幼儿园基于ZigBee的实时定位及体征监测系统研究

２０１５年第３１期　（总第３４６期）　中阖高新技书氽业　

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ＮＯ．３１．２０１５　

（ＣｕｍｕｌａｔｉｖｅｔｙＮＯ．３４６）　

幼儿园基于ＺｉｇＢｅｅ的实时定位及体征　监测系统研究　

李文齐王泽阳　李毅周　俨李佳伦　（东华大学信息科学与技术学院，上海２０１６２０）　

摘要：对于幼儿园的各种安全隐患，设计了ｚｉｇＢｅｅ实时定位及体征监测系统。系统根据ＲｓｓＩ计算出移动节点到达　参考节点的距离，再利用三边测量定位算法实现准确定位。通过儿童佩戴的移动节点上的传感器实现体温、脉搏　的监测。在保证儿童自由度的基础上，具有身份识别及考勤管理功能。　关键词：ＺｉｇＢｅｅ；幼儿园；实时定位；体征监测；模糊逻辑　文献标识码：Ａ　中图分类号：ＴＰ２１２　文章编号：１００９－２３７４（２０１５）３１—００１７—０３　ＤＯＩ：１０．１３５３５／ｊ．ｃｎｋｉ．１１—４４０６／ｎ．２０１５．３１．００８　

儿童是祖国的希望和未来。传统的幼儿园监控是通　过摄像头了解儿童的安全情况，但是摄像头布控存在　

一些盲区，且受环境影响较大。还有利用信息接送卡等　对幼儿进行监管，但是容易造成幼儿信息的泄露和伪　造。参考文献［４］中提出了幼儿园指纹识别接送，但该　系统无法主动发现可疑人物，也无法对儿童进行实时监　控。参考文献［５］中提出了一种基于ＺｉｇＢｅｅ和ＲＦＩＤ的物　联网，通过读写器不断对儿童所持的ＲＦＩＤ卡发送查询信　号实现对儿童的活动范围感知，其缺点是无法对儿童实　时准确定位，也无法实时监测到儿童的身体指标。参考　文献［６］和参考文献［７］中所述，在国外，已经将无线网　络应用于幼儿园安全体系，但仍然没有实现实时精确定　位与体征监测。综合国内外的研究现状，并没有将实时　准确定位、到达危险区域警告和生理参数的监测有机地　融合到幼儿园安全管理之中，而这些在本系统中得以实　现。本系统不仅可以对幼儿园内所有人员进行实时定　位、基本信息管理、身份识别、统计出入情况以及考勤　管理，还可以在儿童到达危险区域自动报警，同时也实　现了实时对儿童体温、脉搏的监测，通过ＺｉｇＢｅｅ网络将　所有数据以多跳的方式发送至上位机，一旦发现生命体　征超出正常范围的儿童将立即报警。并且对于实时位　置、体温、脉搏三个指标，系统采用模糊逻辑，将危险　情况划分等级，通过计算与信息库中样例的贴近度给出　决策方案，方便教师及时准确地了解儿童的情况。　ｌ系统结构　本系统包括ＺｉｇＢｅｅ实时定位、实时体征监测两大模　块。儿童身上所佩戴的微型设备是ＺｉｇＢｅｅ移动节点。　将ＺｉｇＢｅｅ参考节点安放在幼儿园四周。移动节点可以通　过检测获取自身与参考节点之间通讯的接收信号强度　（ＲＳＳＩ），并将检测信息包传送给网关；网关与上位机　（ＰＣ电脑或工控机）相连，通过使用ＶＢ编写的上位机程　序即可显示移动节点相对于参考节点的具体位置及坐标　数值，从而实现定位的功能。可以在监控台界面上任意　设定一定范围的危险区域，当定位系统监测到儿童到达　危险区域时，会立即发出警报，通知有关人员采取措施　保障儿童安全。在实时定位的基础上，可实现对园内人　员进行身份识别、统计出入情况及考勤管理等功能。移　动节点还可以采集儿童的体温、脉搏数据，通过ＺｉｇＢｅｅ　无线通信将数据发送至监控台，当儿童的某项身体参数　指标超过正常范围时，监控台上位机程序就会自动报　警。本系统总括于图１：　

ｌ　兰二竺竺兰兰兰竺兰竺　ｌ　图１　系统结构功能示意图　２系统主要模块原理　２．１实时定位模块　采用网状结构实现节点间通信，几何中心定位　节点。利用接收信号强度指示技术ＲＳＳＩ（Ｒｅｃｅｉｖｅｄ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）功耗低、成本低、实用　

，１７．　定的系统、模型，用模拟人脑的方式来进行建模分析。　４．２方案建立　运用模糊逻辑，我们将儿童状况模糊量化，再计算　与信息库中样例的贴近度，当最大的贴近度达到一定值　时，可认为现在儿童情况与典型样例十分贴合，可根据该　样例采取的解决方案处理现在的事件。具体流程如下：　４．２．１　搜集典型的儿童身体指标与相应的解决方　案建立信息库。进行模糊处理后，用百分制定义儿童身　体指标的各项检测数据：　．　Ｐｏｓｉｔｉｏｎ：儿童离危险区域的距离。大于ｌＯｍ时为　ｉ００，小于ｌＯｍ时按每离近１ｍ减ｌ０处理。　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ：儿童体温。在进行温差修正后，取　３６．５℃～３７．５￣Ｃ为正常范围，量化为ｉ００，３７．５℃～３８℃　及３６℃～３６．５℃儿童低热，３８℃以上及３６℃以下为发烧　状态，因此选择超出正常范围每０．１℃减ｌ０处理。　Ｐｕｌｓｅ：儿童脉搏。发烧会引起心率增快，体温每　升高１℃，心率增快１０～１５次／分。考虑￣Ｉ］ＪＬ童的活跃性　以及幼儿园儿童的年龄段，这里取３～５岁儿童平静时的　正常标准１００～１１０次／分为正常范围（ｉ００），超出正常　范围每１次／分减５处理。　具体标准用户可根据幼儿园具体情况改动。表１为　数据库中的三个典型样例：　表ｉ三个典型样例　

注：０：９－常状态；５：上位机端显示、附近老师前去帮助并通知ＢＥ　务室；８：上位机端显示、广播提醒、附近老师前去帮助并通知医　务室及家长。　４．２．２计算儿童与数据库中典型样例的贴近度。　定义ｉ（ｉ＝Ｏ，ｌ，２……ｍ）为儿童各项量化后的指标，　利用Ｈａｍｍｉｎｇ距离可得被监测儿童／７。与数据库中样例　（ｋ＝ｌ，２……ｈ）的贴近度　：　

：　∑　（　（　。）Ｖ　（ｎ。）　

当最大贴近度ｍａｘ（ａ　）≥０．９５时，可以认为该儿童　状况与数据库中的典型样例ｎ　极为吻合，可根据该样例　相应的解决方案处理当前事件。　

５结语　该系统是一个以幼儿园为实际背景，并可用于多种　场合的健康安全保障系统，具有一定的实用价值。在未　来可对该系统的软件和硬件进一步完善，将时刻的呵护　送达幼儿园儿童身边。本系统的设计得到国家级创新项　目支持，在研究中得到李德敏教授、张光林副教授的巨　大帮助和大力支持，在此特别感谢。　

参考文献　李志．一种基于ｚｉｇＢｅｅ的幼儿园监控系统Ⅱ１－工业控　制计算机，２０１４，２７（７）．　宋志强，徐健．幼儿园指纹识别接送系统设计【１］．计　算机与现代化，２００９，（１０）．　赵筱赫，张春强．指纹识别在幼儿园接送管理系统中　的应用Ⅱ】．数字技术与应用，２０１３，（６）．　陈维立，陈向东，李志霞．基于ｚｉ妒。ｅ的幼儿园无线指纹　识别接送系统设计Ⅱ】．现代电子技术，２０１４，３７（２１）．　李鸿，王林珠，张文，等．ＲＨＤ技术与ｚ瑶　ｅｅ网络融合　的幼儿安全管理系统硼．智能系统学报，２０１３，（８）．　李鸿，王林珠，谭怀忠．物联网技术在幼儿园幼儿管　理中的应用研究Ｕ】．中国教育技术装备，２０１３，（９）．　［７】Ｃｈａｏ　Ｃｈｅｎ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　Ｃｈｉｌｄ　Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　ＲＦＩＤ　ａｎｄ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　ＮｅｔｗｏｒｋｓＵ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｅｎｓｏｒｓ，２０１０．　［８］８　高明，吉祥，刘宇，等．ｚｉｇＢｅｅ技术在室内定位中的　应用Ⅱ】．西安工业大学学报，２０１０，３０（１）．　【９】朱明辉，张会清．基于ＲＳＳＩ的室内测距模型的研究　卟传感器与微系统，２０１０，２９（８）．　【１０］Ｎｉｃｕｌｅｓｃｕ　Ｄ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｉｎ　Ａｄ　ｈｏｃ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　Ｕ】．ＩＥＥＥ　Ｎｅｔｗｏｒｋ，２００４，１８（４）．　［１１】Ａｎｄｒｅａｓ　Ｓ，Ｈａｎ　Ｃ　Ｃ，Ｓｒｉｖａｓｔａｖａ　Ｍ　Ｂ．Ｄｙｎａｍｉｃ　ｆｉｎｅ—　ｇｒｍｎｅｄ　ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ａｄ—ｈｏｃ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｏｆ　ｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．　ＡＣＭ　ＳＩＧＭＯＢＩＬＥ　０１，Ｒｏｍｅ，Ｉｔａｌｙ，２００１．　【ｌ２】　张日欣．基于ＭＬＸ９０６１４的非接触式体温测量系统设　计Ⅱ】．软件导刊，２００９，８（３）．　【１３】　沙春芳．红外温度计ＭＬＸ９０６１４及其应用卟现代电　子技术，２００７，（２２）．　【１４】夏候凯顺，曾宪金，胡立坤，等．基于ＭＬＸ９０６１４和　ｚｉｇＢｅｅ技术的体温实时监控系统的设计卟自动化与　仪表，２０１１，（１１）．　【１５】　苏俊丰．基于ＣＣ２５３０的多点无线脉搏检测系统【Ｄ】．　华中师范大学，２０１４．　ｆ１６】孙超．基于模糊逻辑的异构无线网络接入选择算法　【Ｄ】．吉林大学，２０１３．　【１７】Ｇｉｕｐｐｏｎｉｌ　Ｌ．，Ａｇｕｓｔｉ　Ｒ．，Ｐｅｒｅｚ　Ｒ．Ｊ．，ｅｔ　ａ１．Ａ　Ｎｏｖｅｌ　Ｊｏｉｎｔ　Ｒａｄｉｏ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｆｕｚｚｙ　Ｎｅｕｒａｌ　ＭｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙⅡ１．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，５７（３）．　【１８】　阎平凡，张长水．人工神经网络与模拟进化计算［Ｉ　．　北京：清华大学出版社，２００５．　【１９】李强．模糊数学方法在二手房价格估算中的应用Ⅱ］．　青海师范大学学报（自然科学版），２００８，（２）．　基金项目：国家级创新项目（Ｎｏ．２０１４１０２５５０４１）。　作者简介：李文齐（１９９３－），男。东华大学信息科学与　技术学院学生，研究方向：无线传感器网络与嵌入式系统；　王泽阳（１９９４一），男，东华大学信息科学与技术学院学生，　研究方向：无线通信与远程监控；李觳（１９９４－），男，东华　大学信息科学与技术学院学生，研究方向：电气工程与智能　控制；周俨（１９９４－），男，东华大学信息科学与技术学院学　生，研究方向：现代控制理论；李佳伦（１９９４－），女，东华　大学信息科学与技术学院学生，研究方向：通信信号处理。　（责任编辑：周琼）　．１９．　Ⅲ　嘲