基于无线传感器网络的儿童防走失系统研究与设计

2013-11-14张新建杨晓坤

电子测试 2013年14期

张新建，杨晓坤

（华中科技大学文华学院，湖北武汉，430074)

0 前言

在我们身旁，时常发生着孩子丢失的悲剧。据公安部最新数据显示，近年来我国每年有近20万儿童失踪。儿童走失对每一个家庭来说都是一个非常沉重的打击。如何关心和帮助幼年群体，特别是小龄儿童走失成为了整个社会关注的问题。针对这一问题，须要采取一系列的儿童防丢失措施来杜绝儿童走失的悲剧发生。首先，儿童和家长或者是监护人必须时刻关注和了解自己保护的孩子。其次应通过科技手段使孩子家长或监护人时刻与孩子保持某一通讯联系，对孩子进行科技保护。为此，本文提出了一种基于无线传感器网络的儿童防走失系统，可对儿童走失起到较好的预防效果，这将对儿童防走失智能化的发展具有一定的研究价值和指导意义。

1 方案设计

1.1 系统硬件方案设计

图1为基于无线电传感器网络的儿童防走失系统整体硬件框图。系统中子机和母机组成第一道防护网，子机和主机组成第二道防护网。子机可以在预设距离内被母机实时监控，同时子机在活动区域内的具体位置可以由主机显示。具体实现流程为：子机向外发射具有特定编码的无线电信号，无线电信号被母机和无线传感器节点接收，母机对其信号进行识别和分析。若信号的编码地址相一致则系统配对成功，母机开始对子机进行检测，当子机离开预设范围后母机报警。无线传感器接收到的子机的无线电信号后传送给主机实现对子机实时位置显示。

图1 系统整体设计框图

1.2 系统主机软件设计

系统主机以单片机为主要控制芯片，要实现对无线电传感器网络传输的数据进行分析、控制和显示，系统主机控制程序设计如图2所示。

图2 系统主机软件设计框图

2 系统节点设计与布置

2.1 节点设计

系统中儿童和区域内某一节点的距离超出某一阀值时，判断为离开此节点进入了下一个节点的检测。设区域内的任意节点s，定义检测函数fS如式

（1）所示。

式（1）中，dij 表示节点i与节点j间的距离，安全距离可根据预设区域的大小而定。安全阀值dST 表示儿童允许离开节点的最大距离，当儿童与节点距离超出了安全阀值，则证明进入了相邻的节点。由于儿童离开一节点后必须和相邻的节点进行无线电通讯，因此dST须小于dij的值，当fs=1时，表明儿童在节点s的感应范围内；当 fs=0时，表示儿童离开节点s进入相邻节点感应范围内。

2.2 节点布置

在区域内布置传感器节点需要充分利用传感器的感知能力又能保证确保传感器区域内完全无缝连通和完全无缝覆盖，在传感器区域内所需要的最少节点数N的计算公式如式（2）所示。

式（2）中，F为传感器区域面积，σ为每个节点有效覆盖面积， r为节点感知或通讯半径。

为保无线传感器节点在证预设区域内没有盲区，实现了完全无缝联通和完全无缝覆盖。使用Matlab7.0运用VRGSD算法进行了仿真验证，随机产生的30个传感器节点随机的分布在传感器区域内如图3所示。

图3 初始状态下传感器随机布置

执行VRGSD算法之后的传感器布置如图4所示，使用VRGSD算法可形成一个MCDS，有效的节约传感器的耗能。

图4 执行VRGSD算法后传感器布置

运用VRGSD算法在所预设的区域内布置节点，在区域内的实际情况和实时性共划分三个等级的节点放置密度。首先是儿童活动频繁的区域设为安全区域，在此区域内可以布置少量节点，保证儿童在此区域内活动有一个节点进行监控。其次是安全区域外围，在儿童活动区域之外为重点区域。在此区域内须布置大量节点，每个相邻节点之际都保证在安全阀值之内以保证儿童所在位置的实时性和准确性。最后布置节点的地方为区域出口位置，此区域为危险区域。

3 测试结果及数据分析

为了验证系统的性能，在无线传感器网络定位的测量上采用RSSI测距方法进行了测试。在空旷的空地上获得RSSI值与距离的关系后，系统还需要在不同环境下测试RSSI与距离的关系。系统子机周期性地发射功率恒定的信号，母机在一定距离下接收,并检测信号强度记录下来。图6为3种环境下的Shadowing模型，通过与标准衰减模型的对比，由此可以看出在空旷的地区拟合曲线最接近总体曲线，室内中的拟合曲线漂移最大，室外的拟合曲线漂移成度次之。