基于ZigBee的兒童定位監護系統的設計

鄭州大學西亞斯國際學院　張　軍　李銳君　陳　娟

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基于ZigBee的兒童定位監護系統的設計

鄭州大學西亞斯國際學院張軍李銳君陳娟

【摘要】針對目前幼兒園兒童安全管理的問題，文章以CC2430/CC2431芯片作為核心系統模塊，設計了無線定位網絡中的參考節點、定位節點和網關節點原理框圖，給出基于RSSI的混合定位算法流程，設計基于ZigBee的兒童定位監護系統，設置兒童定位與監護、家長安全接送和報警等功能。

【關鍵詞】定位節點；網關節點；混合定位算法

0　引言

安全重于泰山，幼兒園的頭等大事就是安全工作，現在社會迅速發展，不安定因素日漸增多，另外，由于幼兒園兒童年齡的特點所決定，他們缺乏日常生活經驗，往往無法判知和感覺到危險的來臨，是極易發生危險并受到傷害的年齡。因此，建立一套兒童實時定位系統，實現幼兒園內實時定位、安全保障，監護其身體狀況，家長接送匹配等功能，對提升幼兒園整體安全監護管理水平，促進全民信息化建設有非常重要的意義。

1　系統方案設計

1.1設計思路

ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，具有低功耗、低成本、低速率、短時延及安全性高等特點[1]。所以，文章將ZigBee無線傳輸技術應用到幼兒園兒童定位監護系統中，組成一個多跳點的無線自組織定位監護網絡。其主要組成部分有網關（協調器）節點、定位節點、參考節點、主機等應用軟件，如圖1所示。

圖1　兒童定位監護系統圖

其中，網關節點與參考節點均由全功能設備（FFD）構成，定位節點由簡化功能設備（RFD）構成。網關節點與參考節點通信距離可達200m，參考節點與定位節點之間通信距離可達60m，易實現多點之間的快速組網。

1.2系統功能及實現過程

（1）在幼兒園兒童活動空間場所的適當位置，布置若干定位網絡的參考節點，采用CC2430模塊，作為網絡的路由選擇節點，為系統提供路由及數據傳輸功能。而網關節點的作用，可以通過設置在教學樓內的若干個協調器節點來實現，采集ZigBee無線數據信號，并由計算機網絡傳輸到監控中心終端PC上。

（2）幼兒教師和家長分別配帶卡片標簽，兒童配帶腕表標簽，分別作為辨識身份的定位節點，采用CC2431模塊內置的定位引擎，在終端PC數據庫中，記錄兒童（或老師）的相關信息。兒童腕帶具有發熱檢測傳感器，實時監測該兒童體溫，家長所帶卡片標簽要與該兒童腕表標識進行匹配，才能接走孩子。

（3）當兒童活動到某些參考節點范圍時，將啟動定位節點的內置定位引擎進行識別；該兒童的身份號碼和定位監護信息將會經路由節點傳輸到網關節點，并最終傳輸到終端數據庫。在定位節點上設置緊急呼叫按鈕，并于當地110報警中心聯網，以便幼兒園相關兒童遭遇突發事件時，可以緊急呼叫，以獲得來自警方的支援。

2　硬件設計

2.1定位節點設計

（1）兒童腕表標簽

腕表標簽由兒童佩戴在手腕上，屬于有源電子標簽，起到定位監護的作用。采用CC2431芯片制成，工作在2.4GHz ISM頻段，其方框如圖2所示。采用高強度的防水耐磨ABS塑料封裝，外形電子表狀；并內置防拆回路，如被暴力破壞，腕表標簽會發送報警信息。

（2）教師與家長卡片標簽

卡片標簽由教師與家長胸前佩帶，與腕表標簽配套使用。此RFD設備與兒童腕表標簽的工作原理基本相似，方框如圖2所示。外部形狀如卡片，設置有緊急求助按鈕，如遇突發事件，可隨時向監護中心報告。

圖2　參考節點/定位節點原理框圖

2.2參考節點設計

在需要無線信號覆蓋的區域安裝固定的參考節點，屬于FFD設備，用于采集定位節點產生的信號，上傳給網關節點。采用鑄鋁材料制作的成品封裝，具有防雨、防靜電作用，內部采用CC2430芯片作為核心模塊，其原理框圖如圖2所示。多個參考節點之間構成級聯無線自組織網，與網關節點之間的通信距離可達1000m。一般8個參考節點組成一個定位覆蓋區域，系統完成定位功能需要3至4個參考節點。

2.3網關節點設計

網關節點屬于FFD設備，安裝在幼兒園的監護中心內，采用與參考節點相同的鑄鋁材料進行封裝，內部核心模塊采用CC2430芯片，負責數據處理，采用SIP3223芯片進行參考節點上傳的數據采集，與主機通信的任務由CAN控制器及收發器負責，設計能進行四向操作的鍵盤，其原理框圖如圖3所示。

圖3　網關（協調器）節點原理框圖

其中網關起到橋接作用，能夠發布管理節點的監測任務，可以實現計算機網與無限自組織網之間協議的轉換與數據的交換，并將接收到的數據傳輸到外網上。

3　混合定位算法

在傳統的定位算法中，根據無線定位機制的不同，分為兩種類型：基于測距的定位算法[2]；無需測距的定位算法[3]。在基于RSSI測距的無線定位算法中，接收信號強度RSSI的值可根據下式得到：RSSI=-(10n.lgd+A)，由此式可看出接收信號強度是發收距離和發射功率的函數。其中發收距離用d表示；信號傳播指數用n表示，也稱傳播常量；單位距離（1m）接收到的信號強度用A表示。由式中可以得到，無線信號的衰減和距離成對數的關系，利用此關系式可進行定位計算。

在原有的算法中，當傳輸距離d較小時，由RSSI值的偏差引起的距離誤差也比較小；若傳輸距離增大到某一值時，誤差也會變得很大，即誤差與傳輸距離d有特定關系。所以，在采用無線定位算法時，可以設置一個距離D作為門限值，當傳輸距離d小于門限D時，采用一種定位算法；反之，采用另一種定位算法，如此就可以減小距離誤差，提高定位精度。根據此原理提出的基于RSSI測距的混合定位算法流程如圖4所示。

圖4　定位算法流程圖

由算法流程圖可以看出，當d小于D時，啟動曲線擬合定位算法，修正通信距離d值；反之啟動信號強度分布定位算法，也對d值作出修正。其中D可通過現場實際測量獲得，MN是定位節點，BN是參考節點。由于優化的混合定位算法是根據RSSI波動規律進行的，定位精度高，而且運算量較小。所以將CC2431原定位引擎改進成混合定位算法，有效的提高了定位精度，在兒童定位監護系統中得到應用。

4　結束語

兒童定位監護系統主要采用CC2430/CC2431射頻模塊芯片，是無線自組網與有線網絡相結合的組網模式，能夠有效的提升幼兒園管理水平，實現兒童定位監護等功能，達到了預期的實用價值。雖然無線定位技術在多種環境下都有應用，但是，由于室內無線信號傳播的復雜性，人的活動空間還存在墻體阻隔[4]、多徑衰落等因素，無線定位技術的應用在很大程度上受到限制；這有待于我們深化對幼兒園管理系統的理解，以及今后通信技術的不斷發展，必將會提高無線定位技術的實際應用。

參考文獻

[1]李文仲.ZigBee2006無線網絡與無線定位實戰[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008:20-45.

[2]孫佩剛,趙海,羅玎玎,等.智能空間中RSSI定位問題研究[J].電子學報,2007,35(7).

[3]唐煒,鄭小林,干紅華,等.基于運動估計的ZigBee無線網絡定位方法[J].計算機工程,2010,36(20).

[4]王洋,王忠.基于CC2431的無線定位系統[J].通信技術,2009,42(9).

張軍（1979—），男，河北棗強人，碩士，鄭州大學西亞斯國際學院電子信息工程學院講師，研究方向：無線通信網絡及物聯網技術。

作者簡介：

基金項目：河南省科技廳科技攻關項目（152102210344）；河南省科技廳科技攻關項目（152102310367）。