一种基于RFID技术的幼儿园监控系统

李　志

(重庆第二师范学院 数学与信息科学系，重庆 400065)



一种基于RFID技术的幼儿园监控系统

李志

(重庆第二师范学院 数学与信息科学系，重庆 400065)

为提高幼儿园幼儿安全管理的信息化和自动化水平，减少幼儿安全事故的发生，以射频识别与无线通信方法为基础，设计并实现了一种以RFID射频识别技术与ZigBee 网络融合的系统，系统供电采用压电材料，通过压电效应产生电荷，并通过电源管理电路实现供电。

RFID；Zigbee；幼儿园

每年儿童人数不断增加，幼儿园的安全教育管理问题已经提上日程。怎样保障儿童在幼儿园内得到安全教育并快乐成长成为重要问题。幼儿园儿童监控成为关注对象，如图1所示。利用物联网技术中的RFID射频标签识别技术和ZigBee网络技术智能穿戴设备的监控成为一种新的方法。人工监控和视频监控会出现不同程度的疏漏，引入新技术进行监管成为发展趋势。

图1　幼儿园儿童监管状况

一、 系统概述

本项目设计一种压电混合供能的幼儿园监控系统，将带有压电材料的监控装置放置在婴幼儿鞋中，利用走动将人体能量转化为电能。根据压电材料输出特性设计针对输出电压大、电流小的电源管理电路。经过电源管理电路的匹配处理实现对有源RFID标签进行供电，从而达到替换电池的效果。

幼儿身份识别利用成熟的RFID技术，在监控装置中安置有源RFID标签，当进入RFID阅读器范围时，进行标签ID识别和认证。RFID阅读器配合低功耗的ZigBee无线传感网络技术，在园区内科学设置、安装固定式或移动式RFID 读写器，达到对幼儿实时监控的状态。

如图2所示为本安全系统原理图，结构组成为包含有源高频的RFID标签、RFID阅读器、GPRS短信模块、后台服务器。

工作原理：通过RFID 读取器感应不同的RFID 卡，对持卡者进行身份识别。将身份信息和位置信息通过ZigBee网络传输，汇聚到协调器，然后通过协调器传给嵌入式网关中，通过ARM芯片处理后传输学童所在的位置及其他信息给服务器。同时GPRS模块会将消息发送给每个家长和管理人员，达到实时安全监管的效果。

图2　幼儿园安全系统原理

二、系统组成

(一)RFID阅读器节点

RFID阅读器主要包含两个部分，ZigBee模块和PA功率放大器。如图3所示，ZigBee模块采用CC2530模块，工作频率为2.4G。CC2591的输出功率高达22dBm，集成了开关,匹配网络和平衡/不平衡电路, 电感，功率 放大器 (PA)以及低噪音放大器(LNA),可以用在所有的2.4GHz ISM系统。硬件通过P1_1口连接PA_EN端，P1_4口连接EN端，P0_7连接HGM端。

图3　RFID 阅读器结构图

阅读器在ZigBee网络中处于路由器的角色，主要负责协助子节点进行通信，完成对电子标签的识别。阅读器既可固定，又可手持，适用于园内、园外学习活动的场合，工作于ZigBee 联网状态或脱网状态，其硬件主要包括主控制模块、射频收发模块、键盘及显示模块、实时时钟模块、通信接口模块、扩展存储模块及电源系统等，读写器在某一区域内完成对电子标签相关信息的采集和显示，相应数据既可通过ZigBee 网络传送到上位机进行相应的处理及应用，也可先直接储存于读写器的存储器中，再通过USB、RS232通信接口下载或发送给上位机。

(二)嵌入式网关

嵌入式网关采用三星公司的Cortex-A8系列SPV210，S5PV210采用了ARM CortexTM-A8内核，ARM V7指令集，主频可达1GHZ，64/32位内部总线结构，32/32KB的数据/指令一级缓存，512KB的二级缓存。选择Qt/Embedded作为图形用户界面开发工具，操作系统选用Linux-2.6.35，通过串口和ZigBee网络中的协调器进行数据通信，处理ZigBee网络传过来的身份信息，并将报警信息通过GPRS模块发送给服务器或者管理人员。同时能够利用10寸液晶进行幼儿状态和所处位置的显示，还可以存储6000多个幼儿信息和身份资料，包含家长、班级以及住址等。

阿里朝门口望了望，想说什么，又望望阿东，却没敢说。他怕阿东吼他，也怕阿东哭。这个时候，该是妈妈过来摸他的头，对他说：“乖，阿里，做个好梦。”

(三)GPRS模块

GPRS模块选用M35，M35是全球最小的四频GSM/GPRS模块，尺寸仅为19.9×23.6×2.65mm。接口为串口，通过TX和RX以及VDD、GND四根线完成与嵌入式网关的连接。程序书写采用串口AT指令发送方式。

(四)WEB服务器

WEB服务器择采用目前最为成熟的Apache+PHP+Mysql的组合来构建的幼儿监控系统。系统采用Browser/Server/Database的3层体系结构，利用Mysql实现数据库服务器，利用web浏览器作为客户端。服务器处理嵌入式网关发送的幼儿信息，并进行数据库存储，幼儿园监控中心或者家长可以通过网页进行远程登录实时查看幼儿信息。

(五)嵌入式压电模块

图4所示为嵌入式压电模块方框图，其中嵌入式压电模块由压电材料、超级电容、电源管理电路组成。

图4　压电供电模块方框图

三、系统设计

(一)嵌入式网关设计

采用QT进行界面设计，具备良好的封装机制、signal/slots安全类型、丰富的应用程序编程接口等优势，程序采用模块化设计。分为登陆界面、RFID学生信息管理界面、学生实时定位管理界面。

登陆界面主要负责账号和密码设计，如图5所示，登录验证通过后台的SQlite数据库进行验证，如果用户密码一致，则进入主界面。同样提供管理用户的权限，可以增删用户，改变用户权限。

图5　幼儿园定位系统登录管理界面

有源RFID标签识别学生基本信息显示管理界面如图6所示，通过识别每个幼儿鞋上的RFID标签，可以查看到具体班级信息、入学时间、民族、籍贯、家庭住址等。

图6　幼儿园定位系统RFID信息界面

幼儿园实时定位管理界面如图7所示，通过RFID对幼儿进行识别，可以得到幼儿的大体位置，然后通过ZigBee自带的定位引擎可以发送相关精确位置参数，通过算法进行处理，将最后的数据位置信息通过ZigBee无线网络传递到嵌入式网关中。用户点击具体学生名字，可以通过右边地图实时查看到用户所在位置。

(二)Zigbee网络程序

ZigBee网络程序，启动完成Z-stack协议栈网络初始化，协调器建立网络，路由器和终端节点加入网络，并发送和处理绑定命令，协调器与各节点进行通信；读写器读写标签数据通过ZigBee 网络传送，写入终端节点或上传上位机( 服务器)，上位机判断标签合法性并做处理。ZigBee 网络节点上的嵌入式软件采用IT 公司的Z-stack 协议栈，并在其应用层上开发程序，完成网络的建立及路由或标签的入网，建立通信链路。

四、结语

本设计实现了压电式供电方式，延长了系统电气部分的寿命，无需市电供电，安装方便，增加了有源电子标签的便携性。设计相应低功耗电源管理系统，利用超级电容长期充电，反激式瞬放电路瞬间放电为ZigBee模块提供电源。利用RFID和ZIGBEE中的定位技术，实现数据传输和定位，建立了以幼儿学童为中心的主动式管理系统。

图7　幼儿园实时定位管理界面

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[责任编辑刘江南]

2016-04-12

重庆第二师范学院校级青年项目“一种压电功能的幼儿园监控穿戴系统”( KY201544C); 重庆市教委科学技术研究项目(No. KJ1401413)

李志(1984— )，男，四川遂宁人，硕士，助教，研究方向：嵌入式、无线传感网络、物联网技术。

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1008-6390(2016)05-0164-04