重慶第二師范學(xué)院數(shù)學(xué)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(xué)院數(shù)學(xué)與信息工程系 譚希敏 王伶俐 劉先玲

由于計(jì)劃生育政策實(shí)行現(xiàn)如今幾乎所有家庭只有一個(gè)小孩，因此孩子的一切備受家長(zhǎng)，老師的關(guān)心。對(duì)于幼兒學(xué)校而言，這無(wú)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?；诖藝?yán)峻問(wèn)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(shí)掌握孩子狀況等問(wèn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)嬰幼兒的精確定位、信息報(bào)告、自動(dòng)報(bào)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(bào)道,“我國(guó)每年約有20多萬(wàn)兒童失蹤,目前仍然沒有放棄尋找的案件逾60萬(wàn)件”。時(shí)代在不斷發(fā)展,嬰幼兒的照看,管理成為了不少家長(zhǎng)、老師的一大難題。眾多幼兒在學(xué)園上課、玩耍,老師不可能面面俱到,對(duì)于孩子的體溫、動(dòng)向不可能一一俱知,這也讓不少父母擔(dān)心。幼兒的監(jiān)管不到位帶來(lái)的安全隱患包括:老師幼兒所在具體位置,幼兒在何時(shí)何地走丟也不知,如若運(yùn)動(dòng)過(guò)量,幼兒發(fā)燒、感冒,也得不到及時(shí)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(dāng)前的情況,將相關(guān)信息通過(guò)Zigbee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(shí)關(guān)注幼兒的狀態(tài),網(wǎng)關(guān)又通過(guò)GPRS模塊將信息發(fā)送到Internet,家長(zhǎng)可以隨時(shí)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)幼兒信息進(jìn)行跟蹤,因?yàn)樵撓到y(tǒng)有定位作用,可以方便老師對(duì)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(bào)警器節(jié)點(diǎn)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(fù)責(zé)組成網(wǎng)絡(luò)的Zigbee控制器采用TI公司生產(chǎn)的針對(duì)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(jiǎn)單可以精確當(dāng)前節(jié)點(diǎn)位置,適合于確定幼兒當(dāng)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的通信。這種方法節(jié)約了項(xiàng)目成本,具有較強(qiáng)的適應(yīng)性與靈活性。該項(xiàng)目選用Samsung公司S3C2440A處理器,它是國(guó)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(chǔ)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(shí)時(shí)性,準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可視化采集的數(shù)據(jù),便于家長(zhǎng)和老師通過(guò)終端設(shè)備進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的查詢,主要的要求就是WEB服務(wù)器要隨時(shí)與數(shù)據(jù)庫(kù)交互以更新數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 傳感器

溫濕度傳感器主要采用“雙壓法”對(duì)物體的溫度及濕度進(jìn)行測(cè)量。并通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)將測(cè)量結(jié)果反饋給主機(jī)進(jìn)行跟蹤和分析,在第一時(shí)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)上傳送簡(jiǎn)短信息的無(wú)線應(yīng)用,是一種信息在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)寄的過(guò)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(kù)庫(kù)中,另一方面將數(shù)據(jù)以短息的的形式發(fā)送至家長(zhǎng)和老師,從而實(shí)現(xiàn)了信息獲得的及時(shí)性,便于掌控孩子的動(dòng)態(tài)。

圖3 智慧鞋報(bào)警系統(tǒng)工作流程圖

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)工作流程

Zigbee智慧鞋報(bào)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(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線傳輸,經(jīng)過(guò)路節(jié)點(diǎn)最終傳入給嵌入式網(wǎng)關(guān)進(jìn)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(shí)發(fā)送報(bào)警短信給老師和家長(zhǎng),Web服務(wù)器通過(guò)MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)將信息存儲(chǔ)。

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(gòu))的CC2431,協(xié)議棧為Zigbee 2007,是TI公司專門為CC2431芯片設(shè)計(jì)的協(xié)議棧[2]。Zigbee協(xié)調(diào)器的軟件,Zigbee網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)時(shí)會(huì)進(jìn)行設(shè)備初始化,雖然每一個(gè)Zigbee設(shè)備都有唯一的一個(gè)64位IEEE地址,并可以用這個(gè)地址在PAN中進(jìn)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(huì)為它分配一個(gè)16位的短地址,此后可以用這個(gè)短地址在PAN內(nèi)進(jìn)行通信,十六位的短地址是相對(duì)地址,相當(dāng)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(gè)擁有Zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊的終端(本項(xiàng)目中的智慧鞋)會(huì)彼此之間搜尋,由于終端在不停的移動(dòng)改變位置,則相應(yīng)的聯(lián)絡(luò)也會(huì)相應(yīng)的變化。該特點(diǎn)正好適用于本項(xiàng)目的情況。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于Zigbee網(wǎng)絡(luò),根據(jù)社會(huì)情況設(shè)計(jì)的嬰幼兒監(jiān)管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)報(bào)警器的分布式布控,并結(jié)合當(dāng)下主流互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),達(dá)到與互聯(lián)網(wǎng)融合的智能報(bào)警系統(tǒng)。通過(guò)Web服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰幼兒的監(jiān)控,并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)完成了數(shù)量龐大的嬰幼兒信息存儲(chǔ)。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(diǎn),達(dá)到了嬰幼兒監(jiān)管的自動(dòng)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(jī)控制GSM模塊實(shí)現(xiàn)短信收發(fā)的軟件設(shè)計(jì)［OL］.http://www.21ic.com/app/rf/200503/6239.htm.

［2］張朋,陳明,陳亞萍.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)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(jì)、開發(fā)與實(shí)踐.2010.6ISBN 987-118-06775-0.

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

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

重慶第二師范學(xué)院科研基金項(xiàng)目（K9201321C）。