主端设备的信任信息，此时主端即可向从端设备发起呼叫，已配对的设备在下次呼叫时，不再需要重新配对。已配对的设备，做为从端的蓝牙耳机也可以发起建链请求，但做数据通讯的蓝牙模块一般不发起呼叫。链路建立成功后，主从两端之间即可进行双向的数据或语音通讯。在通信状态下，主端和从端设备都可以发起断链，断开蓝牙链路。

3 数据传输

蓝牙数据传输应用中，一对一串口数据通讯是最常见的应用之一，蓝牙设备在出厂前即提前设好两个蓝牙设备之间的配对信息，主端预存有从端设备的PIN码、地址等，两端设备加电即自动建链，透明串口传输，无需外围电路干预。一对一应用中从端设备可以设为两种类型，一是静默状态，即只能与指定的主端通信，不被别的蓝牙设备查找；二是开发状态，既可被指定主端查找，也可以被别的蓝牙设备查找建链。

2.2.2 NFC

NFC终端主要有三种工作模式：

1.主动模式

　　在主动模式下NFC终端可以作为一个读卡器，发出射频场去识别和读/写别的NFC设备信息。

2.被动模式

　　这个模式正好和主动模式相反，此时NFC终端则被模拟成一张卡，它只在其他设备发出的射频场中被动响应，被读/写信息。

3.双向模式

　　在此模式下NFC终端双方都主动发出射频场来建立点对点的通信。相当于两个NFC设备都处于主动模式。

支持NFC的设备可以在主动或被动模式下交换数据。在被动模式下，启动NFC通信的设备，也称为NFC发起设备(主设备)，在整个通信过程中提供射频场。它可以选择106kbps、212kbps或424kbps其中一种传输速度，将数据发送到另一台设备。另一台设备称为NFC目标设备(从设备)，不必产生射频场，而使用负载调制技术，即可以相同的速度将数据传回发起设备。

2.3数据存储模块

通过移动端APP设置手环，显示手环剩余存储空间，默认手环数据同步到云端，手环传送数据到APP保存在移动端本地，同时通过WIFI（移动数据）传送副本到服务器数据库。

2.4数据分析模块

从数据库中提取指定数据，使用Hadoop进行数据分析

Hadoop的特点

(1)扩容能力（Scalable）：能可靠地（reliably）存储和处理千兆字节（PB）数据。

(2)成本低（Economical）：可以通过普通机器组成的服务器群来分发以及处理数据。这些服务器群总计可达数千个节点。

(3)高效率（Efficient）：通过分发数据，hadoop可以在数据所在的节点上并行地处理它们，这使得处理非常的快速。

(4)可靠性（Reliable）：hadoop能自动地维护数据的多份副本，并且在任务失败后能自动地重新部署计算任务。

Hadoop核心项目

HDFS: Hadoop Distributed File System 分布式文件系统

MapReduce：并行计算框架

Hadoop架构

HDFS架构

(1)主从结构

•主节点，只有一个: namenode

•从节点，有很多个: datanodes

(2)namenode负责：管理

•接收用户操作请求，可以实现对文件系统的操作(一般的操作方式有两种，命令行方式和Java API方式)

•维护文件系统的目录结构(用来对文件进行分类管理)。

•管理文件与block之间关系(文件被划分成了Block，Block属于哪个文件，以及Block的顺序好比电影剪辑)，block与datanode之间关系。

(3)datanode负责：存储

•存储文件

•文件被分成block(block一般是以64M来划分，但每个Block块所占用的空间是文件实际的空间）存储在磁盘上，将大数据划分成相对较小的block块，这样可以充分利用磁盘空间，方便管理。

•为保证数据安全，文件会有多个副本(就好比配钥匙，都是为了预防丢失)，这些副本会一块一块复制，分别存储在不同的DataNode上。

MapReduce架构

(1)主从结构

•主节点，只有一个: JobTracker

•从节点，有很多个: TaskTrackers

(2)JobTracker 负责：

•接收客户提交的计算任务

•把计算任务分给TaskTrackers执行

•监控TaskTracker的执行情况

(3)TaskTrackers负责：

•执行JobTracker分配的计算任务

Hadoop集群的物理分布

图2Hadoop集群

这是一个由两个机架组成的机群，图中有两种颜色绿色和黄色，不难看出黄色为主节点，NameNode和JobTracker都独占一个服务器，只有一个是唯一，绿色为从节点有多个。而上面所说JobTracker、NameNode，DataNode，TaskTracker本质都是Java进程，这些进程进行相互调用来实现各自的功能，而主节点与从节点一般运行在不同的java虚拟机之中，那么他们之间的通信就是跨虚拟机的通信。

这些机群上放的都是服务器，服务器本质上就是物理硬件，服务器是主节点还是从节点，主要看是跑的是什么角色或进程，如果上面跑的是Tomcat它就是WEB服务器，跑的是数据库就是数据库服务器，所以当服务器上跑的是NameNode或JobTracker是就是主节点，跑的DataNode或TaskTracker就是从节点。

  为了实现高速通信，我们一般都使用局域网，在内网中可使用千兆网卡、高频交换机、光纤等。

一个代表客户机在单个主系统上启动的MapReduce应用程序称为JobTracker。类似于NameNode，它是Hadoop集群中惟一负责控制 MapReduce应用程序的系统。在应用程序提交之后，将提供包含在 HDFS 中的输入和输出目录。JobTracker使用文件块信息（物理量和位置）确定如何创建其他TaskTracker从属任务。MapReduce应用程序被复制到每个出现输入文件块的节点。将为特定节点上的每个文件块创建一个惟一的从属任务。每个TaskTracker将状态和完成信息报告给JobTracker。

2.5信息推送模块

将获得的数据分析之后建立健康模型，通过WIFI（移动数据）与移动端APP进行实时响应，再根据用户的运动状态进行建议或警告。手环内置发声器，可设置推送信息是否实时发声。

当监测到用户不在运动状态时，根据用户的个人状况推荐健康产品。

三． 概要设计

1. 所需硬件

智能手环是由数据连接模块运动传感器、三轴加速度传感器、电池（可充电或纽扣电池）、蓝牙通讯模块、震动马达、指示灯或显示屏幕、NFC（或没有）

2. 所需软件

移动端APP

3. 后台管理及数据分析

数据库、Hadoop集群、云服务器

4. 技术整合

手环通过传感器采集数据，数据采集完成后通过蓝牙通信传入APP，APP通过WIFI（移动数据）上传至服务器，并保留副本在本地，后台调出数据通过Hadoop进行分析，建立健康模型，并根据模型向APP发送健康建议和产品推荐。