基于物联网技术的幼儿园儿童监管系统设计

杨 帆 ，宋开怀

（1.武汉工程大学 电气信息学院，武汉 430073；2.湖北省视频图像与高清投影工程技术研究中心，武汉 430073）

幼儿园是培育祖国花朵与未来的地方，天真好动的儿童几乎对周围事物都充满了好奇心和探索欲。由于幼儿阶段的儿童自主意识弱且缺乏基本的安全防范意识。因此，幼儿园儿童最容易出现安全隐患，提高幼儿园安全管理效率是学校和社会需要共同关注和面临的问题[1-3]。很多受害儿童都是由于救援迟缓或者没有及时联系到救援，教师和家长得不到及时的信息，也让儿童有遭遇二次伤害的危险，造成更大的伤害，引发恶性事件突发，为了有效提高幼儿园安全管理效率引入物联网技术手段构建二层体系结构的幼儿园儿童智能监管系统。

1 幼儿园儿童监管系统设计

图1 儿童监管系统结构图Fig.1 Structure of the child supervision system

如图1所示，本系统的硬件包括STM32主机系统、传感层电路、数据处理模块、通信网络层电路、USB转串口电路。STM32芯片和复位电路、时钟电路、电源模块电路、CC2530电路模块等一起组成了STM32主机系统，传感层电路采集儿童体表的生理数据信号经过数据处理模块电路进行放大后预处理并提取特征参数发送给主机系统并做初步的判断，最后将初步判断结果通过网关传送到上位机并显示预警，实现老师和家长对儿童实时掌握位置信息和身心状态有效监控及预警，从而使整个监控系统的高效运行。

2 硬件系统设计

2.1 传感层电路

如图2所示，传感层电路由控制芯片CC2530与传感器互联组成用来采集儿童体表的数据。其中控制芯片CC2530的P2口与MPX5050/MPXV5050G系列的压阻传感器相连，P1口与传感器DS18B20连接，P0口与STM32的PC4口连接，CC253O芯片外接耦合电容、电感、配备天线组成的滤波电路使压力传感器与温度传感器采集的信号具有很高的分辨率确保系统能准确报警。传感器模块通过接在儿童身体上的导联线可以有效采集儿童生理数据而不影响儿童活动。

图2 传感层控制芯片电路Fig.2 Sensing layer control chip circuit

2.2 数据处理模块电路

数据处理模块电路的作用是将传感器采集到的信号进行放大，以便于处理器接收。采集的信号源所用阻抗较大，环境噪声对其影响较大，因此要求其具有高增益与低噪声的特征[4-8]。如图3所示，数据处理模块电路选用运放AD620作为放大电路，AD620芯片的Pin_3与R2连接再与传感层控制芯片CC2530的Pin_4连接，Pin_6与R4连接再与主机系统的STM32芯片的PC3口连接，R3是在AD620之间所接的电阻，这种电阻精度非常高，达到了0.01可以有效地抑制噪声且具有合适的带宽，符合本系统要求的低噪声的性能。

图3 采集信号放大电路Fig.3 Acquisition signal amplifier circuit

2.3 通信网络层电路

通信网络层主有要由传感层的控制芯片CC2530和主机系统中STM32的PHY（物理接口收发器）芯片CC2530利用其自带的收发功能并采用ZigBee协议进行短距离的无线网络通信和利用STM32主机系统外扩4G无线通信模块、GPS定位模块来实时掌握位置信息和实现数据快速传输将数据传送到上位机并显示预警的远距离的无线网络通信。如图4所示，RESET_LN引脚与CC2530芯片上的Pin_20相连，R1电阻和C14电容构成了低电平复位电路，确保了STM32主机系统中电路稳定可靠工作。STM32F4内部自带网络MAC控制器，该电路选择的是CC2530芯片作为STM32F4的PHY芯片，其中CC2530芯片的P0口与STM32的PC4口连接，同时CC2530提供数字化电路所需的控制信号和数据交互，系统下位机采集环境信息，将信息通过网关发送给上位机。4G无线通信模块选用SIM7100，GPRS导航定位模块选用UBLOX的NEO-6M，其支持4G网络且向下兼容3G/2G网络，通信速率在50 Mb/s到100 Mb/s之间[9-16]。其中，SIM7100串口收发管脚的RXD和TXD管脚分别与STM32串口1的TXD1和RXD1相连，NEO-6M的RXD和TXD管脚分别与STM32串口2的TXD2和RXD2相连，RF-IN外接天线，以实现对校内多个儿童的定位检测与监控。

图4 网络通信层电路Fig.4 Network communication layer circuit

2.4 USB转串口电路

如图5所示，该系统PC上配备串口较少，选USB转串口电路，提供USB和串口的桥转换[3-6]。通过转串口电路，将上位机的USB接口与硬件平台连接并进行通信，并利用串口下载软件和转串口电路自动选择启动模式下载代码到芯片中进行程序的烧写工作。

图5 USB转串口电路Fig.5 USB to serial port circuit

2.5 电源模块电路

如图6所示为电源模块电路，数据处理模块工作电压是3.3 V，而传感器工作电压一般在5 V，电源需要经过电压转换才能给系统供电[7-10]。利用MC7805芯片输出稳定的5 V电压和AMS1117芯片输出稳定的3.3 V电压。

图6 电源模块电路Fig.6 Power module circuit

3 软件设计

如图7所示为主程序工作流程，本文采用了模块化编程思想，将各个模块单独编程后再进行统一添加。系统程序设计包括主机系统程序设计、通信网络模块、生理数据采集模块等。将STM 32开发版上电并初始化，包括对系统的时钟、GPIO管脚、系统内部中断与外部中断、定时器以及串口等的初始化即STM32通过串口发送AT命令对其进行初始化，然后从E2PROM中得到系统与传感器所需要的各种参数。

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

4 实验测试及分析

电源模块的测试将5 V电源与MC7805的输入端连接，将3.3 V与AMS1117输入端连接，把万用表打到20 V的测量档，而后分别测量的输出端电压。将测试结果与实际需求对比，此电源模块可以满足系统需要。

系统的预警准确性与及时性测试体温每升高1℃，心率可增快10～15次/min，将采集到的实时生理数据经过该系统的处理后与历史的数据进行比较，如表1所示，数据表明在采集的儿童生理参数范围内能够本系统快速有效的进行预测报警。

表1 采集数据与历史数据比对报警表Tab.1 Alarm table of data collection and historical data comparison

经过系统传感器感知的数据为x′，y′，实际数据为x，y，生理数据感知的误差率为

对10个儿童进行了数据采集与分析代入得每个儿童的平均误差基本在0.2以内，对每个儿童的平均误差率为0.001，这种误差能够满足系统高精度的要求。

5 结语

本文主要分析了当前物联网的体系架构在儿童监管系统上的工程实践，提出将物联网的数据传感层、网络通信层二层体系进行有机结合，并针对采集的信号要具有高增益与低噪声的特点，提出采用AD620作为放大电路可以有效地抑制噪声且具有合适的带宽，符合本系统要求的低噪声的性能，大幅度增强了信号强度从而使系统具有高效性。