物联网技术在幼儿园幼儿管理中的应用研究
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摘 要 介绍基于ZigBee的有源RFID系统的组成、工作原理及特点，重点分析该系统在幼儿园幼儿学习、生活和园外活动时安全管理方面的应用，有效地解决当前幼儿入托入园数量持续上升，幼儿园幼师、管理人员不足，安全监管设施不完善等日益突出的矛盾，对保证幼儿安全、幼儿园管理正常高效运行和加快幼儿园信息化建设具有重要的意义。
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1671-489X（2013）09-0007-03
近年来，城乡幼儿教育得到前所未有的重视，幼儿园数量急剧增加，适龄幼儿入托入园率大幅提升，但同时，幼儿园幼儿的管理和安全也日益成为广大群众、各级政府、公众媒体关心的热点问题。部分幼儿园由于安全监管设施不完善，教职员工安全责任意识淡薄、组织管理不到位，幼儿走失、被拐骗、被遗弃园车及园车超载引发交通事故等恶性事件时有发生。为此，各幼儿园应健全安全管理制度，强化教职员工安全责任意识，完善安全监管设施，加强对幼儿的安全教育；同时可以引入射频识别、无线传感网络等物联网技术手段，构建网络化、信息化管理系统，实施智能化管理，更好地提高幼儿园安全管理的效率，构建更安全的幼儿学习生活环境。
射频识别（RFID）技术和ZigBee无线网络技术是组建物联网的两项基础和核心技术[1]。RFID系统利用无线射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递，并通过这种传递的信息进行自动识别，具有非接触、安全性高、传输速度快、支持多目标识别的特点，可以对RFID标签所附着的物体进行追踪定位，主要由读写器、电子标签和数据处理软件组成[2]。ZigBee是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通讯技术，采用直接序列扩频方式，以无线电波为媒介，实现数据的发送和接收，所使用的无线电波不会对人体健康造成伤害[1]。基于ZigBee无线网络是一种拓展性强、易布建的低成本、多跳的自组织无线网络。将RFID和ZigBee结合，可以建立基于ZigBee的RFID系统，形成一种基于ZigBee无线网络和RFID感知信息的物联网，可以实现对物品、人员的远距离、大范围识别、跟踪、定位等；应用于幼儿园，可以实现对幼儿学习、生活的实时监控和管理。
1 基于ZigBee的有源RFID系统介绍
1.1 系统组成
基于ZigBee网络的RFID系统由上位机、ZigBee协调器（网关）、带ZigBee终端节点的读写器和大量电子标签组成，如图1所示。读写器读写有源电子标签中的数据信息，在RFID读写器中嵌入ZigBee模块，充分利用RFID使用的便利性以及ZigBee组网的灵活性，使多台RFID读写器无线联接组网，相互之间通信，建立系统的通信网络，交换有源电子标签中的内容，扩大RFID读写器的读写范围，实现数据的多点无线采集和传输，形成一个基于ZigBee技术的多点自动识别、智能无线组网的RFID识别系统[2]。上位机用于接收Zigbee网络中上来的数据信息，处理并保存到数据库。
为保证感应的灵敏性和预警的时效性，电子标签为有源RFID卡，卡内存储着持卡者身份信息，主要用于身份识别、权限分配、基础信息读取等，设置3类RFID卡。
1）幼儿RFID卡：采用胸牌式或腕带式电子标签；外部材质采用环保无毒塑料，外观符合幼儿玩具国家标准，经久耐用、不易丢失、方便佩戴；卡内存储幼儿基本信息，包括姓名、性别、年龄、班级、家长姓名、住址、联系电话、照片等。
2）家长RFID卡：家长接送、探访幼儿时使用。家长卡中存储有与幼儿卡一致的信息及幼儿卡ID号和家长照片，以确保幼儿安全、准确无误地送交到家长手中。
3）教职员工RFID卡：根据身份或者使用权限，将卡细分为幼儿园负责人卡、园车驾驶员卡、园车护送人员卡、教师卡、保安卡等，主要作为身份识别和员工管理，用于门禁、考勤、安全管理系统授权等。
读写器负责向电子标签读取或写入信息，可以单独实现数据读写、显示和处理，也可以与上位计算机联合，完成对RFID卡的操作。读写器中嵌入ZigBee无线通信模块，通过ZigBee协议建立系统的通信网络，读写器之间可以协调工作，实现对各个电子标签信息的无线采集，并通过多跳方式把数据传到服务器，扩大网络覆盖面积[3]。
服务器可以通过调用数据库中存储的进入网络的电子标签信息，对幼儿进行定位、跟踪或触发相应事件，实现人与人或人与物的交互。
1.2 系统工作原理
RFID系统工作时，先由读写器通过天线发送一定频率的射频信号，当RFID卡进入读写器的工作场时，由自身内嵌的电池为后级芯片供电，驱动后级芯片与阅读器进行通信，以完成与阅读器间的相应通信过程。阅读器读取标签的自身编码等信息并解码后通过ZigBee网络送至数据交换、管理系统（计算机系统）处理[4]。
2 基于ZigBee网络的有源RFID系统在幼儿园幼儿管理中的应用分析
系统主要实现对幼儿、幼儿家长基本信息的管理，幼儿、家长身份识别，校车接送途中、幼儿园学习活动期间、外出活动期间的实时点名，超范围活动、遇紧急情况自动报警等功能，解决目前幼儿园幼儿管理中存在走失、上错车、遭拐骗、园车超载、遗弃车上等问题。系统功能如图2所示。
2.1 园内管理
在园区区域内科学设置、安装固定式或移动式RFID读写器，系统工作在ZigBee网络联网状态，网络覆盖整个园区，覆盖范围可根据需要调整，可实时监控幼儿进出园、在园内的活动状态。
1）身份识别、考勤及门禁管理。通过应用软件，设置不同的RFID卡，对持卡人进行身份管理、权限设置，通过RFID读写器感应不同的RFID卡，进行身份识别，达到允许或禁止的功能，科学布置RFID卡读取点，做到“何时何地何人”都能灵敏感应。在校门口设置固定式RFID读写器，自动记录幼儿、家长、临时访客、教职员工出入园的详细情况。幼儿进出幼儿园时使用幼儿RFID卡进行身份识别，家长接送、探访幼儿时使用家长RFID卡进行身份识别，读卡通过时，允许家长接领幼儿，读写器（或显示屏）上显示幼儿代码、姓名、性别、班级等信息；读卡未通过，读写器（或显示屏）上给出语音、动画提示或报警，拒绝家长接领、探访，防止误接、错接。同时，系统可以把数据信息同步上传到幼儿园网站，方便幼儿园教师掌握班级幼儿情况，方便家长查询。
临时访客需要进入幼儿园时，可在门卫处登记确认领取临时RFID卡，并通过系统应用软件设定该访客进入的区域（如办公楼、教师宿舍等）和停留时间[5]。当访客进入非访问区域，尤其是幼儿学习、活动区域时，系统自动向监控中心、门卫（保安）发送提醒信息；当访客结束访问时，访客在门卫处归还RFID卡，系统解除访问权限。
其次，还可以在幼儿教室、食堂、寝室等安全关键场所设置门禁，授权教职工和本园幼儿的RFID卡才能打开门，以防不法分子闯入幼儿园对师生造成伤害，增加幼儿园师生的安全系数。另外，在幼儿中午、晚上休息就寝时间段，可以通过对RFID卡权限的设置，不允许幼儿卡打开门禁，以防幼儿走出寝室，造成安全事故。
2）自动离校及涉危区域报警。系统每隔60秒（可设定）对园区幼儿进行点名查到，对幼儿在园区的活动实时监控。当幼儿脱离园区区域时，系统立即报警，并显示报警位置及违规幼儿信息给监控中心、门卫值班人员，免于幼儿走失或被坏人带走。
在幼儿园危险区域如水池、变压器、楼顶、煤气管道、走道尽头等设置RFID读写器，一旦有幼儿接近时，读写器立刻发出声光警示，同时自动将读取的幼儿RFID信息传送给监控中心，计算机系统应用软件得到信息后，也同时发出声音、动画等报警信号，并准确给出RFID感应点所在的具置，提醒管理员立刻采取安全措施[6]。
2.2 园外管理
1）园车接送管理。
①幼儿上下车身份识别与幼儿园识别。家长在站点接送孩子时，跟车教师采用手持式读写器或车载读写器自动识别上、下车幼儿身份和接领家长身份，幼儿或家长身份验证通过，读写器或车载显示屏显示幼儿信息、家长信息，并语音提示“**幼儿园欢迎你”，让跟车教师、驾驶员和幼儿进一步确认幼儿、家长身份和幼儿园名称，并进行比对，验证没通过，读写器报警提示，跟车教师适当处置，防止幼儿上错车，进错幼儿园。校车接送途中跟车教师和司机可通过该系统随时查看学生上下车情况，是否已经全部安全上车、下车，学生上下车相关记录数据可以通过软件进行数据采集，可实现后台统一管理。保证学生接送安全，降低管理人员的工作量及人为失误可能。
②园车超载提醒功能。车载RFID读写器通过读取幼儿RFID卡自动获得准确的上、下车学生数。园车实际载人数可以用醒目的方式显示在车内适当位置来提醒驾驶员，避免出现园车停驶关闭车门时，还遗留幼儿在车上的情况发生。
2）外出活动管理。
①实时点名查到。当幼儿外出活动时，负责组织的教师分为几组，分别携带手持式RFID读写器每隔一定的时间间隔对周围幼儿RFID卡进行读取，教师只要按手持式读写器上的查询键便可进行幼儿查询。只要幼儿在ZigBee网络覆盖的范围内，幼儿RFID卡均可接收该查询信息并与自己的地址核对：如果是自己的信息，做相应的处理后便返回信号，读写器将显示该幼儿的ID、姓名等信息；倘若幼儿在查询范围之外，RFID卡将接收不到读写器的查询信号，从而读写器将显示查询失败。查询结束后教师对未查询到的该幼儿进行寻找，加强幼儿管理的安全性。
②自动提醒归队、求助报警功能。幼儿外出活动超越活动范围，所持幼儿RFID卡在一定时间范围内未能接收到读写器发出的询查信号，RFID卡会自动发出声光报警，提醒幼儿归队，并向读写器发出求助报警信号，尽可能避免幼儿外出活动时走失。
3 结语
将RFID技术、ZigBee网络技术应用于幼儿园的幼儿管理，建立一套信息化、智能化的幼儿园幼儿安全管理系统，实现对幼儿的“实名制”管理，能较大地提高管理效率，较好地解决幼儿多、幼儿好动、教师不容易面面俱到的难题，减轻教师的管理强度。RFID技术、ZigBee网络技术加上行之有效的安全管理制度，能更好地消除幼儿园的安全隐患，做到早预警、早发现，防患于未然，减少事故的发生，使幼儿在幼儿园里快乐、安全地成长。
参考文献
[1]任小洪，方刚，贺映光，等.ZigBee远距离射频识别系统设计与实现[J].自动化仪表，2011，32（3）：8-11.
[2]刘宇，彭刚，王涛，等.RFID与ZigBee技术融合的研究[C]//广西计算机学会2010年学术年会论文集，2010.
[3]乐英高，徐卫东，周天鹏.ZigBee和RFID技术相结合的物联网系统研究[J].数字通信，2011（1）：41-43.
[4]李新春，于永鑫.远距离有源RFID系统[J].计算机系统应用，2011，20（11）：178-180.
[5]曾庆勇.RFID技术在幼儿园安全管理中的应用分析[J].软件，2012，33（1）：125-127.
[6]雷静，林强.基于RFID的中小学校园安全智能管理系统的开发与研究[J].中国教育技术装备，2008（16）：129-130，133.