幼兒園基于ZigBee的實(shí)時(shí)定位及體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

李文齊　王澤陽(yáng)　李毅　周儼　李佳倫

摘要：對(duì)于幼兒園的各種安全隱患，設(shè)計(jì)了ZigBee實(shí)時(shí)定位及體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)RSSI計(jì)算出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到達(dá)參考節(jié)點(diǎn)的距離，再利用三邊測(cè)量定位算法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。通過兒童佩戴的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上的傳感器實(shí)現(xiàn)體溫、脈搏的監(jiān)測(cè)。在保證兒童自由度的基礎(chǔ)上，具有身份識(shí)別及考勤管理功能。

關(guān)鍵詞：ZigBee；幼兒園；實(shí)時(shí)定位；體征監(jiān)測(cè)；模糊邏輯 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP212 文章編號(hào)：1009-2374（2015）31-0017-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.008

兒童是祖國(guó)的希望和未來(lái)。傳統(tǒng)的幼兒園監(jiān)控是通過攝像頭了解兒童的安全情況，但是攝像頭布控存在一些盲區(qū)，且受環(huán)境影響較大。還有利用信息接送卡等對(duì)幼兒進(jìn)行監(jiān)管，但是容易造成幼兒信息的泄露和偽造。參考文獻(xiàn)[4]中提出了幼兒園指紋識(shí)別接送，但該系統(tǒng)無(wú)法主動(dòng)發(fā)現(xiàn)可疑人物，也無(wú)法對(duì)兒童進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。參考文獻(xiàn)[5]中提出了一種基于ZigBee和RFID的物聯(lián)網(wǎng)，通過讀寫器不斷對(duì)兒童所持的RFID卡發(fā)送查詢信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)兒童的活動(dòng)范圍感知，其缺點(diǎn)是無(wú)法對(duì)兒童實(shí)時(shí)準(zhǔn)確定位，也無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到兒童的身體指標(biāo)。參考文獻(xiàn)[6]和參考文獻(xiàn)[7]中所述，在國(guó)外，已經(jīng)將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于幼兒園安全體系，但仍然沒有實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確定位與體征監(jiān)測(cè)。綜合國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并沒有將實(shí)時(shí)準(zhǔn)確定位、到達(dá)危險(xiǎn)區(qū)域警告和生理參數(shù)的監(jiān)測(cè)有機(jī)地融合到幼兒園安全管理之中，而這些在本系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)不僅可以對(duì)幼兒園內(nèi)所有人員進(jìn)行實(shí)時(shí)定位、基本信息管理、身份識(shí)別、統(tǒng)計(jì)出入情況以及考勤管理，還可以在兒童到達(dá)危險(xiǎn)區(qū)域自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)對(duì)兒童體溫、脈搏的監(jiān)測(cè)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將所有數(shù)據(jù)以多跳的方式發(fā)送至上位機(jī)，一旦發(fā)現(xiàn)生命體征超出正常范圍的兒童將立即報(bào)警。并且對(duì)于實(shí)時(shí)位置、體溫、脈搏三個(gè)指標(biāo)，系統(tǒng)采用模糊邏輯，將危險(xiǎn)情況劃分等級(jí)，通過計(jì)算與信息庫(kù)中樣例的貼近度給出決策方案，方便教師及時(shí)準(zhǔn)確地了解兒童的情況。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)包括ZigBee實(shí)時(shí)定位、實(shí)時(shí)體征監(jiān)測(cè)兩大模塊。兒童身上所佩戴的微型設(shè)備是ZigBee移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。將ZigBee參考節(jié)點(diǎn)安放在幼兒園四周。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以通過檢測(cè)獲取自身與參考節(jié)點(diǎn)之間通訊的接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI），并將檢測(cè)信息包傳送給網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)（PC電腦或工控機(jī)）相連，通過使用VB編寫的上位機(jī)程序即可顯示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于參考節(jié)點(diǎn)的具體位置及坐標(biāo)數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)定位的功能?？梢栽诒O(jiān)控臺(tái)界面上任意設(shè)定一定范圍的危險(xiǎn)區(qū)域，當(dāng)定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到兒童到達(dá)危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，會(huì)立即發(fā)出警報(bào)，通知有關(guān)人員采取措施保障兒童安全。在實(shí)時(shí)定位的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)對(duì)園內(nèi)人員進(jìn)行身份識(shí)別、統(tǒng)計(jì)出入情況及考勤管理等功能。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)還可以采集兒童的體溫、脈搏數(shù)據(jù)，通過ZigBee無(wú)線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控臺(tái)，當(dāng)兒童的某項(xiàng)身體參數(shù)指標(biāo)超過正常范圍時(shí)，監(jiān)控臺(tái)上位機(jī)程序就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。本系統(tǒng)總括于圖1：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能示意圖

2 系統(tǒng)主要模塊原理

2.1 實(shí)時(shí)定位模塊

采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間通信，幾何中心定位節(jié)點(diǎn)。利用接收信號(hào)強(qiáng)度指示技術(shù)RSSI（Received Signal Strength Indicator）功耗低、成本低、實(shí)用性高的特點(diǎn)，采用距離算法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。

在測(cè)量中選用以下的模型：

式中，射頻參數(shù)A被定義為用dBm表示的距離發(fā)射器1m接收到的平均能量絕對(duì)值，也就是距發(fā)射節(jié)點(diǎn)1m處的接收信號(hào)強(qiáng)度；n為信號(hào)傳輸常數(shù)，與信號(hào)傳輸環(huán)境有關(guān)；d為距發(fā)射節(jié)點(diǎn)的距離。RSSI對(duì)應(yīng)距離曲線，可以針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行擬合，這樣即可獲得射頻參數(shù)A和信號(hào)傳輸常數(shù)n。再采用如參考文獻(xiàn)[10]和參考文獻(xiàn)[11]中所述的三邊測(cè)量定位算法即可獲得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。定位系統(tǒng)的運(yùn)行流程。在網(wǎng)絡(luò)的通信過程中，首先定位節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)到參考節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)把接收到的一定時(shí)間內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度取平均值，然后發(fā)回到定位節(jié)點(diǎn)，定位節(jié)點(diǎn)再把收到的信息傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，最后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位機(jī)的測(cè)算流程如圖2，需要設(shè)置所有參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，然后選取對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的距離曲線。

圖2 定位系統(tǒng)測(cè)算流程

在此算法中，如果選取N個(gè)參考節(jié)點(diǎn)來(lái)定位，需要進(jìn)行次測(cè)算，綜合考慮計(jì)算強(qiáng)度與定位精度性價(jià)比，選取4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)來(lái)定位。在此基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)兒童到達(dá)危險(xiǎn)區(qū)域警告、身份識(shí)別及考勤管理功能。

2.2 實(shí)時(shí)體溫、脈搏監(jiān)測(cè)模塊

體溫檢測(cè)采用Melexis公司生產(chǎn)的MLX90614紅外溫度傳感器，它響應(yīng)速度快、精度高、體積小、穩(wěn)定性好，在溫度范圍為32℃～42℃時(shí)，測(cè)量的絕對(duì)精度為±0.2℃。利用參考文獻(xiàn)[14]所述查表法進(jìn)行溫差修正，可降低環(huán)境溫度對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)的影響。由于脈搏信號(hào)振動(dòng)幅度小、頻率低，綜合考慮抗噪性及信號(hào)的放大效果，選擇HK2000C脈搏傳感器進(jìn)行脈搏的測(cè)量。采用壓電式原理采集信號(hào)，通過檢測(cè)電流變化的程度測(cè)量壓力大小。將測(cè)得的體溫、脈搏數(shù)據(jù)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后，通過ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳送到中央監(jiān)控臺(tái)。當(dāng)體溫或脈搏值超過設(shè)定的正常范圍時(shí)，檢測(cè)模塊中的蜂鳴器會(huì)立即報(bào)警，同時(shí)上位機(jī)顯示界面也會(huì)發(fā)出報(bào)警提示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中取得了令人滿意的結(jié)果。圖3為中央實(shí)時(shí)監(jiān)控臺(tái)控制界面，在VB.net2008+SQL2000平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)。其中藍(lán)色1～4號(hào)代表安放在幼兒園的參考結(jié)點(diǎn)，它們構(gòu)成一個(gè)矩形區(qū)域；位于矩形區(qū)域內(nèi)部的紅色1號(hào)、2號(hào)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)代表兩名兒童；上面沒有標(biāo)記數(shù)字的黑色圓點(diǎn)代表人為劃定的危險(xiǎn)區(qū)域的中心位置，危險(xiǎn)區(qū)域的的半徑可據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。在實(shí)際應(yīng)用中可以導(dǎo)入地圖，使觀察更為直觀。界面的左下角分別顯示了兩位兒童的脈搏、體溫實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，由于此時(shí)1號(hào)兒童沒有標(biāo)記數(shù)字的黑色圓點(diǎn)距離較近，已經(jīng)進(jìn)入劃定的危險(xiǎn)區(qū)域范圍，2號(hào)兒童體溫、脈搏數(shù)據(jù)超過正常值，所以危險(xiǎn)信息欄中分別出現(xiàn)了警告信息，并伴有聲光報(bào)警。endprint

數(shù)據(jù)傳輸延遲不超過2s，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠。可在監(jiān)控臺(tái)控制界面進(jìn)行射頻標(biāo)定，根據(jù)不同地理位置下電波損耗程度不同、干擾因素不同人為改變射頻參數(shù)中A和n的值，進(jìn)一步提高定位的精確度。還可以進(jìn)行場(chǎng)景縮放以及固定點(diǎn)坐標(biāo)調(diào)整，既能從宏觀上觀察到整個(gè)區(qū)域的實(shí)時(shí)狀況，又不能放過任何一個(gè)危險(xiǎn)角落。

圖3 中央實(shí)時(shí)監(jiān)控臺(tái)控制界面

當(dāng)需要進(jìn)一步觀察脈搏波形及詳細(xì)數(shù)據(jù)時(shí)，可在控制界面中打開“脈搏詳細(xì)參數(shù)”菜單，將出現(xiàn)以下

界面：

圖4 脈搏詳細(xì)信息顯示界面

4 基于模糊邏輯的決策方案

4.1 決策原理

模糊邏輯（Fuzzy logic）是一種典型的人工智能方法。運(yùn)用模糊集合，將[0，1]區(qū)間的取值無(wú)窮化，將實(shí)際應(yīng)用中不能精確判斷的問題或是數(shù)學(xué)方法所不能確定的系統(tǒng)、模型，用模擬人腦的方式來(lái)進(jìn)行建模分析。

4.2 方案建立

運(yùn)用模糊邏輯，我們將兒童狀況模糊量化，再計(jì)算與信息庫(kù)中樣例的貼近度，當(dāng)最大的貼近度達(dá)到一定值時(shí)，可認(rèn)為現(xiàn)在兒童情況與典型樣例十分貼合，可根據(jù)該

樣例采取的解決方案處理現(xiàn)在的事件。具體流程如下：

4.2.1 搜集典型的兒童身體指標(biāo)與相應(yīng)的解決方案建立信息庫(kù)。進(jìn)行模糊處理后，用百分制定義兒童身體指標(biāo)的各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)：

Position：兒童離危險(xiǎn)區(qū)域的距離。大于10m時(shí)為100，小于10m時(shí)按每離近1m減10處理。

Temperature：兒童體溫。在進(jìn)行溫差修正后，取36.5℃～37.5℃為正常范圍，量化為100，37.5℃～38℃及36℃～36.5℃兒童低熱，38℃以上及36℃以下為發(fā)燒狀態(tài)，因此選擇超出正常范圍每0.1℃減10處理。

Pulse：兒童脈搏。發(fā)燒會(huì)引起心率增快，體溫每升高1℃，心率增快10～15次/分?？紤]到兒童的活躍性以及幼兒園兒童的年齡段，這里取3～5歲兒童平靜時(shí)的正常標(biāo)準(zhǔn)100～110次/分為正常范圍（100），超出正常范圍每1次/分減5處理。

具體標(biāo)準(zhǔn)用戶可根據(jù)幼兒園具體情況改動(dòng)。表1為數(shù)據(jù)庫(kù)中的三個(gè)典型樣例：

4.2.2 計(jì)算兒童與數(shù)據(jù)庫(kù)中典型樣例的貼近度。定義i（i=0，1，2……m）為兒童各項(xiàng)量化后的指標(biāo)，利用Hamming距離可得被監(jiān)測(cè)兒童與數(shù)據(jù)庫(kù)中樣例（k=1，2……h(huán)）的貼近度：

當(dāng)最大貼近度時(shí)，可以認(rèn)為該兒童狀況與數(shù)據(jù)庫(kù)中的典型樣例極為吻合，可根據(jù)該樣例相應(yīng)的解決方案處理當(dāng)前事件。

5 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)是一個(gè)以幼兒園為實(shí)際背景，并可用于多種場(chǎng)合的健康安全保障系統(tǒng)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。在未來(lái)可對(duì)該系統(tǒng)的軟件和硬件進(jìn)一步完善，將時(shí)刻的呵護(hù)送達(dá)幼兒園兒童身邊。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得到國(guó)家級(jí)創(chuàng)新項(xiàng)目支持，在研究中得到李德敏教授、張光林副教授的巨大幫助和大力支持，在此特別感謝。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)創(chuàng)新項(xiàng)目（No.201410255041）。

作者簡(jiǎn)介：李文齊（1993-），男，東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)生，研究方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與嵌入式系統(tǒng)；王澤陽(yáng)（1994-），男，東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)生，研究方向：無(wú)線通信與遠(yuǎn)程監(jiān)控；李毅（1994-），男，東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)生，研究方向：電氣工程與智能控制；周儼（1994-），男，東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)生，研究方向：現(xiàn)代控制理論；李佳倫（1994-），女，東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)生，研究方向：通信信號(hào)處理。

（責(zé)任編輯：周 瓊）endprint