幼兒園基于ZigBee的實時定位及體征監(jiān)測系統(tǒng)研究

李文齊　王澤陽　李毅　周儼　李佳倫

摘要：對于幼兒園的各種安全隱患，設計了ZigBee實時定位及體征監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)RSSI計算出移動節(jié)點到達參考節(jié)點的距離，再利用三邊測量定位算法實現(xiàn)準確定位。通過兒童佩戴的移動節(jié)點上的傳感器實現(xiàn)體溫、脈搏的監(jiān)測。在保證兒童自由度的基礎上，具有身份識別及考勤管理功能。

關鍵詞：ZigBee；幼兒園；實時定位；體征監(jiān)測；模糊邏輯 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP212 文章編號：1009-2374（2015）31-0017-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.008

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幼兒進行監(jiān)管，但是容易造成幼兒信息的泄露和偽造。參考文獻[4]中提出了幼兒園指紋識別接送，但該系統(tǒng)無法主動發(fā)現(xiàn)可疑人物，也無法對兒童進行實時監(jiān)控。參考文獻[5]中提出了一種基于ZigBee和RFID的物聯(lián)網(wǎng)，通過讀寫器不斷對兒童所持的RFID卡發(fā)送查詢信號實現(xiàn)對兒童的活動范圍感知，其缺點是無法對兒童實時準確定位，也無法實時監(jiān)測到兒童的身體指標。參考文獻[6]和參考文獻[7]中所述，在國外，已經(jīng)將無線網(wǎng)絡應用于幼兒園安全體系，但仍然沒有實現(xiàn)實時精確定位與體征監(jiān)測。綜合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并沒有將實時準確定位、到達危險區(qū)域警告和生理參數(shù)的監(jiān)測有機地融合到幼兒園安全管理之中，而這些在本系統(tǒng)中得以實現(xiàn)。本系統(tǒng)不僅可以對幼兒園內(nèi)所有人員進行實時定位、基本信息管理、身份識別、統(tǒng)計出入情況以及考勤管理，還可以在兒童到達危險區(qū)域自動報警，同時也實現(xiàn)了實時對兒童體溫、脈搏的監(jiān)測，通過ZigBee網(wǎng)絡將所有數(shù)據(jù)以多跳的方式發(fā)送至上位機，一旦發(fā)現(xiàn)生命體征超出正常范圍的兒童將立即報警。并且對于實時位置、體溫、脈搏三個指標，系統(tǒng)采用模糊邏輯，將危險情況劃分等級，通過計算與信息庫中樣例的貼近度給出決策方案，方便教師及時準確地了解兒童的情況。

1 系統(tǒng)結(jié)構

本系統(tǒng)包括ZigBee實時定位、實時體征監(jiān)測兩大模塊。兒童身上所佩戴的微型設備是ZigBee移動節(jié)點。將ZigBee參考節(jié)點安放在幼兒園四周。移動節(jié)點可以通過檢測獲取自身與參考節(jié)點之間通訊的接收信號強度（RSSI），并將檢測信息包傳送給網(wǎng)關；網(wǎng)關與上位機（PC電腦或工控機）相連，通過使用VB編寫的上位機程序即可顯示移動節(jié)點相對于參考節(jié)點的具體位置及坐標數(shù)值，從而實現(xiàn)定位的功能。可以在監(jiān)控臺界面上任意設定一定范圍的危險區(qū)域，當定位系統(tǒng)監(jiān)測到兒童到達危險區(qū)域時，會立即發(fā)出警報，通知有關人員采取措施保障兒童安全。在實時定位的基礎上，可實現(xiàn)對園內(nèi)人員進行身份識別、統(tǒng)計出入情況及考勤管理等功能。移動節(jié)點還可以采集兒童的體溫、脈搏數(shù)據(jù)，通過ZigBee無線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控臺，當兒童的某項身體參數(shù)指標超過正常范圍時，監(jiān)控臺上位機程序就會自動報警。本系統(tǒng)總括于圖1：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構功能示意圖

2 系統(tǒng)主要模塊原理

2.1 實時定位模塊

采用網(wǎng)狀結(jié)構實現(xiàn)節(jié)點間通信，幾何中心定位節(jié)點。利用接收信號強度指示技術RSSI（Received Signal Strength Indicator）功耗低、成本低、實用性高的特點，采用距離算法實現(xiàn)準確定位。

在測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值，也就是距發(fā)射節(jié)點1m處的接收信號強度；n為信號傳輸常數(shù)，與信號傳輸環(huán)境有關；d為距發(fā)射節(jié)點的距離。RSSI對應距離曲線，可以針對特定的應用場景進行擬合，這樣即可獲得射頻參數(shù)A和信號傳輸常數(shù)n。再采用如參考文獻[10]和參考文獻[11]中所述的三邊測量定位算法即可獲得移動節(jié)點的坐標。定位系統(tǒng)的運行流程。在網(wǎng)絡的通信過程中，首先定位節(jié)點發(fā)送信號到參考節(jié)點，參考節(jié)點把接收到的一定時間內(nèi)的信號強度取平均值，然后發(fā)回到定位節(jié)點，定位節(jié)點再把收到的信息傳輸?shù)骄W(wǎng)關節(jié)點，最后傳輸?shù)缴衔粰C。上位機的測算流程如圖2，需要設置所有參考節(jié)點的坐標，然后選取對應場景的距離曲線。

圖2 定位系統(tǒng)測算流程

在此算法中，如果選取N個參考節(jié)點來定位，需要進行次測算，綜合考慮計算強度與定位精度性價比，選取4個參考節(jié)點來定位。在此基礎上，可以實現(xiàn)兒童到達危險區(qū)域警告、身份識別及考勤管理功能。

2.2 實時體溫、脈搏監(jiān)測模塊

體溫檢測采用Melexis公司生產(chǎn)的MLX90614紅外溫度傳感器，它響應速度快、精度高、體積小、穩(wěn)定性好，在溫度范圍為32℃～42℃時，測量的絕對精度為±0.2℃。利用參考文獻[14]所述查表法進行溫差修正，可降低環(huán)境溫度對所測數(shù)據(jù)的影響。由于脈搏信號振動幅度小、頻率低，綜合考慮抗噪性及信號的放大效果，選擇HK2000C脈搏傳感器進行脈搏的測量。采用壓電式原理采集信號，通過檢測電流變化的程度測量壓力大小。將測得的體溫、脈搏數(shù)據(jù)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后，通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡傳送到中央監(jiān)控臺。當體溫或脈搏值超過設定的正常范圍時，檢測模塊中的蜂鳴器會立即報警，同時上位機顯示界面也會發(fā)出報警提示。

3 實驗驗證結(jié)果

本系統(tǒng)在實驗測試中取得了令人滿意的結(jié)果。圖3為中央實時監(jiān)控臺控制界面，在VB.net2008+SQL2000平臺下實現(xiàn)。其中藍色1～4號代表安放在幼兒園的參考結(jié)點，它們構成一個矩形區(qū)域；位于矩形區(qū)域內(nèi)部的紅色1號、2號移動節(jié)點代表兩名兒童；上面沒有標記數(shù)字的黑色圓點代表人為劃定的危險區(qū)域的中心位置，危險區(qū)域的的半徑可據(jù)實際情況調(diào)整。在實際應用中可以導入地圖，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、體溫實時數(shù)據(jù)，由于此時1號兒童沒有標記數(shù)字的黑色圓點距離較近，已經(jīng)進入劃定的危險區(qū)域范圍，2號兒童體溫、脈搏數(shù)據(jù)超過正常值，所以危險信息欄中分別出現(xiàn)了警告信息，并伴有聲光報警。endprint

數(shù)據(jù)傳輸延遲不超過2s，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠。可在監(jiān)控臺控制界面進行射頻標定，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，進一步提高定位的精確度。還可以進行場景縮放以及固定點坐標調(diào)整，既能從宏觀上觀察到整個區(qū)域的實時狀況，又不能放過任何一個危險角落。

圖3 中央實時監(jiān)控臺控制界面

當需要進一步觀察脈搏波形及詳細數(shù)據(jù)時，可在控制界面中打開“脈搏詳細參數(shù)”菜單，將出現(xiàn)以下

界面：

圖4 脈搏詳細信息顯示界面

4 基于模糊邏輯的決策方案

4.1 決策原理

模糊邏輯（Fuzzy logic）是一種典型的人工智能方法。運用模糊集合，將[0，1]區(qū)間的取值無窮化，將實際應用中不能精確判斷的問題或是數(shù)學方法所不能確定的系統(tǒng)、模型，用模擬人腦的方式來進行建模分析。

4.2 方案建立

運用模糊邏輯，我們將兒童狀況模糊量化，再計算與信息庫中樣例的貼近度，當最大的貼近度達到一定值時，可認為現(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與相應的解決方案建立信息庫。進行模糊處理后，用百分制定義兒童身體指標的各項檢測數(shù)據(jù)：

Position：兒童離危險區(qū)域的距離。大于10m時為100，小于10m時按每離近1m減10處理。

Temperature：兒童體溫。在進行溫差修正后，取36.5℃～37.5℃為正常范圍，量化為100，37.5℃～38℃及36℃～36.5℃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)燒會引起心率增快，體溫每升高1℃，心率增快10～15次/分。考慮到兒童的活躍性以及幼兒園兒童的年齡段，這里取3～5歲兒童平靜時的正常標準100～110次/分為正常范圍（100），超出正常范圍每1次/分減5處理。

具體標準用戶可根據(jù)幼兒園具體情況改動。表1為數(shù)據(jù)庫中的三個典型樣例：

4.2.2 計算兒童與數(shù)據(jù)庫中典型樣例的貼近度。定義i（i=0，1，2……m）為兒童各項量化后的指標，利用Hamming距離可得被監(jiān)測兒童與數(shù)據(jù)庫中樣例（k=1，2……h(huán)）的貼近度：

當最大貼近度時，可以認為該兒童狀況與數(shù)據(jù)庫中的典型樣例極為吻合，可根據(jù)該樣例相應的解決方案處理當前事件。

5 結(jié)語

該系統(tǒng)是一個以幼兒園為實際背景，并可用于多種場合的健康安全保障系統(tǒng)，具有一定的實用價值。在未來可對該系統(tǒng)的軟件和硬件進一步完善，將時刻的呵護送達幼兒園兒童身邊。本系統(tǒng)的設計得到國家級創(chuàng)新項目支持，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。

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基金項目：國家級創(chuàng)新項目（No.201410255041）。

作者簡介：李文齊（1993-），男，東華大學信息科學與技術學院學生，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡與嵌入式系統(tǒng)；王澤陽（1994-），男，東華大學信息科學與技術學院學生，研究方向：無線通信與遠程監(jiān)控；李毅（1994-），男，東華大學信息科學與技術學院學生，研究方向：電氣工程與智能控制；周儼（1994-），男，東華大學信息科學與技術學院學生，研究方向：現(xiàn)代控制理論；李佳倫（1994-），女，東華大學信息科學與技術學院學生，研究方向：通信信號處理。

（責任編輯：周 瓊）endprint