兒童中小范圍安全的智能警報系統設計

(武漢商學院信息工程學院 湖北 武漢 430056)

引言

近年來，兒童中小范圍的安全事故頻發，電插座、藥箱、灶臺、陽臺、開水機、電梯、水邊等處對幼兒都存在著極大的安全隱患，往往家長在孩子附近，也會發生兒童安全事故。由于兒童的生理發育不成熟，行為意識不成熟，也不能象成年人可以進行安全知識教育，故需要借助外力對兒童進行管理。

在2018年中國少年兒童安全自護能力調查報告的數據中，兒童安全自護能力不高，全國僅73分，同時在中小范圍的安全，如居家安全，學齡前兒童對安全知識掌握程度僅29.5%。兒童的生理發育并不成熟，難以主觀判斷部分行為是否危險，故兒童室內安全問題成為亟待解決的兒童安全問題。

市場上同類兒童安全產品都是對稍大年齡的孩子位置的監控、一鍵求救等功能，針對家長和老師附近的中小范圍安全的兒童安全產品尚屬空白，急需一套兒童中小范圍安全的智能警報系統給以解決。

一、市場同類產品分析

(一)小天才。小天才是專注中國兒童市場，提供引領兒童時尚潮流的智能產品的品牌。目前旗下產品有：電話手表、兒童平板、寶貝電腦以及早教機。其中與兒童安全關聯較大的是電話手表，軟硬件相結合，利用“小天才”App對手表進行一定控制。可以與孩子實時通話聊天、進行一鍵定位、一鍵求救以及拒絕陌生來電等功能。小天才品牌是發展較完善的品牌，注重于兒童的教育、防走失以及防拐騙等方面，但是對于其他方面考慮的并不多，功能和服務也還有可以完善的地方。

(二)神兔俠。它是利用“互聯網+”為兒童提供長期持續安全監控產品和高科技云服務平臺的一種創新模式。神兔俠的事前預防可利用微型定位器監控孩子的位置，防止孩子離家長過遠，并兒童安全專家入駐App，通過“線上安全教育”加強重視。兒童走失時立即開啟“五公里緊急預警機制”，并且通過眾多社會資源，如商場LED屏幕等。設立地方辦事處，提供第一時間的線下幫助。神兔俠是一個發展基本完善的關注兒童走失的網站，也結合有軟件與硬件設備，深入兒童走失領域，聚集科技力量和公益力量，保護兒童安全，但目前的宣傳推廣力度不大，并且發展方面較單一。

(三)阿布跑跑。它是一款家長端應用程序，設計用于兒童和家長，有硬件和軟件。硬件主要包括孩子腳底穿的智能鞋墊，家長或老師可以通過應用程序與之連接，從而定位孩子的位置和日常軌跡頻率。主要發展也是關注兒童的定位，防止兒童走丟，并且軟件的功能不夠完善，市面推廣力度不大，普及率低。

二、相關技術

(一)便攜式傳感器。傳感器用來采集所感知的信息，并轉變為電信號，可通過網絡輸出到后臺進行處理。便攜式傳感器方便攜帶，也能對目標的數據信息實現實時的采集，本文中設計的便攜式傳感器是一種磁敏元件，通過對感知節點的磁場強度感應，不斷采集目標的位置數據信息，并將采集到的信息上傳給后臺進行安全距離判斷，最終用戶可以通過移動數據終端實時觀察到目標的位置信息，以及與周圍感知節點的距離。

(二)無線傳感網。無線傳感網由許多傳感器節點、傳感網協議組成。ZigBee、Lora、藍牙技術等都可以組成無線傳感網。其優點是不需事先布網、簡單、省電、小型化，能夠自動組網，且當其中節點失效時網絡能夠自愈，且廠家提供有成熟的協議棧供開發者調用。基于這些優點，可以采用ZigBee節點連接傳感器、感知節點，布置在室內的相應位置，安裝組成簡單；滿足數據傳輸的相關要求；網絡穩定；成本較低；數據傳輸效率高，是作為室內安全測距系統無線傳輸數據節點較好的選擇。

(三)危險區域感知節點。大多數感知節點是通過數據芯片操縱，用以感知周圍實物物理信息的入口。所有物聯網中的感知節點都有一個共同的特點，即它們被安裝了感知芯片或設備，具有自動感知外部環境變化和通信能力。本文提到的感知節點主要設置成標簽的形式，用戶可根據實際情況，將微型感知節點放置在指定的地方，傳感器利用傳感網技術識別感知節點的放置位置，從而采集目標與感知節點的距離信息，并上傳移動數據終端。基于傳感節點具有微型化，智能化，對應目標專一化等特點，所以極其適合用作數據采集的入口。

三、系統總體結構設計

系統主要采用無線傳感器網絡技術，通過系統終端設備中的各類傳感器來采集目標的位置信息以及與感知節點的距離信息，同時通過無線傳感網絡將數據傳輸給系統后臺進行分析，以此來避免兒童因無意識行為遇到危險，保障兒童的人身安全。同時，用戶可以通過用戶移動終端設備實時觀察目標距離感知節點的距離。系統總體架構如圖所示。

圖1 總體結構圖

四、功能設計

(一)模塊設計。自上而下為四層的，即用戶界面層、用戶功能層、中間件層和操作系統層的分層結構，具體設計結構如圖3-1所示。

圖2 功能結構

(二)移動端界面設計。當用戶登錄APP后，可后臺運行，多個距離測控設備可同時在線，用戶可點擊打開任意一個感知節點，目標與感知節點的距離直接在App上顯示。同時也可根據自身實際情況設置數據警告范圍，當超過測控距離達到一定警告范圍時，警報等級由綠色上升為黃色，并向用戶發送黃色預警消息提示，而當目標進一步靠近感知節點，警報等級由黃色上升為紅色，并向用戶發出彈窗和響鈴來通知用戶采取相應的措施。

圖3 App界面登錄 圖4 移動數據端訪問

圖5 定位功能 圖6 安全咨詢

五、結束語

市場上同類兒童安全產品功能多為對孩子位置監控、一鍵求救、防走失等功能，針對中小范圍安全的兒童安全產品的空白，本文提出了兒童中小范圍安全的智能警報系統的設計，主要采用無線傳感網絡技術，通過便攜式的傳感節點來采集兒童相距危險區域的位置信息，并能根據實際情況向家長或老師所持的移動終端提供對應的警報等級，達到智能化安全警報的效果，能極大地減小兒童在家長或老師附近中小范圍安全事故發生的頻率。