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、錯接、拐騙和綁架等兒童安全事故[2]，引起了社會的關注。所以確保幼兒園兒童在接送環節中的安全是一項重要的工作，它關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、錯接、拐騙和綁架等安全問題，設計了一種基于ZigBee的幼兒園無線指紋識別接送系統。系統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無線網絡上傳給服務器，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的不法分子，節點會發出報警信息，提醒門衛立即采取措施。另外，還設計了可移動的巡邏節點，以保證幼兒園環境的安全。該系統結合ZigBee技術和指紋識別技術，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。

　　關鍵詞： 教育學文摘期刊,ZigBee,指紋識別,GSM,接送系統

　　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節的管理，也采取了一些可行的措施，比如信息接送卡、IC卡等，但結果還是不盡人意，兒童安全事故還是頻頻發生，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到準確無誤，這就給兒童的安全留下了隱患。為了解決以上問題，設計了基于ZigBee的幼兒園無線指紋識別接送系統。將目前國內外成熟的ZigBee技術和指紋識別技術結合在一起應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，而且與傳統的有線數據傳輸方式相比，系統具有布線簡單、維護方便、低功耗、低成本和可遠程控制等特點。 　　1 系統的總體結構與工作流程

　　幼兒園無線指紋識別接送系統主要由ZigBee無線網絡、GSM短消息提醒模塊和上位機三部分組成。ZigBee無線網絡由指紋識別接送節點、巡邏節點、路由器和協調器四部分組成;GSM短消息提醒模塊負責通知家長兒童的接送情況;上位機包括數據庫和動態網頁顯示兩部分。具體的系統總體結構如圖1所示。

　　圖1 系統總體結構圖

　　為了提高接送的效率，指紋識別接送節點是按照班級區分安裝在大門處的。當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無線網絡上傳給數據庫服務器，獲得存儲在數據庫服務器中與之對應的兒童的信息;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，如果節點提示為查找不到相應的指紋模板信息，則表示為企圖進行冒領的不法分子，節點會立刻發出報警信號，提醒門衛采取措施。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無線網絡上傳給數據庫服務器，獲得存儲在數據庫服務器中自己的信息。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據庫中作為記錄，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。

　　當幼兒園的保安在園內巡邏時，如果發現可疑人員，可以用巡邏節點采集其指紋，對其身份進行驗證，如果節點提示搜索不到對應的指紋模板，則表示為可疑人員;同時節點發出報警信息，提醒保安采取相應措施。

　　另外，系統還采用數據庫、Tomcat、Hibernate和Struts2等技術[4?6]搭建了一個Web服務器。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 系統的硬件設計

　　系統的硬件設計主要包括指紋識別接送節點、巡邏節點、路由器和協調器4個部分。

　　指紋識別接送節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。其硬件結構圖如圖2所示。

　　圖2 指紋識別接送節點的硬件結構圖

　　其中，指紋采集模塊采用的是FPM10A指紋采集模塊，它是一款光學指紋傳感器，與CC2530模塊之間通過串口來實現數據的交換。另外，考慮到 CC2530的I/O口有限，設計了如圖3所示的按鍵電路。CC2530會根據內部自帶的A/D轉換器來轉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 按鍵電路設計

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

　　路由器主要作為數據傳輸的中轉站。它主要由CC2530模塊、按鍵和電源等3部分組成。

　　協調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無線網絡的核心，不僅負責建立ZigBee網絡，監聽是否有新節點入網，給新入網的節點分配網絡地址，還匯聚各終端節點發送過來的數據，然后通過串口上傳給數據庫服務器。

　　3 系統的軟件設計

　　系統的軟件設計主要包括ZigBee無線網絡節點、GSM短消息提醒模塊和上位機3部分。

　　3.1 ZigBee無線網絡節點軟件設計

　　系統的ZigBee無線網絡節點類型主要有指紋識別接送節點、巡邏節點、路由器和協調器4種。它們都是基于TI公司研發的Z?Stack協議棧來開發的，所以軟件部分的設計大體相同，只是根據各節點特有的功能略有不同。

　　當指紋識別接送節點上電加入ZigBee網絡后，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據包通過路由器和協調器上傳給數據庫服務器，同時在液晶顯示器上做出相應的提示。其具體的流程如圖4所示。

　　圖4 指紋識別接送節點流程圖

　　3.2 GSM短消息提醒模塊軟件設計

　　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]。短消息的發送功能是通過串口向TC35模塊發送AT指令來實現的[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(數據協議單元)模式兩種，其中Text模式只能發送英文字母和數字，PDU模式支持中文，但編碼比 Text模式復雜[9]。由于本系統需要向家長發送兒童的接送信息，所以采用PDU模式，具體的短消息發送流程如圖5所示。

　　圖5 短消息發送流程圖

　　3.3 上位機軟件設計

　　為了實現系統所需求的功能，結合數據庫、Tomcat、Hibernate和Struts2等技術，設計開發了基于B/S(瀏覽器/服務器)模式 [10]的動態網頁顯示部分。這樣，既讓管理員、老師和家長能夠實時查看兒童的接送情況，也使發生兒童接送安全事故時有據可查。

　　根據角色系統，可供3類用戶使用：管理員可以通過網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，家長可以通過網頁為兒童進行網上請假。

　　4 實驗結果

　　根據上述設計，制作了指紋識別接送節點、巡邏節點、路由器和協調器4種硬件實物。

　　當指紋識別接送節點和巡邏節點上電完成初始化后，會自動加入ZigBee網絡，液晶顯示屏顯示“Success”時，表示入網成功;然后節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點采集自己的指紋，然后進行身份識別，并對他們之間的關聯信息進行一一比對;若匹配成功，液晶顯示屏上會顯示“Matched”，如圖6所示。

　　同時系統還會通過GSM短消息提醒模塊向家長發送兒童的接送信息，短消息的內容如圖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容

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

　　當保安在園內巡邏發現可疑人員時，可通過巡邏節點驗證其身份，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頁查看兒童的接送記錄。系統使用了不同的顏色來區分未送來、未接走和請假3種情況，并顯示了對應的原因。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 語

　　實驗結果表明，結合ZigBee技術和指紋識別技術的幼兒園兒童接送系統，不僅能克服信息接送卡、IC卡等傳統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;而且與傳統的有線數據傳輸方式相比，系統具有布線簡單、維護方便、低功耗、低成本和可遠程控制等特點。但是確保兒童在接送環節中的安全，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等參與其中，提高兒童的自我安全意識和自我保護能力。

　　參考文獻

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