基于物聯網的兒童、中小學生監護系統設計

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,在促進社會發展的同時也帶來了不安全的隱患?？旃澴嗟某鞘猩?，使一些家長照顧低齡兒童的時間越來越少，容易出現兒童監護真空狀況。兒童外出走失和被拐賣的現象時有發生，中小學學生安全問題日趨嚴重，這已經引起家長、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，需要通過一個系統來隨時掌握孩子動態,可以對學生進行實時有效的跟蹤管理，確保孩子安全，本文開發的一套兒童實時定位監護系統將可以滿足此需求。

現在國內外現有兒童監護系統主要是基于GPRS的主動定位系統，當系統用戶發起中斷請求時，系統才會采集兒童終端的地理位置信息，下發給用戶，本系統的兒童實時定位監護系統不僅可以主動監護，而且在沒有中斷請求時，系統也會每隔一定時間查詢一下兒童的地理信息，然后存儲在數據庫中，若過程中發現兒童離開了區域邊界，便會主動給監護用戶發送短信，同時，也會通過兒童機終端向兒童發出警告。這樣便大大增加了兒童的安全性。

本系統的定位是由 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。該兒童實時定位監護系統可以有效地解決孩子在學校區域的定位問題，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域系統會自動報警。

1 學生監護系統的總體設計方案

該系統主要包括兒童終端機、GPRS傳輸網絡、兒童定位監護系統上位機平臺和系統用戶。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絡（2G、3G、WLAN等）接入兒童定位監護系統，將終端的狀態、采集數據等信息存儲到系統，作為管理的依據。而且兒童定位系統可將信息用于歷史數據分析挖掘，或者通過Internet轉發給相應的用戶，同樣地，用戶可以通過對兒童定位監護系統下達查詢指令，遠程管理、配置終端。兒童定位監護系統總體框圖如圖1所示。

2 系統各部分的設計開發

2.1 兒童終端機

圖1 兒童定位監護系統總體框圖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的傳輸方式傳輸到監護平臺的數據庫。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 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星到GPS接收機之間的距離，然后綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。也就是根據高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，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衛星信號工作，需要在室外看到天空的地方才能接收到衛星信號，室內不能接收。所以，為了使系統監控不存在盲區，在該系統中，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點構成的“智能”自治測控網絡系統，一般密集布設在無人值守的監控區域，能夠根據環境自主完成指定任務，其目的是協同地感知、采集、處理網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讀寫器與傳感器網絡相整合的RFID傳感器網絡。我們將傳感器節點集成到RFID系統中可以獲取更多所需的環境信息，同時可以擴大RFID系統的覆蓋范圍并且可以擴展RFID信息系統的信息種類。因此我們設計RFID傳感器網絡，網絡結構如圖3所示。

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

我們可以利用這一RFID傳感器網絡對移動的目標進行跟蹤定位研究。在學校區域周圍布設大量傳感器節點和RFID讀寫器，傳感器節點可以用來精確的監控移動目標的周圍環境，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域邊界電子圍欄時，終端會立即上發地理信息至上位機服務器，經分析處理后，下發短信給系統用戶。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網絡基礎上建立起來的移動數據通信業務。GPRS的出現使得包括圖片、視頻、音頻的多媒體業務能夠通過無線網絡進行傳輸。GPRS模塊的作用是完成兒童安全定位系統和學校監護上位機之間的數據傳輸。本系統采用SIM100，SIM100是SIMCOM推出的GSM/GPRS雙頻模塊，主要為語音傳輸、短消息和數據業務提供無線接口。SIM100集成了完整的射頻電路和GSM的基帶處理器，適合于開發一些GSM/GPRS的無線應用產品，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據通過GPRS網絡上傳到監護系統。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 兒童定位監護平臺

兒童定位監護平臺主要是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，服務器進行數據分析后存入數據庫，同時服務器也可以接收到系統用戶的訪問需求，實時下發信息查詢兒童的動態地理信息。

3 軟件設計

該系統的軟件部分主要由學校上位機監護平臺軟件、兒童終端和RFID網絡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循環等待上位機的中斷請求，當上位機出現中斷請求時，控制器采集GPS模塊和RFID的數據，通過GPRS模塊上傳到上位機平臺，上位機平臺對采集來的數據進行分析處理，檢查是否出現異常變動情況并存入數據庫。當上位機沒有中斷請求時，兒童終端控制器就等到規定時間后自動采集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網絡

當兒童走出界定區域范圍時，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網絡發給上位機監護平臺，然后監護平臺會下發短信給系統用戶，同時向兒童終端機上發送警告信息，警告兒童已離開學校區域。該RFID網絡的流程圖如圖6所示。

圖6 RFID網絡的流程圖Fig.6 The flow of RFID network

3.3 上位機監護平臺

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

圖7 監護平臺流程圖Fig.7 The flow of monitoring platform

4 結束語

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

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