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

1、    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 ：a：tp212 ：1009-2374（2015）31-0017-03 doi：10.13535/ki.11-4406/n.2015.31.

2、008兒童是祖國的希望和未來。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)無法主動(dòng)發(fā)現(xiàn)可疑人物，也無法對(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)是無法對(duì)兒童實(shí)時(shí)準(zhǔn)確定位，也無法實(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，在國外，已經(jīng)將無線網(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

3、國內(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、

4、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)，

5、通過zigbee無線通信將數(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

6、。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)來定位。在此基礎(chǔ)上

7、，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3242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

8、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14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

9、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?？稍诒O(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 log

10、ic）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。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。temp

11、erature：兒童體溫。在進(jìn)行溫差修正后，取36.537.5為正常范圍，量化為100，37.538及3636.5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1015次/分?？紤]到兒童的活躍性以及幼兒園兒童的年齡段，這里取35歲兒童平靜時(shí)的正常標(biāo)準(zhǔn)100110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)庫中的三個(gè)典型樣例：4.2.2 計(jì)算兒童與數(shù)據(jù)庫中典型樣例的貼近度。定義i（i=0，1，2m）為兒童各項(xiàng)量化后的指標(biāo)，利用hammi

12、ng距離可得被監(jiān)測(cè)兒童與數(shù)據(jù)庫中樣例（k=1，2h）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。參考文獻(xiàn)1 李志.一種基于zigbee的幼兒園監(jiān)控系統(tǒng)j.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2014，27（7）.2 宋志強(qiáng)，徐健.幼兒園指紋識(shí)別接送系統(tǒng)設(shè)計(jì)j.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化

13、，2009，（10）.3 趙筱赫，張春強(qiáng).指紋識(shí)別在幼兒園接送管理系統(tǒng)中的應(yīng)用j.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2013，（6）.4 陳維立，陳向東，李志霞.基于zigbee的幼兒園無線指紋識(shí)別接送系統(tǒng)設(shè)計(jì)j.現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（21）.5 李鴻，王林珠，張文，等.rfid技術(shù)與zigbee網(wǎng)絡(luò)融合的幼兒安全管理系統(tǒng)j.智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2013，（8）.6 李鴻，王林珠，譚懷忠.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在幼兒園幼兒管理中的應(yīng)用研究j.中國教育技術(shù)裝備，2013，（9）.7 chao chen.design of a child localization system on rfid and wireless se

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