鄭州大學(xué)西亞斯國際學(xué)院　張　軍　李銳君　陳　娟

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基于ZigBee的兒童定位監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄭州大學(xué)西亞斯國際學(xué)院張軍李銳君陳娟

【摘要】針對(duì)目前幼兒園兒童安全管理的問題，文章以CC2430/CC2431芯片作為核心系統(tǒng)模塊，設(shè)計(jì)了無線定位網(wǎng)絡(luò)中的參考節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)原理框圖，給出基于RSSI的混合定位算法流程，設(shè)計(jì)基于ZigBee的兒童定位監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，設(shè)置兒童定位與監(jiān)護(hù)、家長安全接送和報(bào)警等功能。

【關(guān)鍵詞】定位節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；混合定位算法

0　引言

安全重于泰山，幼兒園的頭等大事就是安全工作，現(xiàn)在社會(huì)迅速發(fā)展，不安定因素日漸增多，另外，由于幼兒園兒童年齡的特點(diǎn)所決定，他們?nèi)狈θ粘Ｉ罱?jīng)驗(yàn)，往往無法判知和感覺到危險(xiǎn)的來臨，是極易發(fā)生危險(xiǎn)并受到傷害的年齡。因此，建立一套兒童實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)幼兒園內(nèi)實(shí)時(shí)定位、安全保障，監(jiān)護(hù)其身體狀況，家長接送匹配等功能，對(duì)提升幼兒園整體安全監(jiān)護(hù)管理水平，促進(jìn)全民信息化建設(shè)有非常重要的意義。

1　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)思路

ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有低功耗、低成本、低速率、短時(shí)延及安全性高等特點(diǎn)[1]。所以，文章將ZigBee無線傳輸技術(shù)應(yīng)用到幼兒園兒童定位監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，組成一個(gè)多跳點(diǎn)的無線自組織定位監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)。其主要組成部分有網(wǎng)關(guān)（協(xié)調(diào)器）節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)、參考節(jié)點(diǎn)、主機(jī)等應(yīng)用軟件，如圖1所示。

圖1　兒童定位監(jiān)護(hù)系統(tǒng)圖

其中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)均由全功能設(shè)備（FFD）構(gòu)成，定位節(jié)點(diǎn)由簡化功能設(shè)備（RFD）構(gòu)成。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)通信距離可達(dá)200m，參考節(jié)點(diǎn)與定位節(jié)點(diǎn)之間通信距離可達(dá)60m，易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)之間的快速組網(wǎng)。

1.2系統(tǒng)功能及實(shí)現(xiàn)過程

（1）在幼兒園兒童活動(dòng)空間場(chǎng)所的適當(dāng)位置，布置若干定位網(wǎng)絡(luò)的參考節(jié)點(diǎn)，采用CC2430模塊，作為網(wǎng)絡(luò)的路由選擇節(jié)點(diǎn)，為系統(tǒng)提供路由及數(shù)據(jù)傳輸功能。而網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的作用，可以通過設(shè)置在教學(xué)樓內(nèi)的若干個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，采集ZigBee無線數(shù)據(jù)信號(hào)，并由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心終端PC上。

（2）幼兒教師和家長分別配帶卡片標(biāo)簽，兒童配帶腕表標(biāo)簽，分別作為辨識(shí)身份的定位節(jié)點(diǎn)，采用CC2431模塊內(nèi)置的定位引擎，在終端PC數(shù)據(jù)庫中，記錄兒童（或老師）的相關(guān)信息。兒童腕帶具有發(fā)熱檢測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該兒童體溫，家長所帶卡片標(biāo)簽要與該兒童腕表標(biāo)識(shí)進(jìn)行匹配，才能接走孩子。

（3）當(dāng)兒童活動(dòng)到某些參考節(jié)點(diǎn)范圍時(shí)，將啟動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)的內(nèi)置定位引擎進(jìn)行識(shí)別；該兒童的身份號(hào)碼和定位監(jiān)護(hù)信息將會(huì)經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，并最終傳輸?shù)浇K端數(shù)據(jù)庫。在定位節(jié)點(diǎn)上設(shè)置緊急呼叫按鈕，并于當(dāng)?shù)?10報(bào)警中心聯(lián)網(wǎng)，以便幼兒園相關(guān)兒童遭遇突發(fā)事件時(shí)，可以緊急呼叫，以獲得來自警方的支援。

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1定位節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

（1）兒童腕表標(biāo)簽

腕表標(biāo)簽由兒童佩戴在手腕上，屬于有源電子標(biāo)簽，起到定位監(jiān)護(hù)的作用。采用CC2431芯片制成，工作在2.4GHz ISM頻段，其方框如圖2所示。采用高強(qiáng)度的防水耐磨ABS塑料封裝，外形電子表狀；并內(nèi)置防拆回路，如被暴力破壞，腕表標(biāo)簽會(huì)發(fā)送報(bào)警信息。

（2）教師與家長卡片標(biāo)簽

卡片標(biāo)簽由教師與家長胸前佩帶，與腕表標(biāo)簽配套使用。此RFD設(shè)備與兒童腕表標(biāo)簽的工作原理基本相似，方框如圖2所示。外部形狀如卡片，設(shè)置有緊急求助按鈕，如遇突發(fā)事件，可隨時(shí)向監(jiān)護(hù)中心報(bào)告。

圖2　參考節(jié)點(diǎn)/定位節(jié)點(diǎn)原理框圖

2.2參考節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在需要無線信號(hào)覆蓋的區(qū)域安裝固定的參考節(jié)點(diǎn)，屬于FFD設(shè)備，用于采集定位節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的信號(hào)，上傳給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。采用鑄鋁材料制作的成品封裝，具有防雨、防靜電作用，內(nèi)部采用CC2430芯片作為核心模塊，其原理框圖如圖2所示。多個(gè)參考節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)成級(jí)聯(lián)無線自組織網(wǎng)，與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的通信距離可達(dá)1000m。一般8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)定位覆蓋區(qū)域，系統(tǒng)完成定位功能需要3至4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)。

2.3網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)屬于FFD設(shè)備，安裝在幼兒園的監(jiān)護(hù)中心內(nèi)，采用與參考節(jié)點(diǎn)相同的鑄鋁材料進(jìn)行封裝，內(nèi)部核心模塊采用CC2430芯片，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，采用SIP3223芯片進(jìn)行參考節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)采集，與主機(jī)通信的任務(wù)由CAN控制器及收發(fā)器負(fù)責(zé)，設(shè)計(jì)能進(jìn)行四向操作的鍵盤，其原理框圖如圖3所示。

圖3　網(wǎng)關(guān)（協(xié)調(diào)器）節(jié)點(diǎn)原理框圖

其中網(wǎng)關(guān)起到橋接作用，能夠發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)與無限自組織網(wǎng)之間協(xié)議的轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)的交換，并將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵饩W(wǎng)上。

3　混合定位算法

在傳統(tǒng)的定位算法中，根據(jù)無線定位機(jī)制的不同，分為兩種類型：基于測(cè)距的定位算法[2]；無需測(cè)距的定位算法[3]。在基于RSSI測(cè)距的無線定位算法中，接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI的值可根據(jù)下式得到：RSSI=-(10n.lgd+A)，由此式可看出接收信號(hào)強(qiáng)度是發(fā)收距離和發(fā)射功率的函數(shù)。其中發(fā)收距離用d表示；信號(hào)傳播指數(shù)用n表示，也稱傳播常量；單位距離（1m）接收到的信號(hào)強(qiáng)度用A表示。由式中可以得到，無線信號(hào)的衰減和距離成對(duì)數(shù)的關(guān)系，利用此關(guān)系式可進(jìn)行定位計(jì)算。

在原有的算法中，當(dāng)傳輸距離d較小時(shí)，由RSSI值的偏差引起的距離誤差也比較??；若傳輸距離增大到某一值時(shí)，誤差也會(huì)變得很大，即誤差與傳輸距離d有特定關(guān)系。所以，在采用無線定位算法時(shí)，可以設(shè)置一個(gè)距離D作為門限值，當(dāng)傳輸距離d小于門限D(zhuǎn)時(shí)，采用一種定位算法；反之，采用另一種定位算法，如此就可以減小距離誤差，提高定位精度。根據(jù)此原理提出的基于RSSI測(cè)距的混合定位算法流程如圖4所示。

圖4　定位算法流程圖

由算法流程圖可以看出，當(dāng)d小于D時(shí)，啟動(dòng)曲線擬合定位算法，修正通信距離d值；反之啟動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度分布定位算法，也對(duì)d值作出修正。其中D可通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量獲得，MN是定位節(jié)點(diǎn)，BN是參考節(jié)點(diǎn)。由于優(yōu)化的混合定位算法是根據(jù)RSSI波動(dòng)規(guī)律進(jìn)行的，定位精度高，而且運(yùn)算量較小。所以將CC2431原定位引擎改進(jìn)成混合定位算法，有效的提高了定位精度，在兒童定位監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

4　結(jié)束語

兒童定位監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要采用CC2430/CC2431射頻模塊芯片，是無線自組網(wǎng)與有線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的組網(wǎng)模式，能夠有效的提升幼兒園管理水平，實(shí)現(xiàn)兒童定位監(jiān)護(hù)等功能，達(dá)到了預(yù)期的實(shí)用價(jià)值。雖然無線定位技術(shù)在多種環(huán)境下都有應(yīng)用，但是，由于室內(nèi)無線信號(hào)傳播的復(fù)雜性，人的活動(dòng)空間還存在墻體阻隔[4]、多徑衰落等因素，無線定位技術(shù)的應(yīng)用在很大程度上受到限制；這有待于我們深化對(duì)幼兒園管理系統(tǒng)的理解，以及今后通信技術(shù)的不斷發(fā)展，必將會(huì)提高無線定位技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[4]王洋,王忠.基于CC2431的無線定位系統(tǒng)[J].通信技術(shù),2009,42(9).

張軍（1979—），男，河北棗強(qiáng)人，碩士，鄭州大學(xué)西亞斯國際學(xué)院電子信息工程學(xué)院講師，研究方向：無線通信網(wǎng)絡(luò)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

作者簡介：

基金項(xiàng)目：河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目（152102210344）；河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目（152102310367）。