基于物聯網技術的幼兒園兒童監管系統設計

楊 帆 ，宋開懷

（1.武漢工程大學 電氣信息學院，武漢 430073；2.湖北省視頻圖像與高清投影工程技術研究中心，武漢 430073）

幼兒園是培育祖國花朵與未來的地方，天真好動的兒童幾乎對周圍事物都充滿了好奇心和探索欲。由于幼兒階段的兒童自主意識弱且缺乏基本的安全防范意識。因此，幼兒園兒童最容易出現安全隱患，提高幼兒園安全管理效率是學校和社會需要共同關注和面臨的問題[1-3]。很多受害兒童都是由于救援遲緩或者沒有及時聯系到救援，教師和家長得不到及時的信息，也讓兒童有遭遇二次傷害的危險，造成更大的傷害，引發惡性事件突發，為了有效提高幼兒園安全管理效率引入物聯網技術手段構建二層體系結構的幼兒園兒童智能監管系統。

1 幼兒園兒童監管系統設計

圖1 兒童監管系統結構圖Fig.1 Structure of the child supervision system

如圖1所示，本系統的硬件包括STM32主機系統、傳感層電路、數據處理模塊、通信網絡層電路、USB轉串口電路。STM32芯片和復位電路、時鐘電路、電源模塊電路、CC2530電路模塊等一起組成了STM32主機系統，傳感層電路采集兒童體表的生理數據信號經過數據處理模塊電路進行放大后預處理并提取特征參數發送給主機系統并做初步的判斷，最后將初步判斷結果通過網關傳送到上位機并顯示預警，實現老師和家長對兒童實時掌握位置信息和身心狀態有效監控及預警，從而使整個監控系統的高效運行。

2 硬件系統設計

2.1 傳感層電路

如圖2所示，傳感層電路由控制芯片CC2530與傳感器互聯組成用來采集兒童體表的數據。其中控制芯片CC2530的P2口與MPX5050/MPXV5050G系列的壓阻傳感器相連，P1口與傳感器DS18B20連接，P0口與STM32的PC4口連接，CC253O芯片外接耦合電容、電感、配備天線組成的濾波電路使壓力傳感器與溫度傳感器采集的信號具有很高的分辨率確保系統能準確報警。傳感器模塊通過接在兒童身體上的導聯線可以有效采集兒童生理數據而不影響兒童活動。

圖2 傳感層控制芯片電路Fig.2 Sensing layer control chip circuit

2.2 數據處理模塊電路

數據處理模塊電路的作用是將傳感器采集到的信號進行放大，以便于處理器接收。采集的信號源所用阻抗較大，環境噪聲對其影響較大，因此要求其具有高增益與低噪聲的特征[4-8]。如圖3所示，數據處理模塊電路選用運放AD620作為放大電路，AD620芯片的Pin_3與R2連接再與傳感層控制芯片CC2530的Pin_4連接，Pin_6與R4連接再與主機系統的STM32芯片的PC3口連接，R3是在AD620之間所接的電阻，這種電阻精度非常高，達到了0.01可以有效地抑制噪聲且具有合適的帶寬，符合本系統要求的低噪聲的性能。

圖3 采集信號放大電路Fig.3 Acquisition signal amplifier circuit

2.3 通信網絡層電路

通信網絡層主有要由傳感層的控制芯片CC2530和主機系統中STM32的PHY（物理接口收發器）芯片CC2530利用其自帶的收發功能并采用ZigBee協議進行短距離的無線網絡通信和利用STM32主機系統外擴4G無線通信模塊、GPS定位模塊來實時掌握位置信息和實現數據快速傳輸將數據傳送到上位機并顯示預警的遠距離的無線網絡通信。如圖4所示，RESET_LN引腳與CC2530芯片上的Pin_20相連，R1電阻和C14電容構成了低電平復位電路，確保了STM32主機系統中電路穩定可靠工作。STM32F4內部自帶網絡MAC控制器，該電路選擇的是CC2530芯片作為STM32F4的PHY芯片，其中CC2530芯片的P0口與STM32的PC4口連接，同時CC2530提供數字化電路所需的控制信號和數據交互，系統下位機采集環境信息，將信息通過網關發送給上位機。4G無線通信模塊選用SIM7100，GPRS導航定位模塊選用UBLOX的NEO-6M，其支持4G網絡且向下兼容3G/2G網絡，通信速率在50 Mb/s到100 Mb/s之間[9-16]。其中，SIM7100串口收發管腳的RXD和TXD管腳分別與STM32串口1的TXD1和RXD1相連，NEO-6M的RXD和TXD管腳分別與STM32串口2的TXD2和RXD2相連，RF-IN外接天線，以實現對校內多個兒童的定位檢測與監控。

圖4 網絡通信層電路Fig.4 Network communication layer circuit

2.4 USB轉串口電路

如圖5所示，該系統PC上配備串口較少，選USB轉串口電路，提供USB和串口的橋轉換[3-6]。通過轉串口電路，將上位機的USB接口與硬件平臺連接并進行通信，并利用串口下載軟件和轉串口電路自動選擇啟動模式下載代碼到芯片中進行程序的燒寫工作。

圖5 USB轉串口電路Fig.5 USB to serial port circuit

2.5 電源模塊電路

如圖6所示為電源模塊電路，數據處理模塊工作電壓是3.3 V，而傳感器工作電壓一般在5 V，電源需要經過電壓轉換才能給系統供電[7-10]。利用MC7805芯片輸出穩定的5 V電壓和AMS1117芯片輸出穩定的3.3 V電壓。

圖6 電源模塊電路Fig.6 Power module circuit

3 軟件設計

如圖7所示為主程序工作流程，本文采用了模塊化編程思想，將各個模塊單獨編程后再進行統一添加。系統程序設計包括主機系統程序設計、通信網絡模塊、生理數據采集模塊等。將STM 32開發版上電并初始化，包括對系統的時鐘、GPIO管腳、系統內部中斷與外部中斷、定時器以及串口等的初始化即STM32通過串口發送AT命令對其進行初始化，然后從E2PROM中得到系統與傳感器所需要的各種參數。

圖7 主程序工作流程Fig.7 Work flow chart of the main program

4 實驗測試及分析

電源模塊的測試將5 V電源與MC7805的輸入端連接，將3.3 V與AMS1117輸入端連接，把萬用表打到20 V的測量檔，而后分別測量的輸出端電壓。將測試結果與實際需求對比，此電源模塊可以滿足系統需要。

系統的預警準確性與及時性測試體溫每升高1℃，心率可增快10～15次/min，將采集到的實時生理數據經過該系統的處理后與歷史的數據進行比較，如表1所示，數據表明在采集的兒童生理參數范圍內能夠本系統快速有效的進行預測報警。

表1 采集數據與歷史數據比對報警表Tab.1 Alarm table of data collection and historical data comparison

經過系統傳感器感知的數據為x′，y′，實際數據為x，y，生理數據感知的誤差率為

對10個兒童進行了數據采集與分析代入得每個兒童的平均誤差基本在0.2以內，對每個兒童的平均誤差率為0.001，這種誤差能夠滿足系統高精度的要求。

5 結語

本文主要分析了當前物聯網的體系架構在兒童監管系統上的工程實踐，提出將物聯網的數據傳感層、網絡通信層二層體系進行有機結合，并針對采集的信號要具有高增益與低噪聲的特點，提出采用AD620作為放大電路可以有效地抑制噪聲且具有合適的帶寬，符合本系統要求的低噪聲的性能，大幅度增強了信號強度從而使系統具有高效性。