基于無線傳感器網絡的兒童防走失系統研究與設計

張新建，楊曉坤

（華中科技大學文華學院，湖北武漢，430074)

0 前言

在我們身旁，時常發生著孩子丟失的悲劇。據公安部最新數據顯示，近年來我國每年有近20萬兒童失蹤。兒童走失對每一個家庭來說都是一個非常沉重的打擊。如何關心和幫助幼年群體，特別是小齡兒童走失成為了整個社會關注的問題。針對這一問題，須要采取一系列的兒童防丟失措施來杜絕兒童走失的悲劇發生。首先，兒童和家長或者是監護人必須時刻關注和了解自己保護的孩子。其次應通過科技手段使孩子家長或監護人時刻與孩子保持某一通訊聯系，對孩子進行科技保護。為此，本文提出了一種基于無線傳感器網絡的兒童防走失系統，可對兒童走失起到較好的預防效果，這將對兒童防走失智能化的發展具有一定的研究價值和指導意義。

1 方案設計

1.1 系統硬件方案設計

圖1為基于無線電傳感器網絡的兒童防走失系統整體硬件框圖。系統中子機和母機組成第一道防護網，子機和主機組成第二道防護網。子機可以在預設距離內被母機實時監控，同時子機在活動區域內的具體位置可以由主機顯示。具體實現流程為：子機向外發射具有特定編碼的無線電信號，無線電信號被母機和無線傳感器節點接收，母機對其信號進行識別和分析。若信號的編碼地址相一致則系統配對成功，母機開始對子機進行檢測，當子機離開預設范圍后母機報警。無線傳感器接收到的子機的無線電信號后傳送給主機實現對子機實時位置顯示。

圖1 系統整體設計框圖

1.2 系統主機軟件設計

系統主機以單片機為主要控制芯片，要實現對無線電傳感器網絡傳輸的數據進行分析、控制和顯示，系統主機控制程序設計如圖2所示。

圖2 系統主機軟件設計框圖

2 系統節點設計與布置

2.1 節點設計

系統中兒童和區域內某一節點的距離超出某一閥值時，判斷為離開此節點進入了下一個節點的檢測。設區域內的任意節點s，定義檢測函數fS如式

（1）所示。

式（1）中，dij 表示節點i與節點j間的距離，安全距離可根據預設區域的大小而定。安全閥值dST 表示兒童允許離開節點的最大距離，當兒童與節點距離超出了安全閥值，則證明進入了相鄰的節點。由于兒童離開一節點后必須和相鄰的節點進行無線電通訊，因此dST須小于dij的值，當fs=1時，表明兒童在節點s的感應范圍內；當 fs=0時，表示兒童離開節點s進入相鄰節點感應范圍內。

2.2 節點布置

在區域內布置傳感器節點需要充分利用傳感器的感知能力又能保證確保傳感器區域內完全無縫連通和完全無縫覆蓋，在傳感器區域內所需要的最少節點數N的計算公式如式（2）所示。

式（2）中，F為傳感器區域面積，σ為每個節點有效覆蓋面積， r為節點感知或通訊半徑。

為保無線傳感器節點在證預設區域內沒有盲區，實現了完全無縫聯通和完全無縫覆蓋。使用Matlab7.0運用VRGSD算法進行了仿真驗證，隨機產生的30個傳感器節點隨機的分布在傳感器區域內如圖3所示。

圖3 初始狀態下傳感器隨機布置

執行VRGSD算法之后的傳感器布置如圖4所示，使用VRGSD算法可形成一個MCDS，有效的節約傳感器的耗能。

圖4 執行VRGSD算法后傳感器布置

運用VRGSD算法在所預設的區域內布置節點，在區域內的實際情況和實時性共劃分三個等級的節點放置密度。首先是兒童活動頻繁的區域設為安全區域，在此區域內可以布置少量節點，保證兒童在此區域內活動有一個節點進行監控。其次是安全區域外圍，在兒童活動區域之外為重點區域。在此區域內須布置大量節點，每個相鄰節點之際都保證在安全閥值之內以保證兒童所在位置的實時性和準確性。最后布置節點的地方為區域出口位置，此區域為危險區域。

3 測試結果及數據分析

為了驗證系統的性能，在無線傳感器網絡定位的測量上采用RSSI測距方法進行了測試。在空曠的空地上獲得RSSI值與距離的關系后，系統還需要在不同環境下測試RSSI與距離的關系。系統子機周期性地發射功率恒定的信號，母機在一定距離下接收,并檢測信號強度記錄下來。圖6為3種環境下的Shadowing模型，通過與標準衰減模型的對比，由此可以看出在空曠的地區擬合曲線最接近總體曲線，室內中的擬合曲線漂移最大，室外的擬合曲線漂移成度次之。

圖5 執行VRGSD算法后傳感器節點布置圖

圖6 不同環境下Shadowing模型數據對比

由于系統存在誤差，需要對誤差分析，表1為不同狀態下距離與相對誤差表。

表1 三種不同狀態下距離與相對誤差

由表1可以看出，近距離時系統誤差稍大,但此時由于子機與母機第一道保護保護屏障信號較強。因此，系統防護仍在安全范圍之內。在距離50m時，系統誤差保持在3%，此時信號強度仍有較高的接收分辨率,故在此處選定安全閾值dST,系統將具有較高的穩定性。

4 總結

采用高性價比的技術手段，主動保護兒童安全是一個重要課題。本文設計的基于無線傳感器的兒童防走失系統，實現了對兒童區域化、實時性監測，保證了兒童在區域內的實時位置可見、活動范圍可控，這對防止兒童走失的發展具有一定的研究價值和指導意義。

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