基于物联网的儿童、中小学生监护系统设计

李丽娟 ，陈寿元 ，孙海涛 ，林 健

（1.山东师范大学 信息科学与工程学院 山东 济南 250014；2.山东省物流优化与预测工程技术研究中心 山东 济南 250014；3.山东师范大学 信息技术管理处，山东 济南 250014）

社会不断提高的开放度和日趋增多的流动人口,在促进社会发展的同时也带来了不安全的隐患。快节奏的城市生活，使一些家长照顾低龄儿童的时间越来越少，容易出现儿童监护真空状况。儿童外出走失和被拐卖的现象时有发生，中小学学生安全问题日趋严重，这已经引起家长、社会、政府部门的高度关注。面对大量的学生,学校在管理上也面临越来越大的压力,这时候需要借助于信息系统进行高效的管理,为了更好地保证孩子的安全，消除家长对孩子安全的担忧，让家长随时随地知道孩子所处的位置，需要通过一个系统来随时掌握孩子动态,可以对学生进行实时有效的跟踪管理，确保孩子安全，本文开发的一套儿童实时定位监护系统将可以满足此需求。

现在国内外现有儿童监护系统主要是基于GPRS的主动定位系统，当系统用户发起中断请求时，系统才会采集儿童终端的地理位置信息，下发给用户，本系统的儿童实时定位监护系统不仅可以主动监护，而且在没有中断请求时，系统也会每隔一定时间查询一下儿童的地理信息，然后存储在数据库中，若过程中发现儿童离开了区域边界，便会主动给监护用户发送短信，同时，也会通过儿童机终端向儿童发出警告。这样便大大增加了儿童的安全性。

本系统的定位是由 GPS/RFID和GPRS模块组成的个人定位装置。内置GPS芯片，GPS/RFID定位自动切换，确保任何时间任何地点都能够实时定位。该儿童实时定位监护系统可以有效地解决孩子在学校区域的定位问题，消除家长们的后顾之忧，是家长能随时随地的了解到低龄儿童的各类信息，可以对儿童进行实时位置的查看。该系统同时可以对儿童终端进行电子围栏的设置，当孩子走出预先设置好的区域系统会自动报警。

1 学生监护系统的总体设计方案

该系统主要包括儿童终端机、GPRS传输网络、儿童定位监护系统上位机平台和系统用户。儿童终端机自身具有无线接入和通信、管理能力，借助该能力通过运营商的无线通信网络（2G、3G、WLAN等）接入儿童定位监护系统，将终端的状态、采集数据等信息存储到系统，作为管理的依据。而且儿童定位系统可将信息用于历史数据分析挖掘，或者通过Internet转发给相应的用户，同样地，用户可以通过对儿童定位监护系统下达查询指令，远程管理、配置终端。儿童定位监护系统总体框图如图1所示。

2 系统各部分的设计开发

2.1 儿童终端机

图1 儿童定位监护系统总体框图Fig．1 The overall structure diagram of the monitoring system of children

本文中的儿童终端机以STC12LE5A60S2为核心MCU，利用RFID和GPS技术实时采集儿童在学校区域范围内的具体地理位置信息，利用GPRS模块将采集到的信息通过GPRS的传输方式传输到监护平台的数据库。STC12C5A60S2单片机是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),片上集成 1280 字节 RAM，工作电压：5．5V－ 3．3V。该儿童终端的组成结构图如图2所示。

图2 儿童终端的组成结构图Fig．2 Structure of child terminal

2.2 GPS/RFID

GPS全球定位的基本原理是通过测量出已知位置的卫星到GPS接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。也就是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。但是GPS靠直接接收美国GPS卫星信号工作，需要在室外看到天空的地方才能接收到卫星信号，室内不能接收。所以，为了使系统监控不存在盲区，在该系统中，采用GPS与RFID结合的技术。

射频识别（RFID）技术，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。RFID是利用射频信号自动识别目标并获取相关信息的，它是自动识别领域的一个重要分支。RFID的最大特点是可以批量免接触即时读取,适合于在学校大量学生集中的地方获取定位信息。

无线传感器网络（WSN）是由大量功率低、体积小、价格便宜、具有通信与计算能力的微小传感器节点构成的“智能”自治测控网络系统，一般密集布设在无人值守的监控区域，能够根据环境自主完成指定任务，其目的是协同地感知、采集、处理网络覆盖范围内的信息并将其提供给用户。

RFID技术和WSN技术具有不同的技术特点，WSN可以检测四面八方感应到的各种信息，但对物品的标识能力却有所缺乏，RFID技术强大的标识物品的能力正好可以弥补；RFID抗干扰性较差，而且无源RFID的有效读取距离一般小于10m，如果能利用WSN长达100m的有效距离，将会拓展RFID技术的应用范围。因此本文将RFID和WSN进行集成应用，成为RFID读写器与传感器网络相整合的RFID传感器网络。我们将传感器节点集成到RFID系统中可以获取更多所需的环境信息，同时可以扩大RFID系统的覆盖范围并且可以扩展RFID信息系统的信息种类。因此我们设计RFID传感器网络，网络结构如图3所示。

图3 RFID传感器网络结构图Fig．3 The network structure diagram of RFID and Sensor

我们可以利用这一RFID传感器网络对移动的目标进行跟踪定位研究。在学校区域周围布设大量传感器节点和RFID读写器，传感器节点可以用来精确的监控移动目标的周围环境，同时RFID读写器可以用来确定目标的移动轨迹，当目标离开覆盖有RFID读写器的学校周围区域边界电子围栏时，终端会立即上发地理信息至上位机服务器，经分析处理后，下发短信给系统用户。边界电子围栏的组成图如图4所示。

图4 边界电子围栏组成图Fig．4 The diagram of Electronic fence

2.3 GPRS

GPRS是在GSM网络基础上建立起来的移动数据通信业务。GPRS的出现使得包括图片、视频、音频的多媒体业务能够通过无线网络进行传输。GPRS模块的作用是完成儿童安全定位系统和学校监护上位机之间的数据传输。本系统采用SIM100，SIM100是SIMCOM推出的GSM/GPRS双频模块，主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。SIM100集成了完整的射频电路和GSM的基带处理器，适合于开发一些GSM/GPRS的无线应用产品，在本文的应用中主要是为了儿童终端的实时地理位置信息数据通过GPRS网络上传到监护系统。SIM100模块使用锂电池、镍氢电池或者其他外部直流电源供电，电源电压范围为：3．3～4．6 V。

2.4 儿童定位监护平台

儿童定位监护平台主要是GPRS接收模块和服务器组成，GPRS模块将接收到的儿童地理信息上传到服务器，服务器进行数据分析后存入数据库，同时服务器也可以接收到系统用户的访问需求，实时下发信息查询儿童的动态地理信息。

3 软件设计

该系统的软件部分主要由学校上位机监护平台软件、儿童终端和RFID网络3部分组成。

3.1 儿童终端

儿童终端设备在开机后进行初始化，初始化包括GPS初始化、GPRS初始化、RFID初始化三个部分，初始化正常后进入while循环等待上位机的中断请求，当上位机出现中断请求时，控制器采集GPS模块和RFID的数据，通过GPRS模块上传到上位机平台，上位机平台对采集来的数据进行分析处理，检查是否出现异常变动情况并存入数据库。当上位机没有中断请求时，儿童终端控制器就等到规定时间后自动采集GPS模块的地理位置信息和RFID的标签信息，将采集到的信息上传到上位机平台。儿童终端的主程序流程图如图5所示。

图5 儿童终端的主程序流程图Fig.5 The main program flow of the child terminal

3.2 RFID网络

当儿童走出界定区域范围时，电子围栏上的RFID读写器感应到儿童终端上的RFID卡的中断信息，RFID读写器将该终端的地理信息送至CPU分析处理后，通过GPRS网络发给上位机监护平台，然后监护平台会下发短信给系统用户，同时向儿童终端机上发送警告信息，警告儿童已离开学校区域。该RFID网络的流程图如图6所示。

图6 RFID网络的流程图Fig.6 The flow of RFID network

3.3 上位机监护平台

上位机初始化正常后等待系统用户的中断请求，当出现中断请求时，上位机对儿童终端发出中断请求，然后将获得的即时儿童地理位置信息以短信的形式下发给系统用户，若没有中断请求，就将儿童终端等到固定时间自动上发的地理信息分析存入数据库。监护平台的流程图如图7所示。

图7 监护平台流程图Fig.7 The flow of monitoring platform

4 结束语

本文针对现在社会上儿童安全问题，研究了基于GPS和GPRS/RFID的安全定位监护系统，该系统能够对儿童在学校附近一定区域内进行实时定位监控，一旦出现紧急情况或儿童离开区域边界，能够及时报警通知监管人员，并且发送短信至系统用户，减轻了家长和学校监护孩子的负担，提高了低龄儿童的人身安全。以后会在监护中小学生、儿童中起到更大的作用。

[1]崔妍.基于GPS的儿童实时定位监护系统的设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.

[2]陈龙.基于ARM的GPS定位系统的研究与实现[D].西安：西安电子科技大学，2008.

[3]李立志.基于GPRS和GPS防盗追踪系统的研究与实现[D].北京：北京工业大学，2011.

[4]周洋.基于GPRS无线传输系统的研究[D].石家庄：河北科技大学，2012.

[5]孟庆黎.基于RFID和图像处理的身份识别软件系统设计与实现[D].石家庄：河北工程大学，2011.

[6]林武强.中小学学生安全定位系统设计与研究[D]广州：广州大学，2011.

[7]赵申,蒋铃鸽.基于GPRS的无线数据采集与传输终端[J].电子产品世界，2004(15):130-132.ZHAO Shen,JIANG Ling-ge.The wireless data transmission system based on GPRS[J].Electronic Products World,2004(15):130-132.

[8]许峰.具有彩信发送功能的GPRS终端的设计与实现[D].合肥：曲阜师范大学，2007.