基于WSN的幼兒園監(jiān)測系統(tǒng)設計

白娜　許寶心

摘要：為提高幼兒園辦園質(zhì)量和管理水平，進一步加強安全管理、消除安全隱患、為幼兒提供安全的成長環(huán)境，文章設計了基于無線傳感器網(wǎng)絡技術、射頻識別技術的幼兒園監(jiān)測系統(tǒng)，通過3個部分解決幼兒園的監(jiān)測問題。該系統(tǒng)同時解決了監(jiān)測教室環(huán)境參數(shù)的問題，家長可登錄網(wǎng)頁實時查看孩子的在校視頻。

關鍵詞：幼兒園監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡；射頻識別技術；視頻監(jiān)控

中圖分類號：TP274文獻標志碼：A0引言為提高幼兒園辦園質(zhì)量和管理水平，進一步加強安全管理、消除安全隱患、為幼兒提供安全的成長環(huán)境，文章設計了基于無線傳感器網(wǎng)絡技術、射頻識別技術的幼兒園監(jiān)測系統(tǒng)。以往對幼兒園的環(huán)境監(jiān)測方法是利用在教室內(nèi)布置多個傳感器節(jié)點，通過RS-485總線的方式把采集到的信息傳到計算機進行處理和分析。這種監(jiān)測方法需要在教室內(nèi)鋪設通信線路來傳輸監(jiān)控信息，但存在現(xiàn)場安裝和維護較為不便的問題，如果發(fā)生故障，很可能導致整個監(jiān)測系統(tǒng)的癱瘓，嚴重影響系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

本文利用無線傳感器網(wǎng)絡技術建立一個監(jiān)測系統(tǒng)，克服了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的常規(guī)缺點，使監(jiān)測設備小型化易于安裝，同時降低了維護難度，提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性，縮短了數(shù)據(jù)采集時間。因此，基于無線傳感器網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集將有更多的研究價值。

1系統(tǒng)設計概述基于WSN的幼兒園監(jiān)測系統(tǒng)設計中，ZigBee無線通信技術主要用于捕獲、傳輸和顯示信息，同時實現(xiàn)視頻的實時監(jiān)控和門禁模塊的構建［1］。

系統(tǒng)設計的方案：（1）門禁模塊。門禁模塊負責幼兒園第一道安全防線，是確保孩子到校的“安全保鏢”，用于檢測人數(shù)、人臉識別以及刷卡后給家長發(fā)送提醒短信［2-3］。（2）WSN組網(wǎng)監(jiān)測環(huán)境模塊。WSN組網(wǎng)監(jiān)測環(huán)境模塊將ZigBee作為主控芯片，主要用于信息分析與數(shù)據(jù)處理。溫度和濕度信息用溫度和濕度傳感器采集，煙霧測量數(shù)據(jù)用煙霧傳感器采集。傳感器是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)，利用ZigBee的無線傳輸技術，將采集到的數(shù)據(jù)以廣播的形式進行傳輸，然后主控芯片通過相應控制與處理采集到的信息，再通過串口，將采集到的數(shù)據(jù)在上位機上顯示。（3）監(jiān)控模塊。監(jiān)控模塊負責視頻監(jiān)控孩子的日常生活、學習等，以保證孩子在校安全。如出現(xiàn)意外，校方可以調(diào)視頻回放，由于家長不在孩子身邊，如果想隨時了解孩子的在校情況，可通過另一個聯(lián)網(wǎng)路由器，登錄網(wǎng)頁端進行查看。

2硬件總體設計2.1WSN組網(wǎng)監(jiān)測環(huán)境幼兒園環(huán)境的各項參數(shù)（如：溫度、濕度、煙霧等）對孩子的影響很大，是家長關注的焦點，因此，對幼兒園環(huán)境進行監(jiān)測是非常必要的。本設計可通過上位機輸入溫濕度的上下限值，以實現(xiàn)對幼兒園各教室環(huán)境參數(shù)的快速瀏覽、查詢，保證幼兒園內(nèi)孩子們的學習生活處于最佳環(huán)境之中［4-5］。環(huán)境監(jiān)測部分的設計如圖1所示。

WSN組網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測部分以無線傳感器網(wǎng)絡為研究對象，基于ZigBee系統(tǒng)的基本原理，以CC2530芯片為硬件基礎，采用Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)。本設計把ZigBee模塊連接傳感器當作節(jié)點；由溫濕度傳感器和煙霧傳感器檢測溫濕度數(shù)據(jù)信號和是否有煙霧，再將這些信號進行處理后，通過無線傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器接收信號后通過串口通信顯示在電腦端的上位機上，由PC機進行數(shù)據(jù)的處理，與此同時，記錄溫濕度等參數(shù)信息，方便老師查詢。

2.2出入人員檢測由于孩子年齡小，乘坐校車進入幼兒園時要有門禁，其設計如圖2所示。

利用紅外光電開關對出入幼兒園的孩子進行監(jiān)測，先感應到的一端亮紅燈，通過后熄滅，當經(jīng)過另一端時，此端的燈也亮，完全通過時熄滅。孩子走過后計數(shù)，并在NOKIA5110屏幕上顯示計數(shù)的信息。當持有RFID射頻識別標簽的孩子刷卡時，門禁系統(tǒng)可采集到孩子的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)主芯片處理，并由主芯片控制GSM模塊給家長發(fā)短信，表示孩子已安全到達教室。當沒有電子標簽的人走過時，只實現(xiàn)計數(shù)的功能。

2.3視頻監(jiān)控孩子每時每刻的健康狀況、表現(xiàn)情況也是家長想要了解的內(nèi)容之一，所以本設計通過攝像頭對孩子的表現(xiàn)情況和健康狀況進行視頻記錄，并通過WiFi上傳到網(wǎng)絡，其設計如圖3所示。

WiFi視頻監(jiān)測模塊由WiFi路由器和1個攝像頭構成，攝像頭在教室里，拍攝幼兒園的孩子們。視頻通過WiFi路由器上傳到所在班級的電腦。如果家長想在家中查看孩子情況，可通過另一個聯(lián)網(wǎng)路由器，登錄網(wǎng)頁端后觀看。

3系統(tǒng)的軟件設計系統(tǒng)的軟件部分主要包括門禁部分的紅外光電開關、液晶顯示程序、RFID程序、GSM程序和WSN組網(wǎng)部分的溫濕度數(shù)據(jù)采集程序、協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)發(fā)送與接收程序等［6-8］。

3.1出入人員檢測模塊子程序出入人員檢測模塊子程序主要實現(xiàn)了人數(shù)檢測的功能，先進行初始化，如果光電開關1先有信號，光電開關2也隨之檢測到信號，則人數(shù)減1；若光電開關2先有信號，接著光電開關1也有信號，則人數(shù)加1，但不會連續(xù)減出負數(shù)。

3.2RFID模塊程序RFID模塊程序的設計是為了確定孩子的身份。開始后進行初始化，再進行刷卡檢測，如果檢測到已刷卡，就會繼續(xù)檢測刷卡的孩子是否與卡號對應，若卡號對應，單片機就會接收到刷卡信號，如果卡號不對應，就會返回上個程序循環(huán)。

3.3GSM模塊程序GSM模塊程序的設計是為了確定孩子身份后給家長發(fā)送提醒短信。開始后進行初始化，再檢測是否收到刷卡信息，如果收到信息，繼續(xù)判斷人數(shù)是否加1，如果人數(shù)加1，就會給對應卡號的孩子家長發(fā)送短信，通知孩子已經(jīng)安全到達教室；如果沒有收到刷卡信息，會返回到上一步的程序，當檢測到刷卡信息時，再繼續(xù)判斷人數(shù)是否加1，加1后就會給家長的手機發(fā)短信。

3.4傳感器模塊傳感器模塊記錄3個數(shù)據(jù)：溫度、濕度和煙霧。開始程序，CC2530進入初始化，判斷是否有采集信號，若有采集信號，接下來主機發(fā)送起始信號，傳感器會切換到高速模式下響應，然后開始讀取數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至ZigBee芯片內(nèi)部處理器8051進行處理，然后將數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器回傳至上位機顯示。

3.5協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器將溫濕度、煙霧數(shù)據(jù)回傳至上位機端顯示。節(jié)點發(fā)送指令，CC2530進行初始化，ZigBee模塊開始組網(wǎng)，判斷組網(wǎng)是否成功，當組網(wǎng)成功后，把采集到的數(shù)據(jù)進行處理，通過PA將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，即結(jié)束發(fā)送過程。組網(wǎng)如果失敗，返回上一步，重新組網(wǎng)，再進行處理和發(fā)送。協(xié)調(diào)器接收指令，開始初始化，檢查組網(wǎng)是否成功。如果組網(wǎng)成功，則繼續(xù)流程，等待是否有數(shù)據(jù)；如果有數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過串口通信，在電腦端上位機上顯示。

4上位機設計4.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面上位機使用Visual Studio 2013軟件來編寫，編譯、運行后生成上位機界面。本設計上位機界面由3部分構成，分別是串口選擇部分、數(shù)據(jù)采集顯示及報警部分和視頻顯示部分。左側(cè)上方的串口有多個選擇，可以通過查看“我的電腦”—“管理”—“設備管理器”查看相應的COM口，還可以設置波特率；左側(cè)下方是對節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)上下限的設置，最下方顯示報警信息，當采集數(shù)據(jù)超過上下限時，對應節(jié)點顯示紅色，在正常區(qū)間內(nèi)時，顯示綠色；右側(cè)上方是開啟視頻和關閉視頻的設置，右側(cè)下方是節(jié)點數(shù)據(jù)采集顯示節(jié)點號、溫度、濕度、是否有煙霧；中間顯示的是監(jiān)測到的視頻。

4.2數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)當接上USB外圍電路，選擇相應的COM口，選擇串口3后，啟動硬件電路，從機將輪流向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。各個節(jié)點（這里設定了兩個節(jié)點）采集到的數(shù)據(jù)將依次顯示在數(shù)據(jù)接收顯示窗口。在該設計中，每個節(jié)點設定為每2 s 自動采集并輪流發(fā)送一次數(shù)據(jù)，并顯示在上位機窗口。

4.3異常數(shù)據(jù)顯示功能的實現(xiàn)該上位機設置有異常數(shù)據(jù)顯示的功能，可以實時提醒老師采取相應措施。當設定完溫濕度上下限閾值后，如果采集到的數(shù)據(jù)高于上限閾值或低于下限閾值時將發(fā)出警報；若采集到煙霧數(shù)據(jù)時，在左下方顯示異常數(shù)據(jù)，以示警報，提醒老師。當數(shù)據(jù)異常，上位機會顯示紅色，數(shù)據(jù)在正常閾值內(nèi)，則顯示綠色。且采集到數(shù)據(jù)信息會保存下來，方便查詢。

5結(jié)語本設計是基于WSN的幼兒園監(jiān)測系統(tǒng)設計，有3個部分：第一是門禁部分，利用紅外光電開關和射頻識別技術對進入幼兒園的孩子進行監(jiān)測，持有RFID射頻識別標簽的孩子走進教室，采集到數(shù)據(jù)，經(jīng)主芯片處理后控制GSM模塊給家長發(fā)短信，孩子安全到達同時經(jīng)單片機處理把數(shù)據(jù)顯示在5110屏幕上；第二是WSN組網(wǎng)部分，ZigBee模塊作為節(jié)點與傳感器相連，利用溫度、濕度和煙霧傳感器測得的溫濕度數(shù)據(jù)判斷是否有煙霧，并經(jīng)處理后，無線傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器，再通過串口通信顯示在上位機端；第三是視頻監(jiān)控部分，通過攝像頭和WiFi路由器可對孩子進行視頻監(jiān)控，WR703N刷機、調(diào)試成功后通過WiFi上傳到網(wǎng)絡，家長登錄電腦端即可查看。本設計讓幼兒園的監(jiān)控更全面、更可靠，讓家長更放心、更省心。

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（編輯 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