兒童中小范圍安全的智能警報系統(tǒng)設計

(武漢商學院信息工程學院 湖北 武漢 430056)

引言

近年來，兒童中小范圍的安全事故頻發(fā)，電插座、藥箱、灶臺、陽臺、開水機、電梯、水邊等處對幼兒都存在著極大的安全隱患，往往家長在孩子附近，也會發(fā)生兒童安全事故。由于兒童的生理發(fā)育不成熟，行為意識不成熟，也不能象成年人可以進行安全知識教育，故需要借助外力對兒童進行管理。

在2018年中國少年兒童安全自護能力調(diào)查報告的數(shù)據(jù)中，兒童安全自護能力不高，全國僅73分，同時在中小范圍的安全，如居家安全，學齡前兒童對安全知識掌握程度僅29.5%。兒童的生理發(fā)育并不成熟，難以主觀判斷部分行為是否危險，故兒童室內(nèi)安全問題成為亟待解決的兒童安全問題。

市場上同類兒童安全產(chǎn)品都是對稍大年齡的孩子位置的監(jiān)控、一鍵求救等功能，針對家長和老師附近的中小范圍安全的兒童安全產(chǎn)品尚屬空白，急需一套兒童中小范圍安全的智能警報系統(tǒng)給以解決。

一、市場同類產(chǎn)品分析

(一)小天才。小天才是專注中國兒童市場，提供引領兒童時尚潮流的智能產(chǎn)品的品牌。目前旗下產(chǎn)品有：電話手表、兒童平板、寶貝電腦以及早教機。其中與兒童安全關(guān)聯(lián)較大的是電話手表，軟硬件相結(jié)合，利用“小天才”App對手表進行一定控制?？梢耘c孩子實時通話聊天、進行一鍵定位、一鍵求救以及拒絕陌生來電等功能。小天才品牌是發(fā)展較完善的品牌，注重于兒童的教育、防走失以及防拐騙等方面，但是對于其他方面考慮的并不多，功能和服務也還有可以完善的地方。

(二)神兔俠。它是利用“互聯(lián)網(wǎng)+”為兒童提供長期持續(xù)安全監(jiān)控產(chǎn)品和高科技云服務平臺的一種創(chuàng)新模式。神兔俠的事前預防可利用微型定位器監(jiān)控孩子的位置，防止孩子離家長過遠，并兒童安全專家入駐App，通過“線上安全教育”加強重視。兒童走失時立即開啟“五公里緊急預警機制”，并且通過眾多社會資源，如商場LED屏幕等。設立地方辦事處，提供第一時間的線下幫助。神兔俠是一個發(fā)展基本完善的關(guān)注兒童走失的網(wǎng)站，也結(jié)合有軟件與硬件設備，深入兒童走失領域，聚集科技力量和公益力量，保護兒童安全，但目前的宣傳推廣力度不大，并且發(fā)展方面較單一。

(三)阿布跑跑。它是一款家長端應用程序，設計用于兒童和家長，有硬件和軟件。硬件主要包括孩子腳底穿的智能鞋墊，家長或老師可以通過應用程序與之連接，從而定位孩子的位置和日常軌跡頻率。主要發(fā)展也是關(guān)注兒童的定位，防止兒童走丟，并且軟件的功能不夠完善，市面推廣力度不大，普及率低。

二、相關(guān)技術(shù)

(一)便攜式傳感器。傳感器用來采集所感知的信息，并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺赏ㄟ^網(wǎng)絡輸出到后臺進行處理。便攜式傳感器方便攜帶，也能對目標的數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)實時的采集，本文中設計的便攜式傳感器是一種磁敏元件，通過對感知節(jié)點的磁場強度感應，不斷采集目標的位置數(shù)據(jù)信息，并將采集到的信息上傳給后臺進行安全距離判斷，最終用戶可以通過移動數(shù)據(jù)終端實時觀察到目標的位置信息，以及與周圍感知節(jié)點的距離。

(二)無線傳感網(wǎng)。無線傳感網(wǎng)由許多傳感器節(jié)點、傳感網(wǎng)協(xié)議組成。ZigBee、Lora、藍牙技術(shù)等都可以組成無線傳感網(wǎng)。其優(yōu)點是不需事先布網(wǎng)、簡單、省電、小型化，能夠自動組網(wǎng)，且當其中節(jié)點失效時網(wǎng)絡能夠自愈，且廠家提供有成熟的協(xié)議棧供開發(fā)者調(diào)用?；谶@些優(yōu)點，可以采用ZigBee節(jié)點連接傳感器、感知節(jié)點，布置在室內(nèi)的相應位置，安裝組成簡單；滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)要求；網(wǎng)絡穩(wěn)定；成本較低；數(shù)據(jù)傳輸效率高，是作為室內(nèi)安全測距系統(tǒng)無線傳輸數(shù)據(jù)節(jié)點較好的選擇。

(三)危險區(qū)域感知節(jié)點。大多數(shù)感知節(jié)點是通過數(shù)據(jù)芯片操縱，用以感知周圍實物物理信息的入口。所有物聯(lián)網(wǎng)中的感知節(jié)點都有一個共同的特點，即它們被安裝了感知芯片或設備，具有自動感知外部環(huán)境變化和通信能力。本文提到的感知節(jié)點主要設置成標簽的形式，用戶可根據(jù)實際情況，將微型感知節(jié)點放置在指定的地方，傳感器利用傳感網(wǎng)技術(shù)識別感知節(jié)點的放置位置，從而采集目標與感知節(jié)點的距離信息，并上傳移動數(shù)據(jù)終端?；趥鞲泄?jié)點具有微型化，智能化，對應目標專一化等特點，所以極其適合用作數(shù)據(jù)采集的入口。

三、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)主要采用無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，通過系統(tǒng)終端設備中的各類傳感器來采集目標的位置信息以及與感知節(jié)點的距離信息，同時通過無線傳感網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)后臺進行分析，以此來避免兒童因無意識行為遇到危險，保障兒童的人身安全。同時，用戶可以通過用戶移動終端設備實時觀察目標距離感知節(jié)點的距離。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

四、功能設計

(一)模塊設計。自上而下為四層的，即用戶界面層、用戶功能層、中間件層和操作系統(tǒng)層的分層結(jié)構(gòu)，具體設計結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。

圖2 功能結(jié)構(gòu)

(二)移動端界面設計。當用戶登錄APP后，可后臺運行，多個距離測控設備可同時在線，用戶可點擊打開任意一個感知節(jié)點，目標與感知節(jié)點的距離直接在App上顯示。同時也可根據(jù)自身實際情況設置數(shù)據(jù)警告范圍，當超過測控距離達到一定警告范圍時，警報等級由綠色上升為黃色，并向用戶發(fā)送黃色預警消息提示，而當目標進一步靠近感知節(jié)點，警報等級由黃色上升為紅色，并向用戶發(fā)出彈窗和響鈴來通知用戶采取相應的措施。

圖3 App界面登錄 圖4 移動數(shù)據(jù)端訪問

圖5 定位功能 圖6 安全咨詢

五、結(jié)束語

市場上同類兒童安全產(chǎn)品功能多為對孩子位置監(jiān)控、一鍵求救、防走失等功能，針對中小范圍安全的兒童安全產(chǎn)品的空白，本文提出了兒童中小范圍安全的智能警報系統(tǒng)的設計，主要采用無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)，通過便攜式的傳感節(jié)點來采集兒童相距危險區(qū)域的位置信息，并能根據(jù)實際情況向家長或老師所持的移動終端提供對應的警報等級，達到智能化安全警報的效果，能極大地減小兒童在家長或老師附近中小范圍安全事故發(fā)生的頻率。