基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的兒童防走失系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

張新建，楊曉坤

（華中科技大學(xué)文華學(xué)院，湖北武漢，430074)

0 前言

在我們身旁，時(shí)常發(fā)生著孩子丟失的悲劇。據(jù)公安部最新數(shù)據(jù)顯示，近年來我國每年有近20萬兒童失蹤。兒童走失對每一個(gè)家庭來說都是一個(gè)非常沉重的打擊。如何關(guān)心和幫助幼年群體，特別是小齡兒童走失成為了整個(gè)社會(huì)關(guān)注的問題。針對這一問題，須要采取一系列的兒童防丟失措施來杜絕兒童走失的悲劇發(fā)生。首先，兒童和家長或者是監(jiān)護(hù)人必須時(shí)刻關(guān)注和了解自己保護(hù)的孩子。其次應(yīng)通過科技手段使孩子家長或監(jiān)護(hù)人時(shí)刻與孩子保持某一通訊聯(lián)系，對孩子進(jìn)行科技保護(hù)。為此，本文提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的兒童防走失系統(tǒng)，可對兒童走失起到較好的預(yù)防效果，這將對兒童防走失智能化的發(fā)展具有一定的研究價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

圖1為基于無線電傳感器網(wǎng)絡(luò)的兒童防走失系統(tǒng)整體硬件框圖。系統(tǒng)中子機(jī)和母機(jī)組成第一道防護(hù)網(wǎng)，子機(jī)和主機(jī)組成第二道防護(hù)網(wǎng)。子機(jī)可以在預(yù)設(shè)距離內(nèi)被母機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)子機(jī)在活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的具體位置可以由主機(jī)顯示。具體實(shí)現(xiàn)流程為：子機(jī)向外發(fā)射具有特定編碼的無線電信號，無線電信號被母機(jī)和無線傳感器節(jié)點(diǎn)接收，母機(jī)對其信號進(jìn)行識別和分析。若信號的編碼地址相一致則系統(tǒng)配對成功，母機(jī)開始對子機(jī)進(jìn)行檢測，當(dāng)子機(jī)離開預(yù)設(shè)范圍后母機(jī)報(bào)警。無線傳感器接收到的子機(jī)的無線電信號后傳送給主機(jī)實(shí)現(xiàn)對子機(jī)實(shí)時(shí)位置顯示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

1.2 系統(tǒng)主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主機(jī)以單片機(jī)為主要控制芯片，要實(shí)現(xiàn)對無線電傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析、控制和顯示，系統(tǒng)主機(jī)控制程序設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主機(jī)軟件設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與布置

2.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中兒童和區(qū)域內(nèi)某一節(jié)點(diǎn)的距離超出某一閥值時(shí)，判斷為離開此節(jié)點(diǎn)進(jìn)入了下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測。設(shè)區(qū)域內(nèi)的任意節(jié)點(diǎn)s，定義檢測函數(shù)fS如式

（1）所示。

式（1）中，dij 表示節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j間的距離，安全距離可根據(jù)預(yù)設(shè)區(qū)域的大小而定。安全閥值dST 表示兒童允許離開節(jié)點(diǎn)的最大距離，當(dāng)兒童與節(jié)點(diǎn)距離超出了安全閥值，則證明進(jìn)入了相鄰的節(jié)點(diǎn)。由于兒童離開一節(jié)點(diǎn)后必須和相鄰的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線電通訊，因此dST須小于dij的值，當(dāng)fs=1時(shí)，表明兒童在節(jié)點(diǎn)s的感應(yīng)范圍內(nèi)；當(dāng) fs=0時(shí)，表示兒童離開節(jié)點(diǎn)s進(jìn)入相鄰節(jié)點(diǎn)感應(yīng)范圍內(nèi)。

2.2 節(jié)點(diǎn)布置

在區(qū)域內(nèi)布置傳感器節(jié)點(diǎn)需要充分利用傳感器的感知能力又能保證確保傳感器區(qū)域內(nèi)完全無縫連通和完全無縫覆蓋，在傳感器區(qū)域內(nèi)所需要的最少節(jié)點(diǎn)數(shù)N的計(jì)算公式如式（2）所示。

式（2）中，F(xiàn)為傳感器區(qū)域面積，σ為每個(gè)節(jié)點(diǎn)有效覆蓋面積， r為節(jié)點(diǎn)感知或通訊半徑。

為保無線傳感器節(jié)點(diǎn)在證預(yù)設(shè)區(qū)域內(nèi)沒有盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)了完全無縫聯(lián)通和完全無縫覆蓋。使用Matlab7.0運(yùn)用VRGSD算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，隨機(jī)產(chǎn)生的30個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)的分布在傳感器區(qū)域內(nèi)如圖3所示。

圖3 初始狀態(tài)下傳感器隨機(jī)布置

執(zhí)行VRGSD算法之后的傳感器布置如圖4所示，使用VRGSD算法可形成一個(gè)MCDS，有效的節(jié)約傳感器的耗能。

圖4 執(zhí)行VRGSD算法后傳感器布置

運(yùn)用VRGSD算法在所預(yù)設(shè)的區(qū)域內(nèi)布置節(jié)點(diǎn)，在區(qū)域內(nèi)的實(shí)際情況和實(shí)時(shí)性共劃分三個(gè)等級的節(jié)點(diǎn)放置密度。首先是兒童活動(dòng)頻繁的區(qū)域設(shè)為安全區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)可以布置少量節(jié)點(diǎn)，保證兒童在此區(qū)域內(nèi)活動(dòng)有一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。其次是安全區(qū)域外圍，在兒童活動(dòng)區(qū)域之外為重點(diǎn)區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)須布置大量節(jié)點(diǎn)，每個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之際都保證在安全閥值之內(nèi)以保證兒童所在位置的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。最后布置節(jié)點(diǎn)的地方為區(qū)域出口位置，此區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)區(qū)域。

3 測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的測量上采用RSSI測距方法進(jìn)行了測試。在空曠的空地上獲得RSSI值與距離的關(guān)系后，系統(tǒng)還需要在不同環(huán)境下測試RSSI與距離的關(guān)系。系統(tǒng)子機(jī)周期性地發(fā)射功率恒定的信號，母機(jī)在一定距離下接收,并檢測信號強(qiáng)度記錄下來。圖6為3種環(huán)境下的Shadowing模型，通過與標(biāo)準(zhǔn)衰減模型的對比，由此可以看出在空曠的地區(qū)擬合曲線最接近總體曲線，室內(nèi)中的擬合曲線漂移最大，室外的擬合曲線漂移成度次之。

圖5 執(zhí)行VRGSD算法后傳感器節(jié)點(diǎn)布置圖

圖6 不同環(huán)境下Shadowing模型數(shù)據(jù)對比

由于系統(tǒng)存在誤差，需要對誤差分析，表1為不同狀態(tài)下距離與相對誤差表。

表1 三種不同狀態(tài)下距離與相對誤差

由表1可以看出，近距離時(shí)系統(tǒng)誤差稍大,但此時(shí)由于子機(jī)與母機(jī)第一道保護(hù)保護(hù)屏障信號較強(qiáng)。因此，系統(tǒng)防護(hù)仍在安全范圍之內(nèi)。在距離50m時(shí)，系統(tǒng)誤差保持在3%，此時(shí)信號強(qiáng)度仍有較高的接收分辨率,故在此處選定安全閾值dST,系統(tǒng)將具有較高的穩(wěn)定性。

4 總結(jié)

采用高性價(jià)比的技術(shù)手段，主動(dòng)保護(hù)兒童安全是一個(gè)重要課題。本文設(shè)計(jì)的基于無線傳感器的兒童防走失系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對兒童區(qū)域化、實(shí)時(shí)性監(jiān)測，保證了兒童在區(qū)域內(nèi)的實(shí)時(shí)位置可見、活動(dòng)范圍可控，這對防止兒童走失的發(fā)展具有一定的研究價(jià)值和指導(dǎo)意義。

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