在我國由于實行計劃生育政策，大部分孩子都是家里的獨生子女，是父母的掌上寶和希望。但是幼兒年齡階段的孩子對外界的新鮮事物充滿了好奇心，缺乏自我保護能力[1]，這就給一些不法分子提供了乘虛而入的機會，制造了一系列冒領(lǐng)、錯接、拐騙和綁架等兒童安全事故[2]，引起了社會的關(guān)注。所以確保幼兒園兒童在接送環(huán)節(jié)中的安全是一項重要的工作，它關(guān)乎千萬家庭的幸福和安寧。

　　摘 要： 針對幼兒園在兒童接送管理方面存在的冒領(lǐng)、錯接、拐騙和綁架等安全問題，設(shè)計了一種基于ZigBee的幼兒園無線指紋識別接送系統(tǒng)。系統(tǒng)分別獲取接送人員和兒童的指紋與事先錄入指紋庫中的指紋模板進行比對，如果匹配成功，則將匹配信息通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)上傳給服務(wù)器，同時通過GSM短消息提醒模塊通知兒童的家長;而對于那些企圖進行冒領(lǐng)的不法分子，節(jié)點會發(fā)出報警信息，提醒門衛(wèi)立即采取措施。另外，還設(shè)計了可移動的巡邏節(jié)點，以保證幼兒園環(huán)境的安全。該系統(tǒng)結(jié)合ZigBee技術(shù)和指紋識別技術(shù)，能有效地解決幼兒園在兒童接送管理方面存在的問題，給兒童的安全提供了一種有力的保護措施。

　　關(guān)鍵詞： 教育學(xué)文摘期刊,ZigBee,指紋識別,GSM,接送系統(tǒng)

　　Design of ZigBee?based wireless fingerprint recognition picking?up

　　and dropping?off system of kindergarten

　　CHEN Wei?li1， CHEN Xiang?dong1， LI Zhi?xia2

　　(1. School of Information Science and Technology， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China;

　　2. Foreign Trade and Business College， Chongqing Normal University， Chongqing 401520， China)

　　Abstract：In view of the safety issues existing in children′s picking?up and dropping?off management of kindergartens， such as impersonator， picking up kids by mistake， kidnapping and abduction， a ZigBee?based wireless fingerprint recognition system for picking up and dropping off children of kindergarten were designed. It acquires the surrogate′s and children′s fingerprints， and then compares them with fingerprint templates in the fingerprint database that have been gathered before. If the matching is successful， it will transfer the matching information to the coordinator through the ZigBee wireless network， and inform the children′s parents simultaneously by means of the GSM short message reminder module. The node will send out an alarm to remind the guard to take an immediate measure when the criminals attempt to impersonate one kid. In addition， a patrolling node is designed to ensure the safety of kindergarten environment. In combination with the ZigBee technology and the fingerprint recognition technology， the system can solve the above problems effectively and provide a powerful protective measure for the children going to kindergarten.

　　Keywords： ZigBee; fingerprint recognition; GSM; picking?up and dropping?off system

　　0 引 言

　　長期以來，雖然幼兒園都在致力于加強這個環(huán)節(jié)的管理，也采取了一些可行的措施，比如信息接送卡、IC卡等，但結(jié)果還是不盡人意，兒童安全事故還是頻頻發(fā)生，其共同缺點是信息容易泄露和偽造[2?3]，對接送人員和出入幼兒園人員身份的識別不能達(dá)到準(zhǔn)確無誤，這就給兒童的安全留下了隱患。為了解決以上問題，設(shè)計了基于ZigBee的幼兒園無線指紋識別接送系統(tǒng)。將目前國內(nèi)外成熟的ZigBee技術(shù)和指紋識別技術(shù)結(jié)合在一起應(yīng)用于幼兒園兒童接送管理方面，不僅可以提高身份識別的準(zhǔn)確性和可靠性，有效地避免幼兒園在兒童接送管理方面存在的安全隱患，而且與傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸方式相比，系統(tǒng)具有布線簡單、維護方便、低功耗、低成本和可遠(yuǎn)程控制等特點。 　　1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與工作流程

　　幼兒園無線指紋識別接送系統(tǒng)主要由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、GSM短消息提醒模塊和上位機三部分組成。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)由指紋識別接送節(jié)點、巡邏節(jié)點、路由器和協(xié)調(diào)器四部分組成;GSM短消息提醒模塊負(fù)責(zé)通知家長兒童的接送情況;上位機包括數(shù)據(jù)庫和動態(tài)網(wǎng)頁顯示兩部分。具體的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

　　為了提高接送的效率，指紋識別接送節(jié)點是按照班級區(qū)分安裝在大門處的。當(dāng)有接送人員前來接送某位兒童時，首先通過指紋識別，對接送人員的指紋與事先錄入指紋庫中的指紋模板進行比對，如果匹配成功，則表示該接送人員可以申請接送某位兒童，并且將匹配信息通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)上傳給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，獲得存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中與之對應(yīng)的兒童的信息;如果匹配失敗，則表示該接送人員不能接送某位兒童或者為操作錯誤，可重新嘗試。在此過程中，如果節(jié)點提示為查找不到相應(yīng)的指紋模板信息，則表示為企圖進行冒領(lǐng)的不法分子，節(jié)點會立刻發(fā)出報警信號，提醒門衛(wèi)采取措施。然后，被接送的兒童也采集自己的指紋與指紋庫中的指紋模板進行比對，如果匹配成功，則將匹配信息通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)上傳給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，獲得存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中自己的信息。最后，將兩次獲得的兒童信息進行一一比對，如果信息都匹配成功，則表示接送人員可以接送該兒童了，同時將接送信息存入數(shù)據(jù)庫中作為記錄，比如接送時間、接送人等，并且通過 GSM短消息提醒模塊通知兒童的家長。

　　當(dāng)幼兒園的保安在園內(nèi)巡邏時，如果發(fā)現(xiàn)可疑人員，可以用巡邏節(jié)點采集其指紋，對其身份進行驗證，如果節(jié)點提示搜索不到對應(yīng)的指紋模板，則表示為可疑人員;同時節(jié)點發(fā)出報警信息，提醒保安采取相應(yīng)措施。

　　另外，系統(tǒng)還采用數(shù)據(jù)庫、Tomcat、Hibernate和Struts2等技術(shù)[4?6]搭建了一個Web服務(wù)器。這樣，管理員、老師和家長都能夠通過Internet實時查看兒童的接送記錄，更加確保了兒童的安全。

　　2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括指紋識別接送節(jié)點、巡邏節(jié)點、路由器和協(xié)調(diào)器4個部分。

　　指紋識別接送節(jié)點的作用是采集接送人員和兒童的指紋進行身份識別，它的硬件部分主要包括CC2530模塊、指紋采集模塊、蜂鳴器、按鍵電路、液晶顯示器和電源等外圍電路。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　圖2 指紋識別接送節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)圖

　　其中，指紋采集模塊采用的是FPM10A指紋采集模塊，它是一款光學(xué)指紋傳感器，與CC2530模塊之間通過串口來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。另外，考慮到 CC2530的I/O口有限，設(shè)計了如圖3所示的按鍵電路。CC2530會根據(jù)內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換器來轉(zhuǎn)換不同按鍵按下時的電壓值，辨別出按下的是哪個按鍵，從而決定進行何種操作。

　　圖3 按鍵電路設(shè)計

　　巡邏節(jié)點的作用是當(dāng)保安在園內(nèi)巡邏時，對可疑人員的身份進行驗證。它的硬件部分與接送節(jié)點基本一致，在此不再詳述。

　　路由器主要作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站。它主要由CC2530模塊、按鍵和電源等3部分組成。

　　協(xié)調(diào)器的硬件部分主要包括CC2530模塊、串口電路、按鍵電路和電源等4部分。它是ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的核心，不僅負(fù)責(zé)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)聽是否有新節(jié)點入網(wǎng)，給新入網(wǎng)的節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址，還匯聚各終端節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，然后通過串口上傳給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

　　3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、GSM短消息提醒模塊和上位機3部分。

　　3.1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點類型主要有指紋識別接送節(jié)點、巡邏節(jié)點、路由器和協(xié)調(diào)器4種。它們都是基于TI公司研發(fā)的Z?Stack協(xié)議棧來開發(fā)的，所以軟件部分的設(shè)計大體相同，只是根據(jù)各節(jié)點特有的功能略有不同。

　　當(dāng)指紋識別接送節(jié)點上電加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，就一直查詢指紋采集按鍵是否被按下，如果被按下，則通過串口向指紋采集模塊先后發(fā)送指紋采集和匹配指令;若匹配成功，則將匹配信息封裝成數(shù)據(jù)包通過路由器和協(xié)調(diào)器上傳給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，同時在液晶顯示器上做出相應(yīng)的提示。其具體的流程如圖4所示。

　　圖4 指紋識別接送節(jié)點流程圖

　　3.2 GSM短消息提醒模塊軟件設(shè)計

　　GSM短消息提醒模塊采用德國Siemens公司推出的新一代無線通信GSM模塊TC35，它主要由GSM基帶處理器、GSM射頻部分、ZIF連接器、電源ASIC和Flash等五部分組成[7]。短消息的發(fā)送功能是通過串口向TC35模塊發(fā)送AT指令來實現(xiàn)的[8]，它的作用是通知家長兒童的接送情況，起到提醒的作用，信息的內(nèi)容可為：“××幼兒園提醒您：您的小孩已于××年××月××日 ××：××：××，被××接走了。”。

　　目前常用的短消息模式有Text(文本)模式和PDU(數(shù)據(jù)協(xié)議單元)模式兩種，其中Text模式只能發(fā)送英文字母和數(shù)字，PDU模式支持中文，但編碼比 Text模式復(fù)雜[9]。由于本系統(tǒng)需要向家長發(fā)送兒童的接送信息，所以采用PDU模式，具體的短消息發(fā)送流程如圖5所示。

　　圖5 短消息發(fā)送流程圖

　　3.3 上位機軟件設(shè)計

　　為了實現(xiàn)系統(tǒng)所需求的功能，結(jié)合數(shù)據(jù)庫、Tomcat、Hibernate和Struts2等技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了基于B/S(瀏覽器/服務(wù)器)模式 [10]的動態(tài)網(wǎng)頁顯示部分。這樣，既讓管理員、老師和家長能夠?qū)崟r查看兒童的接送情況，也使發(fā)生兒童接送安全事故時有據(jù)可查。

　　根據(jù)角色系統(tǒng)，可供3類用戶使用：管理員可以通過網(wǎng)頁查看所有用戶與兒童的基本信息以及兒童的接送記錄，還可以添加/刪除用戶等;老師與家長都可以查看/修改自己的基本信息和查看兒童的接送記錄，只是根據(jù)角色不同，老師查看的是班級所有兒童的，而家長查看的是自己兒童的。另外，家長可以通過網(wǎng)頁為兒童進行網(wǎng)上請假。

　　4 實驗結(jié)果

　　根據(jù)上述設(shè)計，制作了指紋識別接送節(jié)點、巡邏節(jié)點、路由器和協(xié)調(diào)器4種硬件實物。

　　當(dāng)指紋識別接送節(jié)點和巡邏節(jié)點上電完成初始化后，會自動加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，液晶顯示屏顯示“Success”時，表示入網(wǎng)成功;然后節(jié)點會不斷檢測指紋采集按鍵是否被按下，如果被按下，CC2530模塊會通過串口先后向指紋采集模塊發(fā)送指紋采集和匹配指令;在此過程中，模塊上的紅色LED會不停閃爍，表示正在處理中，綠色的LED點亮，則表示這一操作過程完成。

　　接送人員和兒童需要分別通過指紋識別接送節(jié)點采集自己的指紋，然后進行身份識別，并對他們之間的關(guān)聯(lián)信息進行一一比對;若匹配成功，液晶顯示屏上會顯示“Matched”，如圖6所示。

　　同時系統(tǒng)還會通過GSM短消息提醒模塊向家長發(fā)送兒童的接送信息，短消息的內(nèi)容如圖7所示。

　　圖6 兒童接送成功時的顯示信息 圖7 兒童被接走的短消息內(nèi)容

　　對于企圖進行冒領(lǐng)的不法分子，由于指紋庫中沒有存儲其指紋模板，所以當(dāng)其進行冒領(lǐng)時，液晶顯示屏上會顯示“No Record ，Criminal”，同時驅(qū)動蜂鳴器進行報警，提醒門衛(wèi)采取相應(yīng)措施，如圖8所示。

　　當(dāng)保安在園內(nèi)巡邏發(fā)現(xiàn)可疑人員時，可通過巡邏節(jié)點驗證其身份，如果液晶顯示屏上顯示“No Record， Suspicious”，則表示為可疑人員，如圖9所示。

　　圖8 不法分子冒領(lǐng)時的顯示信息 圖9 可疑人員的提示信息

　　管理員、老師和家長都可以通過登錄網(wǎng)頁查看兒童的接送記錄。系統(tǒng)使用了不同的顏色來區(qū)分未送來、未接走和請假3種情況，并顯示了對應(yīng)的原因。對于未被接走的兒童，則由幼兒園代為照看。圖10是管理員查看兒童接送情況的界面。

　　圖10 管理員查看兒童接送記錄的界面

　　5 結(jié) 語

　　實驗結(jié)果表明，結(jié)合ZigBee技術(shù)和指紋識別技術(shù)的幼兒園兒童接送系統(tǒng)，不僅能克服信息接送卡、IC卡等傳統(tǒng)接送方法的信息容易被泄露和偽造的缺點，提高對接送人員和出入幼兒園人員身份識別的準(zhǔn)確性與可靠性，有效地解決幼兒園在兒童接送管理方面存在的安全問題;而且與傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸方式相比，系統(tǒng)具有布線簡單、維護方便、低功耗、低成本和可遠(yuǎn)程控制等特點。但是確保兒童在接送環(huán)節(jié)中的安全，不是只靠幼兒園的工作就能完全克服的，還需要家長和政府機構(gòu)等參與其中，提高兒童的自我安全意識和自我保護能力。

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