基于ZigBee的儿童定位监护系统的设计

郑州大学西亚斯国际学院　张　军　李锐君　陈　娟



基于ZigBee的儿童定位监护系统的设计

郑州大学西亚斯国际学院张军李锐君陈娟

【摘要】针对目前幼儿园儿童安全管理的问题，文章以CC2430/CC2431芯片作为核心系统模块，设计了无线定位网络中的参考节点、定位节点和网关节点原理框图，给出基于RSSI的混合定位算法流程，设计基于ZigBee的儿童定位监护系统，设置儿童定位与监护、家长安全接送和报警等功能。

【关键词】定位节点；网关节点；混合定位算法

0　引言

安全重于泰山，幼儿园的头等大事就是安全工作，现在社会迅速发展，不安定因素日渐增多，另外，由于幼儿园儿童年龄的特点所决定，他们缺乏日常生活经验，往往无法判知和感觉到危险的来临，是极易发生危险并受到伤害的年龄。因此，建立一套儿童实时定位系统，实现幼儿园内实时定位、安全保障，监护其身体状况，家长接送匹配等功能，对提升幼儿园整体安全监护管理水平，促进全民信息化建设有非常重要的意义。

1　系统方案设计

1.1设计思路

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，具有低功耗、低成本、低速率、短时延及安全性高等特点[1]。所以，文章将ZigBee无线传输技术应用到幼儿园儿童定位监护系统中，组成一个多跳点的无线自组织定位监护网络。其主要组成部分有网关（协调器）节点、定位节点、参考节点、主机等应用软件，如图1所示。

图1　儿童定位监护系统图

其中，网关节点与参考节点均由全功能设备（FFD）构成，定位节点由简化功能设备（RFD）构成。网关节点与参考节点通信距离可达200m，参考节点与定位节点之间通信距离可达60m，易实现多点之间的快速组网。

1.2系统功能及实现过程

（1）在幼儿园儿童活动空间场所的适当位置，布置若干定位网络的参考节点，采用CC2430模块，作为网络的路由选择节点，为系统提供路由及数据传输功能。而网关节点的作用，可以通过设置在教学楼内的若干个协调器节点来实现，采集ZigBee无线数据信号，并由计算机网络传输到监控中心终端PC上。

（2）幼儿教师和家长分别配带卡片标签，儿童配带腕表标签，分别作为辨识身份的定位节点，采用CC2431模块内置的定位引擎，在终端PC数据库中，记录儿童（或老师）的相关信息。儿童腕带具有发热检测传感器，实时监测该儿童体温，家长所带卡片标签要与该儿童腕表标识进行匹配，才能接走孩子。

（3）当儿童活动到某些参考节点范围时，将启动定位节点的内置定位引擎进行识别；该儿童的身份号码和定位监护信息将会经路由节点传输到网关节点，并最终传输到终端数据库。在定位节点上设置紧急呼叫按钮，并于当地110报警中心联网，以便幼儿园相关儿童遭遇突发事件时，可以紧急呼叫，以获得来自警方的支援。

2　硬件设计

2.1定位节点设计

（1）儿童腕表标签

腕表标签由儿童佩戴在手腕上，属于有源电子标签，起到定位监护的作用。采用CC2431芯片制成，工作在2.4GHz ISM频段，其方框如图2所示。采用高强度的防水耐磨ABS塑料封装，外形电子表状；并内置防拆回路，如被暴力破坏，腕表标签会发送报警信息。

（2）教师与家长卡片标签

卡片标签由教师与家长胸前佩带，与腕表标签配套使用。此RFD设备与儿童腕表标签的工作原理基本相似，方框如图2所示。外部形状如卡片，设置有紧急求助按钮，如遇突发事件，可随时向监护中心报告。

图2　参考节点/定位节点原理框图

2.2参考节点设计

在需要无线信号覆盖的区域安装固定的参考节点，属于FFD设备，用于采集定位节点产生的信号，上传给网关节点。采用铸铝材料制作的成品封装，具有防雨、防静电作用，内部采用CC2430芯片作为核心模块，其原理框图如图2所示。多个参考节点之间构成级联无线自组织网，与网关节点之间的通信距离可达1000m。一般8个参考节点组成一个定位覆盖区域，系统完成定位功能需要3至4个参考节点。

2.3网关节点设计

网关节点属于FFD设备，安装在幼儿园的监护中心内，采用与参考节点相同的铸铝材料进行封装，内部核心模块采用CC2430芯片，负责数据处理，采用SIP3223芯片进行参考节点上传的数据采集，与主机通信的任务由CAN控制器及收发器负责，设计能进行四向操作的键盘，其原理框图如图3所示。

图3　网关（协调器）节点原理框图

其中网关起到桥接作用，能够发布管理节点的监测任务，可以实现计算机网与无限自组织网之间协议的转换与数据的交换，并将接收到的数据传输到外网上。

3　混合定位算法

在传统的定位算法中，根据无线定位机制的不同，分为两种类型：基于测距的定位算法[2]；无需测距的定位算法[3]。在基于RSSI测距的无线定位算法中，接收信号强度RSSI的值可根据下式得到：RSSI=-(10n.lgd+A)，由此式可看出接收信号强度是发收距离和发射功率的函数。其中发收距离用d表示；信号传播指数用n表示，也称传播常量；单位距离（1m）接收到的信号强度用A表示。由式中可以得到，无线信号的衰减和距离成对数的关系，利用此关系式可进行定位计算。

在原有的算法中，当传输距离d较小时，由RSSI值的偏差引起的距离误差也比较小；若传输距离增大到某一值时，误差也会变得很大，即误差与传输距离d有特定关系。所以，在采用无线定位算法时，可以设置一个距离D作为门限值，当传输距离d小于门限D时，采用一种定位算法；反之，采用另一种定位算法，如此就可以减小距离误差，提高定位精度。根据此原理提出的基于RSSI测距的混合定位算法流程如图4所示。

图4　定位算法流程图

由算法流程图可以看出，当d小于D时，启动曲线拟合定位算法，修正通信距离d值；反之启动信号强度分布定位算法，也对d值作出修正。其中D可通过现场实际测量获得，MN是定位节点，BN是参考节点。由于优化的混合定位算法是根据RSSI波动规律进行的，定位精度高，而且运算量较小。所以将CC2431原定位引擎改进成混合定位算法，有效的提高了定位精度，在儿童定位监护系统中得到应用。

4　结束语

儿童定位监护系统主要采用CC2430/CC2431射频模块芯片，是无线自组网与有线网络相结合的组网模式，能够有效的提升幼儿园管理水平，实现儿童定位监护等功能，达到了预期的实用价值。虽然无线定位技术在多种环境下都有应用，但是，由于室内无线信号传播的复杂性，人的活动空间还存在墙体阻隔[4]、多径衰落等因素，无线定位技术的应用在很大程度上受到限制；这有待于我们深化对幼儿园管理系统的理解，以及今后通信技术的不断发展，必将会提高无线定位技术的实际应用。

参考文献

[1]李文仲.ZigBee2006无线网络与无线定位实战[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008:20-45.

[2]孙佩刚,赵海,罗玎玎,等.智能空间中RSSI定位问题研究[J].电子学报,2007,35(7).

[3]唐炜,郑小林,干红华,等.基于运动估计的ZigBee无线网络定位方法[J].计算机工程,2010,36(20).

[4]王洋,王忠.基于CC2431的无线定位系统[J].通信技术,2009,42(9).

张军（1979—），男，河北枣强人，硕士，郑州大学西亚斯国际学院电子信息工程学院讲师，研究方向：无线通信网络及物联网技术。

作者简介：

基金项目：河南省科技厅科技攻关项目（152102210344）；河南省科技厅科技攻关项目（152102310367）。