基于物聯(lián)網(wǎng)的兒童、中小學生監(jiān)護系統(tǒng)設計

李麗娟 ，陳壽元 ，孫海濤 ，林 健

（1.山東師范大學 信息科學與工程學院 山東 濟南 250014；2.山東省物流優(yōu)化與預測工程技術研究中心 山東 濟南 250014；3.山東師范大學 信息技術管理處，山東 濟南 250014）

社會不斷提高的開放度和日趨增多的流動人口,在促進社會發(fā)展的同時也帶來了不安全的隱患?？旃?jié)奏的城市生活，使一些家長照顧低齡兒童的時間越來越少，容易出現(xiàn)兒童監(jiān)護真空狀況。兒童外出走失和被拐賣的現(xiàn)象時有發(fā)生，中小學學生安全問題日趨嚴重，這已經(jīng)引起家長、社會、政府部門的高度關注。面對大量的學生,學校在管理上也面臨越來越大的壓力,這時候需要借助于信息系統(tǒng)進行高效的管理,為了更好地保證孩子的安全，消除家長對孩子安全的擔憂，讓家長隨時隨地知道孩子所處的位置，需要通過一個系統(tǒng)來隨時掌握孩子動態(tài),可以對學生進行實時有效的跟蹤管理，確保孩子安全，本文開發(fā)的一套兒童實時定位監(jiān)護系統(tǒng)將可以滿足此需求。

現(xiàn)在國內外現(xiàn)有兒童監(jiān)護系統(tǒng)主要是基于GPRS的主動定位系統(tǒng)，當系統(tǒng)用戶發(fā)起中斷請求時，系統(tǒng)才會采集兒童終端的地理位置信息，下發(fā)給用戶，本系統(tǒng)的兒童實時定位監(jiān)護系統(tǒng)不僅可以主動監(jiān)護，而且在沒有中斷請求時，系統(tǒng)也會每隔一定時間查詢一下兒童的地理信息，然后存儲在數(shù)據(jù)庫中，若過程中發(fā)現(xiàn)兒童離開了區(qū)域邊界，便會主動給監(jiān)護用戶發(fā)送短信，同時，也會通過兒童機終端向兒童發(fā)出警告。這樣便大大增加了兒童的安全性。

本系統(tǒng)的定位是由 GPS/RFID和GPRS模塊組成的個人定位裝置。內置GPS芯片，GPS/RFID定位自動切換，確保任何時間任何地點都能夠實時定位。該兒童實時定位監(jiān)護系統(tǒng)可以有效地解決孩子在學校區(qū)域的定位問題，消除家長們的后顧之憂，是家長能隨時隨地的了解到低齡兒童的各類信息，可以對兒童進行實時位置的查看。該系統(tǒng)同時可以對兒童終端進行電子圍欄的設置，當孩子走出預先設置好的區(qū)域系統(tǒng)會自動報警。

1 學生監(jiān)護系統(tǒng)的總體設計方案

該系統(tǒng)主要包括兒童終端機、GPRS傳輸網(wǎng)絡、兒童定位監(jiān)護系統(tǒng)上位機平臺和系統(tǒng)用戶。兒童終端機自身具有無線接入和通信、管理能力，借助該能力通過運營商的無線通信網(wǎng)絡（2G、3G、WLAN等）接入兒童定位監(jiān)護系統(tǒng)，將終端的狀態(tài)、采集數(shù)據(jù)等信息存儲到系統(tǒng)，作為管理的依據(jù)。而且兒童定位系統(tǒng)可將信息用于歷史數(shù)據(jù)分析挖掘，或者通過Internet轉發(fā)給相應的用戶，同樣地，用戶可以通過對兒童定位監(jiān)護系統(tǒng)下達查詢指令，遠程管理、配置終端。兒童定位監(jiān)護系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)各部分的設計開發(fā)

2.1 兒童終端機

圖1 兒童定位監(jiān)護系統(tǒng)總體框圖Fig．1 The overall structure diagram of the monitoring system of children

本文中的兒童終端機以STC12LE5A60S2為核心MCU，利用RFID和GPS技術實時采集兒童在學校區(qū)域范圍內的具體地理位置信息，利用GPRS模塊將采集到的信息通過GPRS的傳輸方式傳輸?shù)奖O(jiān)護平臺的數(shù)據(jù)庫。STC12C5A60S2單片機是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8～12倍。內部集成MAX810專用復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉換(250K/S),片上集成 1280 字節(jié) RAM，工作電壓：5．5V－ 3．3V。該兒童終端的組成結構圖如圖2所示。

圖2 兒童終端的組成結構圖Fig．2 Structure of child terminal

2.2 GPS/RFID

GPS全球定位的基本原理是通過測量出已知位置的衛(wèi)星到GPS接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。也就是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。但是GPS靠直接接收美國GPS衛(wèi)星信號工作，需要在室外看到天空的地方才能接收到衛(wèi)星信號，室內不能接收。所以，為了使系統(tǒng)監(jiān)控不存在盲區(qū)，在該系統(tǒng)中，采用GPS與RFID結合的技術。

射頻識別（RFID）技術，是一種利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術。RFID是利用射頻信號自動識別目標并獲取相關信息的，它是自動識別領域的一個重要分支。RFID的最大特點是可以批量免接觸即時讀取,適合于在學校大量學生集中的地方獲取定位信息。

無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）是由大量功率低、體積小、價格便宜、具有通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點構成的“智能”自治測控網(wǎng)絡系統(tǒng)，一般密集布設在無人值守的監(jiān)控區(qū)域，能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務，其目的是協(xié)同地感知、采集、處理網(wǎng)絡覆蓋范圍內的信息并將其提供給用戶。

RFID技術和WSN技術具有不同的技術特點，WSN可以檢測四面八方感應到的各種信息，但對物品的標識能力卻有所缺乏，RFID技術強大的標識物品的能力正好可以彌補；RFID抗干擾性較差，而且無源RFID的有效讀取距離一般小于10m，如果能利用WSN長達100m的有效距離，將會拓展RFID技術的應用范圍。因此本文將RFID和WSN進行集成應用，成為RFID讀寫器與傳感器網(wǎng)絡相整合的RFID傳感器網(wǎng)絡。我們將傳感器節(jié)點集成到RFID系統(tǒng)中可以獲取更多所需的環(huán)境信息，同時可以擴大RFID系統(tǒng)的覆蓋范圍并且可以擴展RFID信息系統(tǒng)的信息種類。因此我們設計RFID傳感器網(wǎng)絡，網(wǎng)絡結構如圖3所示。

圖3 RFID傳感器網(wǎng)絡結構圖Fig．3 The network structure diagram of RFID and Sensor

我們可以利用這一RFID傳感器網(wǎng)絡對移動的目標進行跟蹤定位研究。在學校區(qū)域周圍布設大量傳感器節(jié)點和RFID讀寫器，傳感器節(jié)點可以用來精確的監(jiān)控移動目標的周圍環(huán)境，同時RFID讀寫器可以用來確定目標的移動軌跡，當目標離開覆蓋有RFID讀寫器的學校周圍區(qū)域邊界電子圍欄時，終端會立即上發(fā)地理信息至上位機服務器，經(jīng)分析處理后，下發(fā)短信給系統(tǒng)用戶。邊界電子圍欄的組成圖如圖4所示。

圖4 邊界電子圍欄組成圖Fig．4 The diagram of Electronic fence

2.3 GPRS

GPRS是在GSM網(wǎng)絡基礎上建立起來的移動數(shù)據(jù)通信業(yè)務。GPRS的出現(xiàn)使得包括圖片、視頻、音頻的多媒體業(yè)務能夠通過無線網(wǎng)絡進行傳輸。GPRS模塊的作用是完成兒童安全定位系統(tǒng)和學校監(jiān)護上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)采用SIM100，SIM100是SIMCOM推出的GSM/GPRS雙頻模塊，主要為語音傳輸、短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務提供無線接口。SIM100集成了完整的射頻電路和GSM的基帶處理器，適合于開發(fā)一些GSM/GPRS的無線應用產(chǎn)品，在本文的應用中主要是為了兒童終端的實時地理位置信息數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡上傳到監(jiān)護系統(tǒng)。SIM100模塊使用鋰電池、鎳氫電池或者其他外部直流電源供電，電源電壓范圍為：3．3～4．6 V。

2.4 兒童定位監(jiān)護平臺

兒童定位監(jiān)護平臺主要是GPRS接收模塊和服務器組成，GPRS模塊將接收到的兒童地理信息上傳到服務器，服務器進行數(shù)據(jù)分析后存入數(shù)據(jù)庫，同時服務器也可以接收到系統(tǒng)用戶的訪問需求，實時下發(fā)信息查詢兒童的動態(tài)地理信息。

3 軟件設計

該系統(tǒng)的軟件部分主要由學校上位機監(jiān)護平臺軟件、兒童終端和RFID網(wǎng)絡3部分組成。

3.1 兒童終端

兒童終端設備在開機后進行初始化，初始化包括GPS初始化、GPRS初始化、RFID初始化三個部分，初始化正常后進入while循環(huán)等待上位機的中斷請求，當上位機出現(xiàn)中斷請求時，控制器采集GPS模塊和RFID的數(shù)據(jù)，通過GPRS模塊上傳到上位機平臺，上位機平臺對采集來的數(shù)據(jù)進行分析處理，檢查是否出現(xiàn)異常變動情況并存入數(shù)據(jù)庫。當上位機沒有中斷請求時，兒童終端控制器就等到規(guī)定時間后自動采集GPS模塊的地理位置信息和RFID的標簽信息，將采集到的信息上傳到上位機平臺。兒童終端的主程序流程圖如圖5所示。

圖5 兒童終端的主程序流程圖Fig.5 The main program flow of the child terminal

3.2 RFID網(wǎng)絡

當兒童走出界定區(qū)域范圍時，電子圍欄上的RFID讀寫器感應到兒童終端上的RFID卡的中斷信息，RFID讀寫器將該終端的地理信息送至CPU分析處理后，通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)給上位機監(jiān)護平臺，然后監(jiān)護平臺會下發(fā)短信給系統(tǒng)用戶，同時向兒童終端機上發(fā)送警告信息，警告兒童已離開學校區(qū)域。該RFID網(wǎng)絡的流程圖如圖6所示。

圖6 RFID網(wǎng)絡的流程圖Fig.6 The flow of RFID network

3.3 上位機監(jiān)護平臺

上位機初始化正常后等待系統(tǒng)用戶的中斷請求，當出現(xiàn)中斷請求時，上位機對兒童終端發(fā)出中斷請求，然后將獲得的即時兒童地理位置信息以短信的形式下發(fā)給系統(tǒng)用戶，若沒有中斷請求，就將兒童終端等到固定時間自動上發(fā)的地理信息分析存入數(shù)據(jù)庫。監(jiān)護平臺的流程圖如圖7所示。

圖7 監(jiān)護平臺流程圖Fig.7 The flow of monitoring platform

4 結束語

本文針對現(xiàn)在社會上兒童安全問題，研究了基于GPS和GPRS/RFID的安全定位監(jiān)護系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠對兒童在學校附近一定區(qū)域內進行實時定位監(jiān)控，一旦出現(xiàn)緊急情況或兒童離開區(qū)域邊界，能夠及時報警通知監(jiān)管人員，并且發(fā)送短信至系統(tǒng)用戶，減輕了家長和學校監(jiān)護孩子的負擔，提高了低齡兒童的人身安全。以后會在監(jiān)護中小學生、兒童中起到更大的作用。

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