嵌入式嬰幼兒監管系統

重慶第二師范學院數學與信息工程系 譚希敏 王伶俐 劉先玲

嵌入式嬰幼兒監管系統

重慶第二師范學院數學與信息工程系 譚希敏 王伶俐 劉先玲

由于計劃生育政策實行現如今幾乎所有家庭只有一個小孩，因此孩子的一切備受家長，老師的關心。對于幼兒學校而言，這無疑是增大了老師的管理壓力。一旦疏忽就可能造成幼兒丟失事件。基于此嚴峻問題，提出了一種基于ZigBee網絡的嵌入式嬰幼兒的監管系統。解決孩子多，管理麻煩、不能隨時掌握孩子狀況等問題。融合嵌入式網關，CC2431模塊，Web服務器，溫度、濕度、光度模塊等，實現了對嬰幼兒的精確定位、信息報告、自動報警。

幼兒監控；Zigbee；CC2431模塊；嵌入式網關

引言

鳳凰衛視曾報道,“我國每年約有20多萬兒童失蹤,目前仍然沒有放棄尋找的案件逾60萬件”。時代在不斷發展,嬰幼兒的照看,管理成為了不少家長、老師的一大難題。眾多幼兒在學園上課、玩耍,老師不可能面面俱到,對于孩子的體溫、動向不可能一一俱知,這也讓不少父母擔心。幼兒的監管不到位帶來的安全隱患包括:老師幼兒所在具體位置,幼兒在何時何地走丟也不知,如若運動過量,幼兒發燒、感冒,也得不到及時的醫治。

1 系統概述

1.1 系統工作原理

嵌入式幼兒監管系統組成為包含Zigbee網絡、嵌入式網關、GSM短信模塊。如圖1為系統工作原理圖。

圖1 系統工作原理圖

工作原理:傳感器感知當前的情況,將相關信息通過Zigbee的網絡拓撲結構傳給嵌入式網關,嵌入式網關處理數據,并將數據記錄呈現在屏幕上,便于教育者及時關注幼兒的狀態,網關又通過GPRS模塊將信息發送到Internet,家長可以隨時通過互聯網對幼兒信息進行跟蹤,因為該系統有定位作用,可以方便老師對幼兒的管理。

2 系統組成

2.1 Zigbee模塊

如圖2所示為幼兒的智慧鞋報警器節點結構圖, 包含Zigbee控制器、溫濕度傳感器、距離傳感器、光敏傳感器。

圖2 系統工作原理圖

其中負責組成網絡的Zigbee控制器采用TI公司生產的針對IEEE 802.15.4應用的片上系統CC2431,它芯片內部集成了定位引擎和工作在2.4GHz的射頻發射器,擁有低功耗的8051MCU內核。它基于RSSI的定位技術,降低了網絡流量和通訊延遲并且它算法簡單可以精確當前節點位置,適合于確定幼兒當前距離。

2.2 嵌入式網關

嵌入式網關采用在嵌入式系統上搭建網關以實現網絡之間的通信。這種方法節約了項目成本,具有較強的適應性與靈活性。該項目選用Samsung公司S3C2440A處理器,它是國內資料最為廣泛,相應開發套件最為齊全的處理器之一,而且與傳統ARM7系列處理器相比,執行效率更高,具有全性能的MMU(虛擬存儲器單元),支持Linux系統的移植和建立WEB服務器的搭建。在一定程度上滿足了嬰幼兒監管系統需要的實時性,準確性以及信息的反饋速度方面的要求。

2.3 Web服務器

WEB服務器的作用主要是實現數據的共享,通過網絡可視化采集的數據,便于家長和老師通過終端設備進入網絡進行信息的查詢,主要的要求就是WEB服務器要隨時與數據庫交互以更新數據。

3 系統設計

3.1 系統硬件設計

3.1.1 傳感器

溫濕度傳感器主要采用“雙壓法”對物體的溫度及濕度進行測量。并通過Zigbee網絡將測量結果反饋給主機進行跟蹤和分析,在第一時間內反映孩子健康狀況。

3.1.2 GSM模塊

GSM模塊是基于GSM的短信信息服務,是一種在移動網絡上傳送簡短信息的無線應用,是一種信息在移動網絡上存儲和轉寄的過程[1]。GSM模塊與WEB服務器相輔形成。系統將傳感器采集的數據存入數據庫庫中,另一方面將數據以短息的的形式發送至家長和老師,從而實現了信息獲得的及時性,便于掌控孩子的動態。

圖3 智慧鞋報警系統工作流程圖

3.2 系統軟件設計

3.2.1 系統工作流程

Zigbee智慧鞋報警系統的工作流程如圖3所示,系統的主要功能是智慧鞋終端傳感器采集數據信息,并將采集的數據通過Zigbee網絡的無線傳輸,經過路節點最終傳入給嵌入式網關進行處理,嵌入式網關控制cc2431模塊、光度模塊、溫度模塊、濕度模塊將信息發送給Web服務器,同時發送報警短信給老師和家長,Web服務器通過MYSQL數據庫將信息存儲。

3.2.2 Zigbee網絡通信

Zigbee網絡通信采用Chipcon公司(已被TI公司收購)的CC2431,協議棧為Zigbee 2007,是TI公司專門為CC2431芯片設計的協議棧[2]。Zigbee協調器的軟件,Zigbee網絡啟動時會進行設備初始化,雖然每一個Zigbee設備都有唯一的一個64位IEEE地址,并可以用這個地址在PAN中進行通信,但從設備和網絡協調器建立連接以后會為它分配一個16位的短地址,此后可以用這個短地址在PAN內進行通信,十六位的短地址是相對地址,相當于IP地址[3]。Zigbee技術采用自組織網結構,即網絡建立好以后,每個擁有Zigbee網絡模塊的終端(本項目中的智慧鞋)會彼此之間搜尋,由于終端在不停的移動改變位置,則相應的聯絡也會相應的變化。該特點正好適用于本項目的情況。

4 結語

本文基于Zigbee網絡,根據社會情況設計的嬰幼兒監管系統實現報警器的分布式布控,并結合當下主流互聯網技術,達到與互聯網融合的智能報警系統。通過Web服務器可實現對嬰幼兒的監控,并通過數據庫完成了數量龐大的嬰幼兒信息存儲。該系統利用Zigbee網絡覆蓋范圍廣、低功耗、傳輸穩定的特點,達到了嬰幼兒監管的自動化,因此嬰幼兒監管系統具有很好的發展前景。

［1］王騏,何嘉斌.單片機控制GSM模塊實現短信收發的軟件設計［OL］.http://www.21ic.com/app/rf/200503/6239.htm.

［2］張朋,陳明,陳亞萍.無線傳感器網絡操作系統關鍵技術［J］.計算機應用研究,2007(10):24-25.

［3］郭淵博.Zigbee技術與應用—CC2430設計、開發與實踐.2010.6ISBN 987-118-06775-0.

譚希敏（1994—），女，重慶開縣人，大學本科，研究方向：嵌入式、無線傳感網絡、物聯網技術。

王伶俐（1994—），女，重慶萬州人，大學本科，研究方向：嵌入式、無線傳感網絡、物聯網技術。

劉先玲（1994—），女，重慶巫溪人，大學本科，研究方向：嵌入式、無線傳感網絡、物聯網技術。

重慶第二師范學院科研基金項目（K9201321C）。