基于WSN的幼儿园监测系统设计

白娜　许宝心

摘要：为提高幼儿园办园质量和管理水平，进一步加强安全管理、消除安全隐患、为幼儿提供安全的成长环境，文章设计了基于无线传感器网络技术、射频识别技术的幼儿园监测系统，通过3个部分解决幼儿园的监测问题。该系统同时解决了监测教室环境参数的问题，家长可登录网页实时查看孩子的在校视频。

关键词：幼儿园监测；无线传感器网络；射频识别技术；视频监控

中图分类号：TP274文献标志码：A0引言为提高幼儿园办园质量和管理水平，进一步加强安全管理、消除安全隐患、为幼儿提供安全的成长环境，文章设计了基于无线传感器网络技术、射频识别技术的幼儿园监测系统。以往对幼儿园的环境监测方法是利用在教室内布置多个传感器节点，通过RS-485总线的方式把采集到的信息传到计算机进行处理和分析。这种监测方法需要在教室内铺设通信线路来传输监控信息，但存在现场安装和维护较为不便的问题，如果发生故障，很可能导致整个监测系统的瘫痪，严重影响系统的可靠性和稳定性。

本文利用无线传感器网络技术建立一个监测系统，克服了环境监测系统的常规缺点，使监测设备小型化易于安装，同时降低了维护难度，提高了系统的灵活性和可靠性，缩短了数据采集时间。因此，基于无线传感器网络的环境监测和数据采集将有更多的研究价值。

1系统设计概述基于WSN的幼儿园监测系统设计中，ZigBee无线通信技术主要用于捕获、传输和显示信息，同时实现视频的实时监控和门禁模块的构建［1］。

系统设计的方案：（1）门禁模块。门禁模块负责幼儿园第一道安全防线，是确保孩子到校的“安全保镖”，用于检测人数、人脸识别以及刷卡后给家长发送提醒短信［2-3］。（2）WSN组网监测环境模块。WSN组网监测环境模块将ZigBee作为主控芯片，主要用于信息分析与数据处理。温度和湿度信息用温度和湿度传感器采集，烟雾测量数据用烟雾传感器采集。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，利用ZigBee的无线传输技术，将采集到的数据以广播的形式进行传输，然后主控芯片通过相应控制与处理采集到的信息，再通过串口，将采集到的数据在上位机上显示。（3）监控模块。监控模块负责视频监控孩子的日常生活、学习等，以保证孩子在校安全。如出现意外，校方可以调视频回放，由于家长不在孩子身边，如果想随时了解孩子的在校情况，可通过另一个联网路由器，登录网页端进行查看。

2硬件总体设计2.1WSN组网监测环境幼儿园环境的各项参数（如：温度、湿度、烟雾等）对孩子的影响很大，是家长关注的焦点，因此，对幼儿园环境进行监测是非常必要的。本设计可通过上位机输入温湿度的上下限值，以实现对幼儿园各教室环境参数的快速浏览、查询，保证幼儿园内孩子们的学习生活处于最佳环境之中［4-5］。环境监测部分的设计如图1所示。

WSN组网环境监测部分以无线传感器网络为研究对象，基于ZigBee系统的基本原理，以CC2530芯片为硬件基础，采用Z-Stack协议栈开发。本设计把ZigBee模块连接传感器当作节点；由温湿度传感器和烟雾传感器检测温湿度数据信号和是否有烟雾，再将这些信号进行处理后，通过无线传输给ZigBee协调器，ZigBee协调器接收信号后通过串口通信显示在电脑端的上位机上，由PC机进行数据的处理，与此同时，记录温湿度等参数信息，方便老师查询。

2.2出入人员检测由于孩子年龄小，乘坐校车进入幼儿园时要有门禁，其设计如图2所示。

利用红外光电开关对出入幼儿园的孩子进行监测，先感应到的一端亮红灯，通过后熄灭，当经过另一端时，此端的灯也亮，完全通过时熄灭。孩子走过后计数，并在NOKIA5110屏幕上显示计数的信息。当持有RFID射频识别标签的孩子刷卡时，门禁系统可采集到孩子的数据，数据经主芯片处理，并由主芯片控制GSM模块给家长发短信，表示孩子已安全到达教室。当没有电子标签的人走过时，只实现计数的功能。

2.3视频监控孩子每时每刻的健康状况、表现情况也是家长想要了解的内容之一，所以本设计通过摄像头对孩子的表现情况和健康状况进行视频记录，并通过WiFi上传到网络，其设计如图3所示。

WiFi视频监测模块由WiFi路由器和1个摄像头构成，摄像头在教室里，拍摄幼儿园的孩子们。视频通过WiFi路由器上传到所在班级的电脑。如果家长想在家中查看孩子情况，可通过另一个联网路由器，登录网页端后观看。

3系统的软件设计系统的软件部分主要包括门禁部分的红外光电开关、液晶显示程序、RFID程序、GSM程序和WSN组网部分的温湿度数据采集程序、协调器数据发送与接收程序等［6-8］。

3.1出入人员检测模块子程序出入人员检测模块子程序主要实现了人数检测的功能，先进行初始化，如果光电开关1先有信号，光电开关2也随之检测到信号，则人数减1；若光电开关2先有信号，接着光电开关1也有信号，则人数加1，但不会连续减出负数。

3.2RFID模块程序RFID模块程序的设计是为了确定孩子的身份。开始后进行初始化，再进行刷卡检测，如果检测到已刷卡，就会继续检测刷卡的孩子是否与卡号对应，若卡号对应，单片机就会接收到刷卡信号，如果卡号不对应，就会返回上个程序循环。

3.3GSM模块程序GSM模块程序的设计是为了确定孩子身份后给家长发送提醒短信。开始后进行初始化，再检测是否收到刷卡信息，如果收到信息，继续判断人数是否加1，如果人数加1，就会给对应卡号的孩子家长发送短信，通知孩子已经安全到达教室；如果没有收到刷卡信息，会返回到上一步的程序，当检测到刷卡信息時，再继续判断人数是否加1，加1后就会给家长的手机发短信。

3.4传感器模块传感器模块记录3个数据：温度、湿度和烟雾。开始程序，CC2530进入初始化，判断是否有采集信号，若有采集信号，接下来主机发送起始信号，传感器会切换到高速模式下响应，然后开始读取数据，将采集到的数据发送至ZigBee芯片内部处理器8051进行处理，然后将数据通过协调器回传至上位机显示。

3.5協调器协调器将温湿度、烟雾数据回传至上位机端显示。节点发送指令，CC2530进行初始化，ZigBee模块开始组网，判断组网是否成功，当组网成功后，把采集到的数据进行处理，通过PA将数据发送出去，即结束发送过程。组网如果失败，返回上一步，重新组网，再进行处理和发送。协调器接收指令，开始初始化，检查组网是否成功。如果组网成功，则继续流程，等待是否有数据；如果有数据，将数据通过串口通信，在电脑端上位机上显示。

4上位机设计4.1数据采集系统界面上位机使用Visual Studio 2013软件来编写，编译、运行后生成上位机界面。本设计上位机界面由3部分构成，分别是串口选择部分、数据采集显示及报警部分和视频显示部分。左侧上方的串口有多个选择，可以通过查看“我的电脑”—“管理”—“设备管理器”查看相应的COM口，还可以设置波特率；左侧下方是对节点监测数据上下限的设置，最下方显示报警信息，当采集数据超过上下限时，对应节点显示红色，在正常区间内时，显示绿色；右侧上方是开启视频和关闭视频的设置，右侧下方是节点数据采集显示节点号、温度、湿度、是否有烟雾；中间显示的是监测到的视频。

4.2数据采集的实现当接上USB外围电路，选择相应的COM口，选择串口3后，启动硬件电路，从机将轮流向主机发送数据。各个节点（这里设定了两个节点）采集到的数据将依次显示在数据接收显示窗口。在该设计中，每个节点设定为每2 s 自动采集并轮流发送一次数据，并显示在上位机窗口。

4.3异常数据显示功能的实现该上位机设置有异常数据显示的功能，可以实时提醒老师采取相应措施。当设定完温湿度上下限阈值后，如果采集到的数据高于上限阈值或低于下限阈值时将发出警报；若采集到烟雾数据时，在左下方显示异常数据，以示警报，提醒老师。当数据异常，上位机会显示红色，数据在正常阈值内，则显示绿色。且采集到数据信息会保存下来，方便查询。

5结语本设计是基于WSN的幼儿园监测系统设计，有3个部分：第一是门禁部分，利用红外光电开关和射频识别技术对进入幼儿园的孩子进行监测，持有RFID射频识别标签的孩子走进教室，采集到数据，经主芯片处理后控制GSM模块给家长发短信，孩子安全到达同时经单片机处理把数据显示在5110屏幕上；第二是WSN组网部分，ZigBee模块作为节点与传感器相连，利用温度、湿度和烟雾传感器测得的温湿度数据判断是否有烟雾，并经处理后，无线传输给ZigBee协调器，再通过串口通信显示在上位机端；第三是视频监控部分，通过摄像头和WiFi路由器可对孩子进行视频监控，WR703N刷机、调试成功后通过WiFi上传到网络，家长登录电脑端即可查看。本设计让幼儿园的监控更全面、更可靠，让家长更放心、更省心。

参考文献

［1］柴淑娟，赵建平.基于ZigBee技术的无线数据传输系统［J］.通信技术，2010（8）：30-31，34.

［2］杜治国，吴少正.ZigBee无线报警系统的设计与实现［J］.中国人民公安大学学报（自然科学版），2010（2）：83-86.

［3］邓翔宇.基于GPRS和ZigBee网络的远程入侵监测系统设计［J］.兰州工业学院学报，2013（3）：1-5.

［4］张传帅，张天蛟，张漫，等.基于WSN的温室环境信息远程监测系统［J］.中国农业大学学报，2014（5）：168-173.

［5］周仁东，郝万君，陈延强，等.基于WSN的果园环境监测系统的节点设计［J］.电子设计工程，2012（10）：99-102.

［6］任守纲，徐焕良，黎安.基于RFID/GIS物联网的肉品跟踪及追溯系统设计与实现［J］.农业工程学报，2010（10）：229-235.

［7］苗卫华，吴隽.条码技术与RFID技术在军工物流中的应用前景［J］.物流科技，2011（11）：43-46.

［8］蒋皓石，张成，林嘉宁.无线射频识别技术及其应用和发展趋势［J］.电子技术应用，2010（5）：1-4.

（编辑 王雪芬）

Design of kindergarten monitoring system based on WSNBai  Na， Xu  Baoxin

（Harbin Institute of Petroleum， Harbin 150027， China）Abstract：  In order to improve the quality and management level of kindergartens， further strengthen safety management， eliminate potential safety hazards， and provide a safe growth environment for children， this article describes the kindergarten monitoring system designed by wireless sensor network technology and radio frequency identification technology， and solves the monitoring problem of kindergarten through three parts. At the same time， the problem of monitoring classroom environmental parameters is solved， and parents can log in to the webpage to view their children’s school videos in real time.

Key words： kindergarten monitoring; wireless sensor networks; radio frequency identification technology; video surveillance