在我国由于实行计划生育政策，大部分孩子都是家里的独生子女，是父母的掌上宝和希望。但是幼儿年龄阶段的孩子对外界的新鲜事物充满了好奇心，缺乏自我保护能力[1]，这就给一些不法分子提供了乘虚而入的机会，制造了一系列冒领、错接、拐骗和绑架等儿童安全事故[2]，引起了社会的关注。所以确保幼儿园儿童在接送环节中的安全是一项重要的工作，它关乎千万家庭的幸福和安宁。
摘 要： 针对幼儿园在儿童接送管理方面存在的冒领、错接、拐骗和绑架等安全问题，设计了一种基于ZigBee的幼儿园无线指纹识别接送系统。系统分别获取接送人员和儿童的指纹与事先录入指纹库中的指纹模板进行比对，如果匹配成功，则将匹配信息通过ZigBee无线网络上传给服务器，同时通过GSM短消息提醒模块通知儿童的家长;而对于那些企图进行冒领的不法分子，节点会发出报警信息，提醒门卫立即采取措施。另外，还设计了可移动的巡逻节点，以保证幼儿园环境的安全。该系统结合ZigBee技术和指纹识别技术，能有效地解决幼儿园在儿童接送管理方面存在的问题，给儿童的安全提供了一种有力的保护措施。
关键词： 教育学文摘期刊,ZigBee,指纹识别,GSM,接送系统
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
长期以来，虽然幼儿园都在致力于加强这个环节的管理，也采取了一些可行的措施，比如信息接送卡、IC卡等，但结果还是不尽人意，儿童安全事故还是频频发生，其共同缺点是信息容易泄露和伪造[2?3]，对接送人员和出入幼儿园人员身份的识别不能达到准确无误，这就给儿童的安全留下了隐患。为了解决以上问题，设计了基于ZigBee的幼儿园无线指纹识别接送系统。将目前国内外成熟的ZigBee技术和指纹识别技术结合在一起应用于幼儿园儿童接送管理方面，不仅可以提高身份识别的准确性和可靠性，有效地避免幼儿园在儿童接送管理方面存在的安全隐患，而且与传统的有线数据传输方式相比，系统具有布线简单、维护方便、低功耗、低成本和可远程控制等特点。 1 系统的总体结构与工作流程
幼儿园无线指纹识别接送系统主要由ZigBee无线网络、GSM短消息提醒模块和上位机三部分组成。ZigBee无线网络由指纹识别接送节点、巡逻节点、路由器和协调器四部分组成;GSM短消息提醒模块负责通知家长儿童的接送情况;上位机包括数据库和动态网页显示两部分。具体的系统总体结构如图1所示。
图1 系统总体结构图
为了提高接送的效率，指纹识别接送节点是按照班级区分安装在大门处的。当有接送人员前来接送某位儿童时，首先通过指纹识别，对接送人员的指纹与事先录入指纹库中的指纹模板进行比对，如果匹配成功，则表示该接送人员可以申请接送某位儿童，并且将匹配信息通过ZigBee无线网络上传给数据库服务器，获得存储在数据库服务器中与之对应的儿童的信息;如果匹配失败，则表示该接送人员不能接送某位儿童或者为操作错误，可重新尝试。在此过程中，如果节点提示为查找不到相应的指纹模板信息，则表示为企图进行冒领的不法分子，节点会立刻发出报警信号，提醒门卫采取措施。然后，被接送的儿童也采集自己的指纹与指纹库中的指纹模板进行比对，如果匹配成功，则将匹配信息通过ZigBee无线网络上传给数据库服务器，获得存储在数据库服务器中自己的信息。最后，将两次获得的儿童信息进行一一比对，如果信息都匹配成功，则表示接送人员可以接送该儿童了，同时将接送信息存入数据库中作为记录，比如接送时间、接送人等，并且通过 GSM短消息提醒模块通知儿童的家长。
当幼儿园的保安在园内巡逻时，如果发现可疑人员，可以用巡逻节点采集其指纹，对其身份进行验证，如果节点提示搜索不到对应的指纹模板，则表示为可疑人员;同时节点发出报警信息，提醒保安采取相应措施。
另外，系统还采用数据库、Tomcat、Hibernate和Struts2等技术[4?6]搭建了一个Web服务器。这样，管理员、老师和家长都能够通过Internet实时查看儿童的接送记录，更加确保了儿童的安全。
2 系统的硬件设计
系统的硬件设计主要包括指纹识别接送节点、巡逻节点、路由器和协调器4个部分。
指纹识别接送节点的作用是采集接送人员和儿童的指纹进行身份识别，它的硬件部分主要包括CC2530模块、指纹采集模块、蜂鸣器、按键电路、液晶显示器和电源等外围电路。其硬件结构图如图2所示。
图2 指纹识别接送节点的硬件结构图
其中，指纹采集模块采用的是FPM10A指纹采集模块，它是一款光学指纹传感器，与CC2530模块之间通过串口来实现数据的交换。另外，考虑到 CC2530的I/O口有限，设计了如图3所示的按键电路。CC2530会根据内部自带的A/D转换器来转换不同按键按下时的电压值，辨别出按下的是哪个按键，从而决定进行何种操作。
图3 按键电路设计
巡逻节点的作用是当保安在园内巡逻时，对可疑人员的身份进行验证。它的硬件部分与接送节点基本一致，在此不再详述。
路由器主要作为数据传输的中转站。它主要由CC2530模块、按键和电源等3部分组成。
协调器的硬件部分主要包括CC2530模块、串口电路、按键电路和电源等4部分。它是ZigBee无线网络的核心，不仅负责建立ZigBee网络，监听是否有新节点入网，给新入网的节点分配网络地址，还汇聚各终端节点发送过来的数据，然后通过串口上传给数据库服务器。
3 系统的软件设计
系统的软件设计主要包括ZigBee无线网络节点、GSM短消息提醒模块和上位机3部分。
3.1 ZigBee无线网络节点软件设计
系统的ZigBee无线网络节点类型主要有指纹识别接送节点、巡逻节点、路由器和协调器4种。它们都是基于TI公司研发的Z?Stack协议栈来开发的，所以软件部分的设计大体相同，只是根据各节点特有的功能略有不同。
当指纹识别接送节点上电加入ZigBee网络后，就一直查询指纹采集按键是否被按下，如果被按下，则通过串口向指纹采集模块先后发送指纹采集和匹配指令;若匹配成功，则将匹配信息封装成数据包通过路由器和协调器上传给数据库服务器，同时在液晶显示器上做出相应的提示。其具体的流程如图4所示。
图4 指纹识别接送节点流程图
3.2 GSM短消息提醒模块软件设计
GSM短消息提醒模块采用德国Siemens公司推出的新一代无线通信GSM模块TC35，它主要由GSM基带处理器、GSM射频部分、ZIF连接器、电源ASIC和Flash等五部分组成[7]。短消息的发送功能是通过串口向TC35模块发送AT指令来实现的[8]，它的作用是通知家长儿童的接送情况，起到提醒的作用，信息的内容可为：“××幼儿园提醒您：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(数据协议单元)模式两种，其中Text模式只能发送英文字母和数字，PDU模式支持中文，但编码比 Text模式复杂[9]。由于本系统需要向家长发送儿童的接送信息，所以采用PDU模式，具体的短消息发送流程如图5所示。
图5 短消息发送流程图
3.3 上位机软件设计
为了实现系统所需求的功能，结合数据库、Tomcat、Hibernate和Struts2等技术，设计开发了基于B/S(浏览器/服务器)模式 [10]的动态网页显示部分。这样，既让管理员、老师和家长能够实时查看儿童的接送情况，也使发生儿童接送安全事故时有据可查。
根据角色系统，可供3类用户使用：管理员可以通过网页查看所有用户与儿童的基本信息以及儿童的接送记录，还可以添加/删除用户等;老师与家长都可以查看/修改自己的基本信息和查看儿童的接送记录，只是根据角色不同，老师查看的是班级所有儿童的，而家长查看的是自己儿童的。另外，家长可以通过网页为儿童进行网上请假。
4 实验结果
根据上述设计，制作了指纹识别接送节点、巡逻节点、路由器和协调器4种硬件实物。
当指纹识别接送节点和巡逻节点上电完成初始化后，会自动加入ZigBee网络，液晶显示屏显示“Success”时，表示入网成功;然后节点会不断检测指纹采集按键是否被按下，如果被按下，CC2530模块会通过串口先后向指纹采集模块发送指纹采集和匹配指令;在此过程中，模块上的红色LED会不停闪烁，表示正在处理中，绿色的LED点亮，则表示这一操作过程完成。
接送人员和儿童需要分别通过指纹识别接送节点采集自己的指纹，然后进行身份识别，并对他们之间的关联信息进行一一比对;若匹配成功，液晶显示屏上会显示“Matched”，如图6所示。
同时系统还会通过GSM短消息提醒模块向家长发送儿童的接送信息，短消息的内容如图7所示。
图6 儿童接送成功时的显示信息 图7 儿童被接走的短消息内容
对于企图进行冒领的不法分子，由于指纹库中没有存储其指纹模板，所以当其进行冒领时，液晶显示屏上会显示“No Record ，Criminal”，同时驱动蜂鸣器进行报警，提醒门卫采取相应措施，如图8所示。
当保安在园内巡逻发现可疑人员时，可通过巡逻节点验证其身份，如果液晶显示屏上显示“No Record， Suspicious”，则表示为可疑人员，如图9所示。
图8 不法分子冒领时的显示信息 图9 可疑人员的提示信息
管理员、老师和家长都可以通过登录网页查看儿童的接送记录。系统使用了不同的颜色来区分未送来、未接走和请假3种情况，并显示了对应的原因。对于未被接走的儿童，则由幼儿园代为照看。图10是管理员查看儿童接送情况的界面。
图10 管理员查看儿童接送记录的界面
5 结 语
实验结果表明，结合ZigBee技术和指纹识别技术的幼儿园儿童接送系统，不仅能克服信息接送卡、IC卡等传统接送方法的信息容易被泄露和伪造的缺点，提高对接送人员和出入幼儿园人员身份识别的准确性与可靠性，有效地解决幼儿园在儿童接送管理方面存在的安全问题;而且与传统的有线数据传输方式相比，系统具有布线简单、维护方便、低功耗、低成本和可远程控制等特点。但是确保儿童在接送环节中的安全，不是只靠幼儿园的工作就能完全克服的，还需要家长和政府机构等参与其中，提高儿童的自我安全意识和自我保护能力。
参考文献
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