物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在幼兒園幼兒管理中的應(yīng)用研究*

李鴻 王林珠 譚懷忠

湘潭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南湘潭 411102

近年來(lái)，城鄉(xiāng)幼兒教育得到前所未有的重視，幼兒園數(shù)量急劇增加，適齡幼兒入托入園率大幅提升，但同時(shí)，幼兒園幼兒的管理和安全也日益成為廣大群眾、各級(jí)政府、公眾媒體關(guān)心的熱點(diǎn)問題。部分幼兒園由于安全監(jiān)管設(shè)施不完善，教職員工安全責(zé)任意識(shí)淡薄、組織管理不到位，幼兒走失、被拐騙、被遺棄園車及園車超載引發(fā)交通事故等惡性事件時(shí)有發(fā)生。為此，各幼兒園應(yīng)健全安全管理制度，強(qiáng)化教職員工安全責(zé)任意識(shí)，完善安全監(jiān)管設(shè)施，加強(qiáng)對(duì)幼兒的安全教育；同時(shí)可以引入射頻識(shí)別、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、信息化管理系統(tǒng)，實(shí)施智能化管理，更好地提高幼兒園安全管理的效率，構(gòu)建更安全的幼兒學(xué)習(xí)生活環(huán)境。

射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)和ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是組建物聯(lián)網(wǎng)的兩項(xiàng)基礎(chǔ)和核心技術(shù)[1]。RFID系統(tǒng)利用無(wú)線射頻信號(hào)通過空間耦合實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞，并通過這種傳遞的信息進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，具有非接觸、安全性高、傳輸速度快、支持多目標(biāo)識(shí)別的特點(diǎn)，可以對(duì)RFID標(biāo)簽所附著的物體進(jìn)行追蹤定位，主要由讀寫器、電子標(biāo)簽和數(shù)據(jù)處理軟件組成[2]。ZigBee是一種低成本、低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)，采用直接序列擴(kuò)頻方式，以無(wú)線電波為媒介，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，所使用的無(wú)線電波不會(huì)對(duì)人體健康造成傷害[1]。基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是一種拓展性強(qiáng)、易布建的低成本、多跳的自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。將RFID和ZigBee結(jié)合，可以建立基于ZigBee的RFID系統(tǒng)，形成一種基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和RFID感知信息的物聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品、人員的遠(yuǎn)距離、大范圍識(shí)別、跟蹤、定位等；應(yīng)用于幼兒園，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)幼兒學(xué)習(xí)、生活的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。

1 基于ZigBee的有源RFID系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)組成

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的RFID系統(tǒng)由上位機(jī)、ZigBee協(xié)調(diào)器（網(wǎng)關(guān)）、帶ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的讀寫器和大量電子標(biāo)簽組成，如圖1所示。讀寫器讀寫有源電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)信息，在RFID讀寫器中嵌入ZigBee模塊，充分利用RFID使用的便利性以及ZigBee組網(wǎng)的靈活性，使多臺(tái)RFID讀寫器無(wú)線聯(lián)接組網(wǎng)，相互之間通信，建立系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，交換有源電子標(biāo)簽中的內(nèi)容，擴(kuò)大RFID讀寫器的讀寫范圍，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多點(diǎn)無(wú)線采集和傳輸，形成一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的多點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別、智能無(wú)線組網(wǎng)的RFID識(shí)別系統(tǒng)[2]。上位機(jī)用于接收Z(yǔ)igbee網(wǎng)絡(luò)中上來(lái)的數(shù)據(jù)信息，處理并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。

為保證感應(yīng)的靈敏性和預(yù)警的時(shí)效性，電子標(biāo)簽為有源RFID卡，卡內(nèi)存儲(chǔ)著持卡者身份信息，主要用于身份識(shí)別、權(quán)限分配、基礎(chǔ)信息讀取等，設(shè)置3類RFID卡。

1）幼兒RFID卡：采用胸牌式或腕帶式電子標(biāo)簽；外部材質(zhì)采用環(huán)保無(wú)毒塑料，外觀符合幼兒玩具國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)久耐用、不易丟失、方便佩戴；卡內(nèi)存儲(chǔ)幼兒基本信息，包括姓名、性別、年齡、班級(jí)、家長(zhǎng)姓名、住址、聯(lián)系電話、照片等。

2）家長(zhǎng)RFID卡：家長(zhǎng)接送、探訪幼兒時(shí)使用。家長(zhǎng)卡中存儲(chǔ)有與幼兒卡一致的信息及幼兒卡ID號(hào)和家長(zhǎng)照片，以確保幼兒安全、準(zhǔn)確無(wú)誤地送交到家長(zhǎng)手中。

3）教職員工RFID卡：根據(jù)身份或者使用權(quán)限，將卡細(xì)分為幼兒園負(fù)責(zé)人卡、園車駕駛員卡、園車護(hù)送人員卡、教師卡、保安卡等，主要作為身份識(shí)別和員工管理，用于門禁、考勤、安全管理系統(tǒng)授權(quán)等。

讀寫器負(fù)責(zé)向電子標(biāo)簽讀取或?qū)懭胄畔ⅲ梢詥为?dú)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫、顯示和處理，也可以與上位計(jì)算機(jī)聯(lián)合，完成對(duì)RFID卡的操作。讀寫器中嵌入ZigBee無(wú)線通信模塊，通過ZigBee協(xié)議建立系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，讀寫器之間可以協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)電子標(biāo)簽信息的無(wú)線采集，并通過多跳方式把數(shù)據(jù)傳到服務(wù)器，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積[3]。

服務(wù)器可以通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的電子標(biāo)簽信息，對(duì)幼兒進(jìn)行定位、跟蹤或觸發(fā)相應(yīng)事件，實(shí)現(xiàn)人與人或人與物的交互。

1.2 系統(tǒng)工作原理

RFID系統(tǒng)工作時(shí)，先由讀寫器通過天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)RFID卡進(jìn)入讀寫器的工作場(chǎng)時(shí)，由自身內(nèi)嵌的電池為后級(jí)芯片供電，驅(qū)動(dòng)后級(jí)芯片與閱讀器進(jìn)行通信，以完成與閱讀器間的相應(yīng)通信過程。閱讀器讀取標(biāo)簽的自身編碼等信息并解碼后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)送至數(shù)據(jù)交換、管理系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）處理[4]。

2 基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的有源RFID系統(tǒng)在幼兒園幼兒管理中的應(yīng)用分析

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)幼兒、幼兒家長(zhǎng)基本信息的管理，幼兒、家長(zhǎng)身份識(shí)別，校車接送途中、幼兒園學(xué)習(xí)活動(dòng)期間、外出活動(dòng)期間的實(shí)時(shí)點(diǎn)名，超范圍活動(dòng)、遇緊急情況自動(dòng)報(bào)警等功能，解決目前幼兒園幼兒管理中存在走失、上錯(cuò)車、遭拐騙、園車超載、遺棄車上等問題。系統(tǒng)功能如圖2所示。

2.1 園內(nèi)管理

在園區(qū)區(qū)域內(nèi)科學(xué)設(shè)置、安裝固定式或移動(dòng)式RFID讀寫器，系統(tǒng)工作在ZigBee網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個(gè)園區(qū)，覆蓋范圍可根據(jù)需要調(diào)整，可實(shí)時(shí)監(jiān)控幼兒進(jìn)出園、在園內(nèi)的活動(dòng)狀態(tài)。

1）身份識(shí)別、考勤及門禁管理。通過應(yīng)用軟件，設(shè)置不同的RFID卡，對(duì)持卡人進(jìn)行身份管理、權(quán)限設(shè)置，通過RFID讀寫器感應(yīng)不同的RFID卡，進(jìn)行身份識(shí)別，達(dá)到允許或禁止的功能，科學(xué)布置RFID卡讀取點(diǎn)，做到“何時(shí)何地何人”都能靈敏感應(yīng)。在校門口設(shè)置固定式RFID讀寫器，自動(dòng)記錄幼兒、家長(zhǎng)、臨時(shí)訪客、教職員工出入園的詳細(xì)情況。幼兒進(jìn)出幼兒園時(shí)使用幼兒RFID卡進(jìn)行身份識(shí)別，家長(zhǎng)接送、探訪幼兒時(shí)使用家長(zhǎng)RFID卡進(jìn)行身份識(shí)別，讀卡通過時(shí)，允許家長(zhǎng)接領(lǐng)幼兒，讀寫器（或顯示屏）上顯示幼兒代碼、姓名、性別、班級(jí)等信息；讀卡未通過，讀寫器（或顯示屏）上給出語(yǔ)音、動(dòng)畫提示或報(bào)警，拒絕家長(zhǎng)接領(lǐng)、探訪，防止誤接、錯(cuò)接。同時(shí)，系統(tǒng)可以把數(shù)據(jù)信息同步上傳到幼兒園網(wǎng)站，方便幼兒園教師掌握班級(jí)幼兒情況，方便家長(zhǎng)查詢。

臨時(shí)訪客需要進(jìn)入幼兒園時(shí)，可在門衛(wèi)處登記確認(rèn)領(lǐng)取臨時(shí)RFID卡，并通過系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)定該訪客進(jìn)入的區(qū)域（如辦公樓、教師宿舍等）和停留時(shí)間[5]。當(dāng)訪客進(jìn)入非訪問區(qū)域，尤其是幼兒學(xué)習(xí)、活動(dòng)區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)向監(jiān)控中心、門衛(wèi)（保安）發(fā)送提醒信息；當(dāng)訪客結(jié)束訪問時(shí)，訪客在門衛(wèi)處歸還RFID卡，系統(tǒng)解除訪問權(quán)限。

其次，還可以在幼兒教室、食堂、寢室等安全關(guān)鍵場(chǎng)所設(shè)置門禁，授權(quán)教職工和本園幼兒的RFID卡才能打開門，以防不法分子闖入幼兒園對(duì)師生造成傷害，增加幼兒園師生的安全系數(shù)。另外，在幼兒中午、晚上休息就寢時(shí)間段，可以通過對(duì)RFID卡權(quán)限的設(shè)置，不允許幼兒卡打開門禁，以防幼兒走出寢室，造成安全事故。

2）自動(dòng)離校及涉危區(qū)域報(bào)警。系統(tǒng)每隔60秒（可設(shè)定）對(duì)園區(qū)幼兒進(jìn)行點(diǎn)名查到，對(duì)幼兒在園區(qū)的活動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)幼兒脫離園區(qū)區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)立即報(bào)警，并顯示報(bào)警位置及違規(guī)幼兒信息給監(jiān)控中心、門衛(wèi)值班人員，免于幼兒走失或被壞人帶走。

在幼兒園危險(xiǎn)區(qū)域如水池、變壓器、樓頂、煤氣管道、走道盡頭等設(shè)置RFID讀寫器，一旦有幼兒接近時(shí)，讀寫器立刻發(fā)出聲光警示，同時(shí)自動(dòng)將讀取的幼兒RFID信息傳送給監(jiān)控中心，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用軟件得到信息后，也同時(shí)發(fā)出聲音、動(dòng)畫等報(bào)警信號(hào)，并準(zhǔn)確給出RFID感應(yīng)點(diǎn)所在的具體位置，提醒管理員立刻采取安全措施[6]。

2.2 園外管理

1）園車接送管理。

①幼兒上下車身份識(shí)別與幼兒園識(shí)別。家長(zhǎng)在站點(diǎn)接送孩子時(shí)，跟車教師采用手持式讀寫器或車載讀寫器自動(dòng)識(shí)別上、下車幼兒身份和接領(lǐng)家長(zhǎng)身份，幼兒或家長(zhǎng)身份驗(yàn)證通過，讀寫器或車載顯示屏顯示幼兒信息、家長(zhǎng)信息，并語(yǔ)音提示“**幼兒園歡迎你”，讓跟車教師、駕駛員和幼兒進(jìn)一步確認(rèn)幼兒、家長(zhǎng)身份和幼兒園名稱，并進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證沒通過，讀寫器報(bào)警提示，跟車教師適當(dāng)處置，防止幼兒上錯(cuò)車，進(jìn)錯(cuò)幼兒園。校車接送途中跟車教師和司機(jī)可通過該系統(tǒng)隨時(shí)查看學(xué)生上下車情況，是否已經(jīng)全部安全上車、下車，學(xué)生上下車相關(guān)記錄數(shù)據(jù)可以通過軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可實(shí)現(xiàn)后臺(tái)統(tǒng)一管理。保證學(xué)生接送安全，降低管理人員的工作量及人為失誤可能。

②園車超載提醒功能。車載RFID讀寫器通過讀取幼兒RFID卡自動(dòng)獲得準(zhǔn)確的上、下車學(xué)生數(shù)。園車實(shí)際載人數(shù)可以用醒目的方式顯示在車內(nèi)適當(dāng)位置來(lái)提醒駕駛員，避免出現(xiàn)園車停駛關(guān)閉車門時(shí)，還遺留幼兒在車上的情況發(fā)生。

2）外出活動(dòng)管理。

①實(shí)時(shí)點(diǎn)名查到。當(dāng)幼兒外出活動(dòng)時(shí)，負(fù)責(zé)組織的教師分為幾組，分別攜帶手持式RFID讀寫器每隔一定的時(shí)間間隔對(duì)周圍幼兒RFID卡進(jìn)行讀取，教師只要按手持式讀寫器上的查詢鍵便可進(jìn)行幼兒查詢。只要幼兒在ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍內(nèi)，幼兒RFID卡均可接收該查詢信息并與自己的地址核對(duì)：如果是自己的信息，做相應(yīng)的處理后便返回信號(hào)，讀寫器將顯示該幼兒的ID、姓名等信息；倘若幼兒在查詢范圍之外，RFID卡將接收不到讀寫器的查詢信號(hào)，從而讀寫器將顯示查詢失敗。查詢結(jié)束后教師對(duì)未查詢到的該幼兒進(jìn)行尋找，加強(qiáng)幼兒管理的安全性。

②自動(dòng)提醒歸隊(duì)、求助報(bào)警功能。幼兒外出活動(dòng)超越活動(dòng)范圍，所持幼兒RFID卡在一定時(shí)間范圍內(nèi)未能接收到讀寫器發(fā)出的詢查信號(hào)，RFID卡會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒幼兒歸隊(duì)，并向讀寫器發(fā)出求助報(bào)警信號(hào)，盡可能避免幼兒外出活動(dòng)時(shí)走失。

3 結(jié)語(yǔ)

將RFID技術(shù)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于幼兒園的幼兒管理，建立一套信息化、智能化的幼兒園幼兒安全管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)幼兒的“實(shí)名制”管理，能較大地提高管理效率，較好地解決幼兒多、幼兒好動(dòng)、教師不容易面面俱到的難題，減輕教師的管理強(qiáng)度。RFID技術(shù)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)加上行之有效的安全管理制度，能更好地消除幼兒園的安全隱患，做到早預(yù)警、早發(fā)現(xiàn)，防患于未然，減少事故的發(fā)生，使幼兒在幼兒園里快樂、安全地成長(zhǎng)。

[1]任小洪,方剛,賀映光,等.ZigBee遠(yuǎn)距離射頻識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表,2011,32(3)：8-11.

[2]劉宇,彭剛,王濤,等.RFID與ZigBee技術(shù)融合的研究[C]//廣西計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)2010年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2010.

[3]樂英高,徐衛(wèi)東,周天鵬.ZigBee和RFID技術(shù)相結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究[J].數(shù)字通信,2011(1)：41-43.

[4]李新春,于永鑫.遠(yuǎn)距離有源RFID系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2011,20(11)：178-180.

[5]曾慶勇.RFID技術(shù)在幼兒園安全管理中的應(yīng)用分析[J].軟件,2012,33(1)：125-127.

[6]雷靜,林強(qiáng).基于RFID的中小學(xué)校園安全智能管理系統(tǒng)的開發(fā)與研究[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備,2008(16)：129-130,133.