重慶第二師范學院數(shù)學與信息工程系 譚希敏 王伶俐 劉先玲

嵌入式嬰幼兒監(jiān)管系統(tǒng)

重慶第二師范學院數(shù)學與信息工程系 譚希敏 王伶俐 劉先玲

由于計劃生育政策實行現(xiàn)如今幾乎所有家庭只有一個小孩，因此孩子的一切備受家長，老師的關(guān)心。對于幼兒學校而言，這無疑是增大了老師的管理壓力。一旦疏忽就可能造成幼兒丟失事件。基于此嚴峻問題，提出了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的嵌入式嬰幼兒的監(jiān)管系統(tǒng)。解決孩子多，管理麻煩、不能隨時掌握孩子狀況等問題。融合嵌入式網(wǎng)關(guān)，CC2431模塊，Web服務(wù)器，溫度、濕度、光度模塊等，實現(xiàn)了對嬰幼兒的精確定位、信息報告、自動報警。

幼兒監(jiān)控；Zigbee；CC2431模塊；嵌入式網(wǎng)關(guān)

引言

鳳凰衛(wèi)視曾報道,“我國每年約有20多萬兒童失蹤,目前仍然沒有放棄尋找的案件逾60萬件”。時代在不斷發(fā)展,嬰幼兒的照看,管理成為了不少家長、老師的一大難題。眾多幼兒在學園上課、玩耍,老師不可能面面俱到,對于孩子的體溫、動向不可能一一俱知,這也讓不少父母擔心。幼兒的監(jiān)管不到位帶來的安全隱患包括:老師幼兒所在具體位置,幼兒在何時何地走丟也不知,如若運動過量,幼兒發(fā)燒、感冒,也得不到及時的醫(yī)治。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)工作原理

嵌入式幼兒監(jiān)管系統(tǒng)組成為包含Zigbee網(wǎng)絡(luò)、嵌入式網(wǎng)關(guān)、GSM短信模塊。如圖1為系統(tǒng)工作原理圖。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

工作原理:傳感器感知當前的情況,將相關(guān)信息通過Zigbee的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)傳給嵌入式網(wǎng)關(guān),嵌入式網(wǎng)關(guān)處理數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)記錄呈現(xiàn)在屏幕上,便于教育者及時關(guān)注幼兒的狀態(tài),網(wǎng)關(guān)又通過GPRS模塊將信息發(fā)送到Internet,家長可以隨時通過互聯(lián)網(wǎng)對幼兒信息進行跟蹤,因為該系統(tǒng)有定位作用,可以方便老師對幼兒的管理。

2 系統(tǒng)組成

2.1 Zigbee模塊

如圖2所示為幼兒的智慧鞋報警器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖, 包含Zigbee控制器、溫濕度傳感器、距離傳感器、光敏傳感器。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

其中負責組成網(wǎng)絡(luò)的Zigbee控制器采用TI公司生產(chǎn)的針對IEEE 802.15.4應(yīng)用的片上系統(tǒng)CC2431,它芯片內(nèi)部集成了定位引擎和工作在2.4GHz的射頻發(fā)射器,擁有低功耗的8051MCU內(nèi)核。它基于RSSI的定位技術(shù),降低了網(wǎng)絡(luò)流量和通訊延遲并且它算法簡單可以精確當前節(jié)點位置,適合于確定幼兒當前距離。

2.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)

嵌入式網(wǎng)關(guān)采用在嵌入式系統(tǒng)上搭建網(wǎng)關(guān)以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的通信。這種方法節(jié)約了項目成本,具有較強的適應(yīng)性與靈活性。該項目選用Samsung公司S3C2440A處理器,它是國內(nèi)資料最為廣泛,相應(yīng)開發(fā)套件最為齊全的處理器之一,而且與傳統(tǒng)ARM7系列處理器相比,執(zhí)行效率更高,具有全性能的MMU(虛擬存儲器單元),支持Linux系統(tǒng)的移植和建立WEB服務(wù)器的搭建。在一定程度上滿足了嬰幼兒監(jiān)管系統(tǒng)需要的實時性,準確性以及信息的反饋速度方面的要求。

2.3 Web服務(wù)器

WEB服務(wù)器的作用主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享,通過網(wǎng)絡(luò)可視化采集的數(shù)據(jù),便于家長和老師通過終端設(shè)備進入網(wǎng)絡(luò)進行信息的查詢,主要的要求就是WEB服務(wù)器要隨時與數(shù)據(jù)庫交互以更新數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1.1 傳感器

溫濕度傳感器主要采用“雙壓法”對物體的溫度及濕度進行測量。并通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)將測量結(jié)果反饋給主機進行跟蹤和分析,在第一時間內(nèi)反映孩子健康狀況。

3.1.2 GSM模塊

GSM模塊是基于GSM的短信信息服務(wù),是一種在移動網(wǎng)絡(luò)上傳送簡短信息的無線應(yīng)用,是一種信息在移動網(wǎng)絡(luò)上存儲和轉(zhuǎn)寄的過程[1]。GSM模塊與WEB服務(wù)器相輔形成。系統(tǒng)將傳感器采集的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫庫中,另一方面將數(shù)據(jù)以短息的的形式發(fā)送至家長和老師,從而實現(xiàn)了信息獲得的及時性,便于掌控孩子的動態(tài)。

圖3 智慧鞋報警系統(tǒng)工作流程圖

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.2.1 系統(tǒng)工作流程

Zigbee智慧鞋報警系統(tǒng)的工作流程如圖3所示,系統(tǒng)的主要功能是智慧鞋終端傳感器采集數(shù)據(jù)信息,并將采集的數(shù)據(jù)通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)的無線傳輸,經(jīng)過路節(jié)點最終傳入給嵌入式網(wǎng)關(guān)進行處理,嵌入式網(wǎng)關(guān)控制cc2431模塊、光度模塊、溫度模塊、濕度模塊將信息發(fā)送給Web服務(wù)器,同時發(fā)送報警短信給老師和家長,Web服務(wù)器通過MYSQL數(shù)據(jù)庫將信息存儲。

3.2.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)通信

Zigbee網(wǎng)絡(luò)通信采用Chipcon公司(已被TI公司收購)的CC2431,協(xié)議棧為Zigbee 2007,是TI公司專門為CC2431芯片設(shè)計的協(xié)議棧[2]。Zigbee協(xié)調(diào)器的軟件,Zigbee網(wǎng)絡(luò)啟動時會進行設(shè)備初始化,雖然每一個Zigbee設(shè)備都有唯一的一個64位IEEE地址,并可以用這個地址在PAN中進行通信,但從設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立連接以后會為它分配一個16位的短地址,此后可以用這個短地址在PAN內(nèi)進行通信,十六位的短地址是相對地址,相當于IP地址[3]。Zigbee技術(shù)采用自組織網(wǎng)結(jié)構(gòu),即網(wǎng)絡(luò)建立好以后,每個擁有Zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊的終端(本項目中的智慧鞋)會彼此之間搜尋,由于終端在不停的移動改變位置,則相應(yīng)的聯(lián)絡(luò)也會相應(yīng)的變化。該特點正好適用于本項目的情況。

4 結(jié)語

本文基于Zigbee網(wǎng)絡(luò),根據(jù)社會情況設(shè)計的嬰幼兒監(jiān)管系統(tǒng)實現(xiàn)報警器的分布式布控,并結(jié)合當下主流互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),達到與互聯(lián)網(wǎng)融合的智能報警系統(tǒng)。通過Web服務(wù)器可實現(xiàn)對嬰幼兒的監(jiān)控,并通過數(shù)據(jù)庫完成了數(shù)量龐大的嬰幼兒信息存儲。該系統(tǒng)利用Zigbee網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、低功耗、傳輸穩(wěn)定的特點,達到了嬰幼兒監(jiān)管的自動化,因此嬰幼兒監(jiān)管系統(tǒng)具有很好的發(fā)展前景。

［1］王騏,何嘉斌.單片機控制GSM模塊實現(xiàn)短信收發(fā)的軟件設(shè)計［OL］.http://www.21ic.com/app/rf/200503/6239.htm.

［2］張朋,陳明,陳亞萍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)［J］.計算機應(yīng)用研究,2007(10):24-25.

［3］郭淵博.Zigbee技術(shù)與應(yīng)用—CC2430設(shè)計、開發(fā)與實踐.2010.6ISBN 987-118-06775-0.

譚希敏（1994—），女，重慶開縣人，大學本科，研究方向：嵌入式、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

王伶俐（1994—），女，重慶萬州人，大學本科，研究方向：嵌入式、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

劉先玲（1994—），女，重慶巫溪人，大學本科，研究方向：嵌入式、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

重慶第二師范學院科研基金項目（K9201321C）。