嵌入式婴幼儿监管系统

重庆第二师范学院数学与信息工程系 谭希敏 王伶俐 刘先玲

嵌入式婴幼儿监管系统

重庆第二师范学院数学与信息工程系 谭希敏 王伶俐 刘先玲

由于计划生育政策实行现如今几乎所有家庭只有一个小孩，因此孩子的一切备受家长，老师的关心。对于幼儿学校而言，这无疑是增大了老师的管理压力。一旦疏忽就可能造成幼儿丢失事件。基于此严峻问题，提出了一种基于ZigBee网络的嵌入式婴幼儿的监管系统。解决孩子多，管理麻烦、不能随时掌握孩子状况等问题。融合嵌入式网关，CC2431模块，Web服务器，温度、湿度、光度模块等，实现了对婴幼儿的精确定位、信息报告、自动报警。

幼儿监控；Zigbee；CC2431模块；嵌入式网关

引言

凤凰卫视曾报道,“我国每年约有20多万儿童失踪,目前仍然没有放弃寻找的案件逾60万件”。时代在不断发展,婴幼儿的照看,管理成为了不少家长、老师的一大难题。众多幼儿在学园上课、玩耍,老师不可能面面俱到,对于孩子的体温、动向不可能一一俱知,这也让不少父母担心。幼儿的监管不到位带来的安全隐患包括:老师幼儿所在具体位置,幼儿在何时何地走丢也不知,如若运动过量,幼儿发烧、感冒,也得不到及时的医治。

1 系统概述

1.1 系统工作原理

嵌入式幼儿监管系统组成为包含Zigbee网络、嵌入式网关、GSM短信模块。如图1为系统工作原理图。

图1 系统工作原理图

工作原理:传感器感知当前的情况,将相关信息通过Zigbee的网络拓扑结构传给嵌入式网关,嵌入式网关处理数据,并将数据记录呈现在屏幕上,便于教育者及时关注幼儿的状态,网关又通过GPRS模块将信息发送到Internet,家长可以随时通过互联网对幼儿信息进行跟踪,因为该系统有定位作用,可以方便老师对幼儿的管理。

2 系统组成

2.1 Zigbee模块

如图2所示为幼儿的智慧鞋报警器节点结构图, 包含Zigbee控制器、温湿度传感器、距离传感器、光敏传感器。

图2 系统工作原理图

其中负责组成网络的Zigbee控制器采用TI公司生产的针对IEEE 802.15.4应用的片上系统CC2431,它芯片内部集成了定位引擎和工作在2.4GHz的射频发射器,拥有低功耗的8051MCU内核。它基于RSSI的定位技术,降低了网络流量和通讯延迟并且它算法简单可以精确当前节点位置,适合于确定幼儿当前距离。

2.2 嵌入式网关

嵌入式网关采用在嵌入式系统上搭建网关以实现网络之间的通信。这种方法节约了项目成本,具有较强的适应性与灵活性。该项目选用Samsung公司S3C2440A处理器,它是国内资料最为广泛,相应开发套件最为齐全的处理器之一,而且与传统ARM7系列处理器相比,执行效率更高,具有全性能的MMU(虚拟存储器单元),支持Linux系统的移植和建立WEB服务器的搭建。在一定程度上满足了婴幼儿监管系统需要的实时性,准确性以及信息的反馈速度方面的要求。

2.3 Web服务器

WEB服务器的作用主要是实现数据的共享,通过网络可视化采集的数据,便于家长和老师通过终端设备进入网络进行信息的查询,主要的要求就是WEB服务器要随时与数据库交互以更新数据。

3 系统设计

3.1 系统硬件设计

3.1.1 传感器

温湿度传感器主要采用“双压法”对物体的温度及湿度进行测量。并通过Zigbee网络将测量结果反馈给主机进行跟踪和分析,在第一时间内反映孩子健康状况。

3.1.2 GSM模块

GSM模块是基于GSM的短信信息服务,是一种在移动网络上传送简短信息的无线应用,是一种信息在移动网络上存储和转寄的过程[1]。GSM模块与WEB服务器相辅形成。系统将传感器采集的数据存入数据库库中,另一方面将数据以短息的的形式发送至家长和老师,从而实现了信息获得的及时性,便于掌控孩子的动态。

图3 智慧鞋报警系统工作流程图

3.2 系统软件设计

3.2.1 系统工作流程

Zigbee智慧鞋报警系统的工作流程如图3所示,系统的主要功能是智慧鞋终端传感器采集数据信息,并将采集的数据通过Zigbee网络的无线传输,经过路节点最终传入给嵌入式网关进行处理,嵌入式网关控制cc2431模块、光度模块、温度模块、湿度模块将信息发送给Web服务器,同时发送报警短信给老师和家长,Web服务器通过MYSQL数据库将信息存储。

3.2.2 Zigbee网络通信

Zigbee网络通信采用Chipcon公司(已被TI公司收购)的CC2431,协议栈为Zigbee 2007,是TI公司专门为CC2431芯片设计的协议栈[2]。Zigbee协调器的软件,Zigbee网络启动时会进行设备初始化,虽然每一个Zigbee设备都有唯一的一个64位IEEE地址,并可以用这个地址在PAN中进行通信,但从设备和网络协调器建立连接以后会为它分配一个16位的短地址,此后可以用这个短地址在PAN内进行通信,十六位的短地址是相对地址,相当于IP地址[3]。Zigbee技术采用自组织网结构,即网络建立好以后,每个拥有Zigbee网络模块的终端(本项目中的智慧鞋)会彼此之间搜寻,由于终端在不停的移动改变位置,则相应的联络也会相应的变化。该特点正好适用于本项目的情况。

4 结语

本文基于Zigbee网络,根据社会情况设计的婴幼儿监管系统实现报警器的分布式布控,并结合当下主流互联网技术,达到与互联网融合的智能报警系统。通过Web服务器可实现对婴幼儿的监控,并通过数据库完成了数量庞大的婴幼儿信息存储。该系统利用Zigbee网络覆盖范围广、低功耗、传输稳定的特点,达到了婴幼儿监管的自动化,因此婴幼儿监管系统具有很好的发展前景。

［1］王骐,何嘉斌.单片机控制GSM模块实现短信收发的软件设计［OL］.http://www.21ic.com/app/rf/200503/6239.htm.

［2］张朋,陈明,陈亚萍.无线传感器网络操作系统关键技术［J］.计算机应用研究,2007(10):24-25.

［3］郭渊博.Zigbee技术与应用—CC2430设计、开发与实践.2010.6ISBN 987-118-06775-0.

谭希敏（1994—），女，重庆开县人，大学本科，研究方向：嵌入式、无线传感网络、物联网技术。

王伶俐（1994—），女，重庆万州人，大学本科，研究方向：嵌入式、无线传感网络、物联网技术。

刘先玲（1994—），女，重庆巫溪人，大学本科，研究方向：嵌入式、无线传感网络、物联网技术。

重庆第二师范学院科研基金项目（K9201321C）。