大學(xué)生智能安全服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建的研究

羅校清　程星火　秦凱

【摘 要】隨著大學(xué)生安全問題的日益增多，本文針對(duì)大學(xué)生的安全問題提出了一種可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)概念，從軟件支持平臺(tái)、定位技術(shù)、監(jiān)測(cè)技術(shù)、硬件模塊等方面入手解決技術(shù)問題。

【關(guān)鍵詞】可穿戴技術(shù)；定位技術(shù)；傳感器；無(wú)線體域網(wǎng)

0 引言

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)深度融入大學(xué)校園，學(xué)校管轄物理范圍擴(kuò)大化和管理事務(wù)復(fù)雜化，客觀上給高校安全造成諸多不利因素，從而引發(fā)大學(xué)生失聯(lián)、受騙、被搶劫、陷入傳銷、遭遇性侵犯、交通意外等安全事件屢見不鮮[1]。大學(xué)生的安全問題成了學(xué)校、家長(zhǎng)、政府的關(guān)注焦點(diǎn)。三方都在尋找能有效減少出現(xiàn)的大學(xué)生安全問題措施?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)出一種適合大學(xué)生的可穿戴智能安全設(shè)備，希望在普及應(yīng)用后能很好的減少安全問題。當(dāng)今迅猛發(fā)展的科學(xué)技術(shù)，為解決大學(xué)生智能安全設(shè)備的研發(fā)提供了很好的技術(shù)支持。

1 可穿戴設(shè)備管理軟件支持平臺(tái)

可穿戴設(shè)備要求穿戴方便，體積小，重量輕，功能強(qiáng)大，這就使得穿戴設(shè)備的軟件和硬件有必要分離開來(lái)。智能手機(jī)是當(dāng)代人們常用的通訊工具，使用智能手機(jī)作為穿戴設(shè)備的管理軟件安裝平臺(tái)是最合適的選擇。智能手機(jī)具有強(qiáng)大的信息處理能力，能快速完成數(shù)據(jù)處理。寬大的顯示屏能清晰完整的顯示終端設(shè)備所傳來(lái)的信息和云端反饋數(shù)據(jù)。強(qiáng)大的通信能力能隨時(shí)保持與對(duì)外聯(lián)系暢通。智能手機(jī)的上網(wǎng)功能能讓使用者能更好的運(yùn)用大數(shù)據(jù)服務(wù)。 Android平臺(tái)具有良好的開放性和便捷性，采用Android平臺(tái)的智能手機(jī)越來(lái)越受到人們的青睞，Android平臺(tái)在智能手機(jī)領(lǐng)域中所扮演的角色也越來(lái)越重要。在android平臺(tái)上開發(fā)一款終端軟件，用來(lái)管理可穿戴設(shè)備是最優(yōu)選擇。這款軟件要求實(shí)現(xiàn)以下基本功能。

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體體征，將數(shù)據(jù)顯示在手機(jī)上并存儲(chǔ)到遠(yuǎn)程服務(wù)器。軟件通過(guò)手機(jī)發(fā)送指令到穿戴設(shè)備上要求獲得傳感器數(shù)據(jù)，將獲得后的數(shù)據(jù)在手機(jī)顯示，并將體征數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器保存。

（2）通過(guò)管理軟件獲取終端設(shè)備GPS信息，連通網(wǎng)絡(luò)確定使用者位置。隨時(shí)隨地都能獲取終端位置。

（3）通過(guò)大數(shù)據(jù)服務(wù)給使用者推送各種信息安全提示，不定時(shí)進(jìn)行安全信息提醒，避免意外事件發(fā)生。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 定位技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)在常用的定位技術(shù)主要有三種，一種是GPS定位，一種是無(wú)線蜂窩定位，一種是WLAN定位。

（1）GPS定位技術(shù)是全球開放的無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，具有體積小、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，基于Android 平臺(tái)的移動(dòng)通訊設(shè)備的GPS 定位系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值。GPS又稱全球定位系統(tǒng)，是美國(guó)研究開發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在太空中有24顆不停運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星。GPS定位是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會(huì)的方法，確定待測(cè)點(diǎn)的位置。用戶利用GPS可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)的精準(zhǔn)定位和軌跡跟蹤。GPS定位是全球定位，范圍最廣，定位精度最高，民用定位能精準(zhǔn)到3m，支持定位高速移動(dòng)物體，但GPS成本高，冷啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。

（2）無(wú)線蜂窩定位的有兩種方式，一種是基于通訊設(shè)備定位，這種定位是通過(guò)計(jì)算移動(dòng)通訊設(shè)備跟基站的距離來(lái)估算位置，另一種是通過(guò)通訊設(shè)備發(fā)送出來(lái)的信號(hào)來(lái)計(jì)算位置。無(wú)線蜂窩定位速度快，但是精準(zhǔn)度不高，在基站不足的地方無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位。

（3）W LAN定位主要應(yīng)用于室內(nèi)定位，在無(wú)線局域網(wǎng)的環(huán)境下，能快速連接到互聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)快速定位。但W LAN定位精度比較低，只能定位到以AP為中心的100m范圍。

綜合考慮下優(yōu)先選擇GPS定位作為穿戴設(shè)備的定位技術(shù)。平時(shí)GPS模塊發(fā)送定位信息給智能手機(jī)，由管理軟件聯(lián)網(wǎng)查詢獲得定位地址，再通過(guò)大數(shù)據(jù)服務(wù)獲得定位地點(diǎn)的各種環(huán)境，比如天氣狀況，社會(huì)治安，該地區(qū)存在的安全隱患等等，然后系統(tǒng)將給出相對(duì)應(yīng)合理的安全相關(guān)提示信息。當(dāng)遇到異常情況時(shí)，使用人員可以按下急救按鈕，穿戴設(shè)備立刻發(fā)送求救短信和GPS定位信號(hào)給指定手機(jī)，援救方可根據(jù)信號(hào)實(shí)施精準(zhǔn)定位，及時(shí)營(yíng)救。

2.2 無(wú)線體域網(wǎng)

無(wú)線體域網(wǎng)就是以人體為中心，利用附著在人身上或者身體內(nèi)部的傳感器，通過(guò)無(wú)線通訊技術(shù)，連接個(gè)人終端設(shè)備甚至連接到互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)小型網(wǎng)絡(luò)。體域網(wǎng)是一種融合了傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信、生命科學(xué)等眾多技術(shù)，對(duì)任何人群都適用且可以在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)，對(duì)人體體征信息進(jìn)行感知，并能對(duì)所感知的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理的新興技術(shù)，已經(jīng)成為當(dāng)今科研領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器種類越來(lái)越多，可以實(shí)現(xiàn)的功能也越來(lái)越強(qiáng)大。溫濕度傳感器可以測(cè)量人體體溫和外部濕度，當(dāng)出現(xiàn)溫度或濕度過(guò)高或都過(guò)低時(shí)，系統(tǒng)可發(fā)出警告。加速度傳感器可以測(cè)量人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以測(cè)出你跑了多少步，在運(yùn)動(dòng)中有沒摔倒。還有各種傳感器可以測(cè)量人體的生理信息，包括血壓，心率，脈搏等。通過(guò)精密的電子傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，前端傳感器節(jié)點(diǎn)采集到人體體征信息后，通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)將信息發(fā)給智能手機(jī)做進(jìn)一步處理。智能手機(jī)將數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)對(duì)比后，最后將反饋信息發(fā)送智能設(shè)備，給予使用者信息提示。

無(wú)線體域網(wǎng)整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)分為三個(gè)層次，分別是信息采集層、信息匯聚處理層和云端信息層。信息采集層包含有許多的傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)可以在體內(nèi)、體表或者人體周圍放置，具有信息采集功能。通過(guò)通訊技術(shù)將采集到的信息傳送給信息處理層，信息匯聚處理層是一個(gè)具有信息處理功能的智能設(shè)備。一般來(lái)說(shuō)選用的是智能手機(jī)，手機(jī)軟件直接將從各前端信息采集節(jié)點(diǎn)處接收監(jiān)測(cè)的體征信息進(jìn)行處理并顯示出來(lái)。以 Android 智能手機(jī)為匯聚節(jié)點(diǎn)，選擇了藍(lán)牙作為前端傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信技術(shù)，并結(jié)合遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器，確定了無(wú)線體域網(wǎng)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案。云端信息層主要包含一個(gè)支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)的服務(wù)器，主要用來(lái)接收智能設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)接收到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，并將結(jié)果反饋給用戶以及存入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。無(wú)線體域網(wǎng)遠(yuǎn)程服務(wù)器可以采用 ASP.net來(lái)開發(fā)、以oracle作為 Web 服務(wù)器的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，開發(fā)出用戶登錄、手機(jī)客戶端數(shù)據(jù)處理、后臺(tái)數(shù)據(jù)查詢功能，保證了整個(gè)體域網(wǎng)從數(shù)據(jù)采集到遠(yuǎn)程服務(wù)器的連通性。endprint

3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件電路分為電源模塊、中央處理器模塊、傳感器模塊、GPS模塊、GSM模塊。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1 GPS和GSM模塊

該模塊的功能是用來(lái)實(shí)現(xiàn)穿戴設(shè)備的定位和通信?？纱┐髟O(shè)備內(nèi)置GPS模塊和移動(dòng)通信模塊，用于將GPS模塊獲得的定位數(shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)通信模塊（gsm/gprs網(wǎng)絡(luò)）傳至智能手機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)查詢終端位置。GSM 是該設(shè)備的核心，主要包括將收手機(jī)發(fā)送的指令，將傳感器、定位等信息，發(fā)送到手機(jī)上[4]。

3.2 傳感器模塊

該模塊的功能是獲取人體體征和外部環(huán)境信息，運(yùn)用管理軟件對(duì)大學(xué)生的日常活動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、監(jiān)控與分析。在可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了一個(gè)緊急求救按鈕，按下按鈕后能實(shí)現(xiàn)一鍵報(bào)警。使用者按下按鈕后，系統(tǒng)將早已保存好的求救信息發(fā)送給設(shè)定的手機(jī)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)報(bào)警。系統(tǒng)也可以根據(jù)傳感 器收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。傳感器接收到觸發(fā)信號(hào)傳遞給中央處理器， 當(dāng)收到信號(hào)的超過(guò)警戒值時(shí)， 將啟動(dòng)預(yù)警， 發(fā)送信號(hào)給穿戴設(shè)備管理軟件，提示使用者身體狀況處于異常。使用可以手動(dòng)取消提示。若有消除報(bào)警的信號(hào)， 表示使用者已經(jīng)收到消息， 已手動(dòng)取消報(bào)警， 系統(tǒng)即關(guān)閉報(bào)警電路； 否則， 表示此人需要救助，經(jīng) GSM 通信模塊將預(yù)存的求救短信發(fā)送給預(yù)先指定的人。在危急情況下，使用者也可以自己手動(dòng)按下求救按鈕來(lái)尋求幫助。

3.3 錄音存儲(chǔ)模塊

該模塊的功能主要是負(fù)責(zé)當(dāng)使用者按下錄音按鈕時(shí)，自動(dòng)記錄隨后的聲音，形成聲音文件并存儲(chǔ)起來(lái)。也可以設(shè)計(jì)為自動(dòng)記錄按下按鈕后前60秒的聲音，通過(guò)GSM模塊將聲音文件發(fā)送給指定手機(jī)收聽和存儲(chǔ)。

3.4 電源模塊

該模塊首選鋰離子電池，因?yàn)殇囯x子電池能量密度大，輸出功率高，可多次快速充放電，使用壽命長(zhǎng)久。通過(guò) micro USB接口充電，循環(huán)使用，綠色環(huán)保無(wú)污染。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著社會(huì)環(huán)境的復(fù)雜化和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可穿戴設(shè)備的應(yīng)用與開發(fā)將會(huì)越來(lái)越多，本文的目的就是為可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)提供一些思考方向，希望能通過(guò)可穿戴設(shè)備的普及來(lái)解決大學(xué)生的安全管理問題。

參考文獻(xiàn)

[1]羅校清.可穿戴技術(shù)在大學(xué)生管理中的應(yīng)用[J].中國(guó)科技信息，2017，（07）：58-60.

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[3]張祥軍.基于iOS平臺(tái)的人體跌倒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都理工大學(xué).

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