一种基于物联网的学生安全监测系统的制作方法

技术领域：

本发明涉及安全监测领域，尤其涉及一种基于物联网的学生安全监测系统。

背景技术：
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社会的开放度不断提高、人口的流动日趋增多，在促进社会发展的同时也带来了不安全的隐患。为了有效保护青少年和儿童的人身安全，防止外来侵害案件的发生，维护校园正常的教学和生活秩序，学校和家长都希望可以对学生进行实时有效的定位管理。在信息网络高速发展的今天，越来越多的信息均以数字形式进行交换和管理，而教育信息化是国家信息化的重要基础。伴随着智能技术的高速发展和计算机应用的普遍推广，面对大量的学生，学校需要借助于信息系统进行高效的管理，来缓解巨大的管理压力，保证学生校内校外人身财产安全，营造安全、稳定、文明、健康的育人环境。

现有技术中，在对学生的安全进行监测时仅是对学生的位置信息进行定位，并不能对学生是否发生危险进行准确、高效的判断，更不能实现学生在遭遇危险时的主动报警和被动报警共同实现。

技术实现要素：
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因此，为了克服上述问题，本发明提供了一种基于物联网的学生安全监测系统，基于物联网的学生安全监测系统设置在学生佩戴的手表上，其包括图像采集传感器、图像处理模块、传感集成模块、信号处理电路、gps定位模块、信号处理模块、第一触发模块、第二触发模块、中央控制器、振动比较模块、传输模块、语音匹配模块以及远程监控端，其中，通过振动传感器、信号处理电路以及振动比较模块实现在学生遇到危险时的被动报警，通过声音传感器、信号处理模块以及语音匹配模块实现在学生遇到危险时的主动报警，还通过对学生振动信号和声音信号的采集以触发图像采集传感器对周围图像进行采集，以使家长和老师对学生所处环境进行准确判断，再通过gps定位模块对学生的位置信息进行及时获知。

本发明提供了的基于物联网的学生安全监测系统，基于物联网的学生安全监测系统设置在学生佩戴的手表上，基于物联网的学生安全监测系统包括图像采集传感器、图像处理模块、传感集成模块、信号处理电路、gps定位模块、信号处理模块、第一触发模块、第二触发模块、中央控制器、振动比较模块、传输模块、语音匹配模块以及远程监控端。

其中，图像采集传感器设置在手表一侧，传感集成模块也设置在手表一侧，传感集成模块包括振动传感器和声音传感器，图像处理模块、信号处理电路、gps定位模块、信号处理模块、第一触发模块、第二触发模块、中央控制器、振动比较模块、传输模块以及语音匹配模块均集成于手表内部；图像采集传感器的输出端与图像处理模块的输入端连接，振动传感器的输出端与信号处理电路的输入端连接，声音传感器的输出端与信号处理模块的输入端连接，图像处理模块的输出端、信号处理电路的输出端、gps定位模块的输出端以及信号处理模块的输出端均与中央控制器的输入端连接，第一触发模块的输入端以及第二触发模块的输入端均与中央控制器的输出端连接，第一触发模块的输出端以及第二触发模块的输出端均与图像采集传感器的输入端连接，振动比较模块的输入端、传输模块的输入端以及语音匹配模块的输入端均与中央控制器的输出端连接，振动比较模块的输出端、传输模块的输出端以及语音匹配模块的输出端均与远程监控端的输入端连接。

其中，振动传感器用于采集手表的振动信号，振动传感器将采集到的振动信号传输至信号处理电路，信号处理电路对接收到的信号进行信号处理后传输至中央控制器，中央控制器将接收到的振动信号传输至振动比较模块，振动比较模块内存储有振动阈值，若振动比较模块接收到的振动信号大于振动阈值，则中央控制器控制第一触发模块传输第一触发信号至图像采集传感器，声音传感器用于采集学生的声音信号，声音传感器将采集到的声音信号传输至信号处理模块，信号处理模块对接收到的信号进行信号处理后传输至中央控制器，中央控制器将接收到的声音信号传输至语音匹配模块，语音匹配模块内存储有标准语音信号，若语音匹配模块接收到的声音信号与标准语音信号匹配，则中央控制器控制第二触发模块传输第二触发信号至图像采集传感器，图像采集传感器接收到第一触发信号或第二触发信号后开始采集周围图像信息，图像采集传感器将采集的图像信息传输至图像处理模块，图像处理模块对接收到的图像信息进行图像处理后传输至中央控制器，gps定位模块采集学生的位置信息，gps定位模块将采集的学生位置信息传输至中央控制装置，中央控制器将接收到的图像信息、位置信息、振动信号以及语音信号通过传输模块传输至远程监控端。

优选的是，远程监控端以内置程序的应用模式设置在学生家长或老师的手机内。

优选的是，将图像采集传感器传输至图像处理模块的图像定义为二维函数f(x,y)，其中x、y是空间坐标，其中遍历空间坐标为x1、x2…xn，y1、y2…yn，图像处理模块对接收到的图像信息进行图像去噪处理，去噪系数为k，其中，

经过图像处理模块处理后的图像为g(x,y)，图像处理模块通过对图像f(x,y)的邻域对比补偿对图像f(x,y)进行去噪处理以得到图像g(x,y)，则有，

g(x，y)＝k[f(x+1，y)+f(x，y+1)+f(x-1，y)+f(x，y-1)]；

图像处理模块将图像g(x,y)传输至中央控制器。

优选的是，振动传感器用于采集手表的振动信号，将采集的振动信号转换为电压信号v0，并将电压信号v0传输至信号处理电路，v1为经过信号处理电路处理后的电压信号，信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元，振动传感器的输出端与信号放大单元的输入端连接，信号放大单元的输出端与信号滤波单元的输入端连接，信号滤波单元的输出端与中央控制器的输入端连接。

优选的是，信号放大单元包括电阻r1-r7和运算放大器a1，其中，电阻r6为滑动变阻器。

其中，振动传感器的输出端与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端与运算放大器a1的反相输入端连接，电阻r1的另一端还与电阻r3的一端连接，电阻r2的一端接地，电阻r2的另一端与运算放大器a1的同相输入端连接，电阻r2的另一端还与电阻r5的一端连接，电阻r3的另一端与电阻r4的一端连接，电阻r4的另一端与运算放大器a1的输出端连接，电阻r5的另一端与电阻r7的一端连接，电阻r7的另一端接地，电阻r6的一端与电阻r5的另一端连接，电阻r6的另一端与电阻r3的另一端连接，电阻r4的另一端与信号滤波单元的输入端连接。

优选的是，信号滤波单元包括电阻r8-r13、电容c1-c4以及运算放大器a2。

其中，信号放大单元的输出端与运算放大器a2的同相输入端连接，电容c3的一端与运算放大器a2的反相输入端连接，电容c3的一端与电阻r9的一端连接，电容c3的一端与电阻r8的一端连接，电容c3的另一端电阻r11的一端连接，电容c3的另一端与电阻r12的一端连接，电容c3的另一端与电容c4的一端连接，电容c4的另一端与运算放大器a2的输出端连接，电容c4的另一端与电阻r10的另一端连接，电容c4的另一端与电阻r8的另一端连接，电阻r13的一端接地，电阻r11的另一端与电阻r13的另一端连接，电阻r11的另一端与电容c1的一端连接，电阻r12的另一端与电阻r13的另一端连接，电阻r12的另一端与电容c2的一端连接，电容c1的另一端与电阻r9的另一端连接，电阻r9的另一端与电阻r10的一端连接，电容c2的另一端与电阻r10的一端连接，电容c4的另一端与中央控制器的输入端连接，信号滤波单元将电压信号v1传输至中央控制器。

优选的是，传输模块为2g/3g/4g/5g网络。

优选的是，声音传感器将采集的到的声音信号传输至信号处理模块进行声音信号进行去噪处理，信号处理模块进行信号处理的步骤如下：

步骤1：声音传感器不间断采集环境噪声信号x(t)，其中t为时间参数；

步骤2：声音传感器将当前时刻的前一时刻的环境噪声信号x(t)传输至信号处理模块；

步骤3：声音传感器将当前时刻的声音信号y(t)传输至信号处理模块；

步骤4：信号处理模块根据接收到的环境噪声信号x(t)和声音信号y(t)计算当前时刻的声音信号z(t)，则有，z(t)＝y(t)-x(t)。

优选的是，振动传感器包括壳体、弹簧、质量块、金属圆片以及压电片，其中，在两片并联安装的压电片中间，有一个金属圆片作为振动传感器的输出极板，在压电片和金属圆片的上面，压有一质量块，在质量块的上面还有一弹簧，其中，压电片、金属圆片、质量块、弹簧都装在同一个金属基座上，在振动传感器受振时，质量块加在压电片上的力也随之变化，由于压电片的压电效应，在压电片的两个表面就产生交变的电荷量，由于压电片结构阻尼小，从而压电片受到的力正比于压电片的压缩量。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明提供了一种基于物联网的学生安全监测系统，基于物联网的学生安全监测系统设置在学生佩戴的手表上，其包括图像采集传感器、图像处理模块、传感集成模块、信号处理电路、gps定位模块、信号处理模块、第一触发模块、第二触发模块、中央控制器、振动比较模块、传输模块、语音匹配模块以及远程监控端，其中，通过振动传感器、信号处理电路以及振动比较模块实现在学生遇到危险时的被动报警，通过声音传感器、信号处理模块以及语音匹配模块实现在学生遇到危险时的主动报警，还通过对学生振动信号和声音信号的采集以触发图像采集传感器对周围图像进行采集，以使家长和老师对学生所处环境进行准确判断，再通过gps定位模块对学生的位置信息进行及时获知。

(2)本发明的发明点还在于，信号处理电路的噪声在3.35nv以内，漂移为1.65μv/℃，运算放大器a1的型号为ca3193，运算放大器a2的型号为lt1192。

附图说明：

图1为本发明的基于物联网的学生安全监测系统的结构图；

图2为本发明的基于物联网的学生安全监测系统的示意图；

图3为本发明的振动传感器的结构图；

图4为本发明的信号处理电路的电路图。

图1中，1、图像采集传感器，2、传感集成模块；

图3中，3、壳体，4、弹簧，5、质量块，6、金属圆片，7、压电片，8、输出端，9、基座。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明的基于物联网的学生安全监测系统进行详细说明。

如图1-2所示，本发明提供的基于物联网的学生安全监测系统，基于物联网的学生安全监测系统设置在学生佩戴的手表上，基于物联网的学生安全监测系统包括图像采集传感器1、图像处理模块、传感集成模块2、信号处理电路、gps定位模块、信号处理模块、第一触发模块、第二触发模块、中央控制器、振动比较模块、传输模块、语音匹配模块以及远程监控端。

其中，图像采集传感器1设置在手表一侧，传感集成模块2也设置在手表一侧，两者可如图中所示设置在手表的同一侧，传感集成模块2包括振动传感器和声音传感器，图像处理模块、信号处理电路、gps定位模块、信号处理模块、第一触发模块、第二触发模块、中央控制器、振动比较模块、传输模块以及语音匹配模块均集成于手表内部；图像采集传感器1的输出端与图像处理模块的输入端连接，振动传感器的输出端与信号处理电路的输入端连接，声音传感器的输出端与信号处理模块的输入端连接，图像处理模块的输出端、信号处理电路的输出端、gps定位模块的输出端以及信号处理模块的输出端均与中央控制器的输入端连接，第一触发模块的输入端以及第二触发模块的输入端均与中央控制器的输出端连接，第一触发模块的输出端以及第二触发模块的输出端均与图像采集传感器1的输入端连接，振动比较模块的输入端、传输模块的输入端以及语音匹配模块的输入端均与中央控制器的输出端连接，振动比较模块的输出端、传输模块的输出端以及语音匹配模块的输出端均与远程监控端的输入端连接。

其中，振动传感器用于采集手表的振动信号，振动传感器将采集到的振动信号传输至信号处理电路，信号处理电路对接收到的信号进行信号处理后传输至中央控制器，中央控制器将接收到的振动信号传输至振动比较模块，振动比较模块内存储有振动阈值，若振动比较模块接收到的振动信号大于振动阈值，则中央控制器控制第一触发模块传输第一触发信号至图像采集传感器1，声音传感器用于采集学生的声音信号，声音传感器将采集到的声音信号传输至信号处理模块，信号处理模块对接收到的信号进行信号处理后传输至中央控制器，中央控制器将接收到的声音信号传输至语音匹配模块，语音匹配模块内存储有标准语音信号，若语音匹配模块接收到的声音信号与标准语音信号匹配，则中央控制器控制第二触发模块传输第二触发信号至图像采集传感器1，图像采集传感器1接收到第一触发信号或第二触发信号后开始采集周围图像信息，图像采集传感器1将采集的图像信息传输至图像处理模块，图像处理模块对接收到的图像信息进行图像处理后传输至中央控制器，gps定位模块采集学生的位置信息，gps定位模块将采集的学生位置信息传输至中央控制装置，中央控制器将接收到的图像信息、位置信息、振动信号以及语音信号通过传输模块传输至远程监控端。

上述实施方式中，学生佩戴的手表内装有本发明提供的基于物联网的学生安全监测系统，能够在学生发生危险时及时获知学生的位置信息以及周围图像信息。

更进一步地，学生手表在发生过大振动时，认为学生摔倒或者遭遇攻击，此时学生手表的振动传感器监测到的振动信号大于振动比较模块内存储的标准阈值，振动比较模块向远程监控端发送报警信息。

更进一步地，学生还能通过发出语音信息向远程监控端发出报警信息，例如，语音匹配模块内存储有与“救命”相应的标准语音，若学生发出“救命”的语音信息，声音传感器采集学生的语音信息，信号处理模块对学生的语音信息进行去噪处理(滤除环境噪声音)以提高声音匹配精度，语音匹配模块接收到学生语音信息与其存储的标准语音信息一致，则语音匹配模块向远程监控端发出报警信息。

当远程监控端接收到报警信息时，学生家长或老师能够通过远程监控端获取学生所在位置以及周围图像信息，如此，学生家长和老师能够及时获知学生的安全状态，若处于危险状态则能够及时前往救助。

上述实施方式中，基于物联网的学生安全监测系统设置在学生佩戴的手表上，其包括图像采集传感器、图像处理模块、传感集成模块、信号处理电路、gps定位模块、信号处理模块、第一触发模块、第二触发模块、中央控制器、振动比较模块、传输模块、语音匹配模块以及远程监控端，其中，通过振动传感器、信号处理电路以及振动比较模块实现在学生遇到危险时的被动报警，通过声音传感器、信号处理模块以及语音匹配模块实现在学生遇到危险时的主动报警，还通过对学生振动信号和声音信号的采集以触发图像采集传感器对周围图像进行采集，以使家长和老师对学生所处环境进行准确判断，再通过gps定位模块对学生的位置信息进行及时获知。

具体地，远程监控端以内置程序的应用模式设置在学生家长或老师的手机内。

具体地，将图像采集传感器传输至图像处理模块的图像定义为二维函数f(x,y)，其中x、y是空间坐标，其中遍历空间坐标为x1、x2…xn，y1、y2…yn，图像处理模块对接收到的图像信息进行图像去噪处理，去噪系数为k，其中，

经过图像处理模块处理后的图像为g(x,y)，图像处理模块通过对图像f(x,y)的邻域对比补偿对图像f(x,y)进行去噪处理以得到图像g(x,y)，则有，

g(x，y)＝k[f(x+1，y)+f(x，y+1)+f(x-1，y)+f(x，y-1)]；

图像处理模块将图像g(x,y)传输至中央控制器。

具体地，振动传感器用于采集手表的振动信号，将采集的振动信号转换为电压信号v0，并将电压信号v0传输至信号处理电路，v1为经过信号处理电路处理后的电压信号，信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元，振动传感器的输出端与信号放大单元的输入端连接，信号放大单元的输出端与信号滤波单元的输入端连接，信号滤波单元的输出端与中央控制器的输入端连接。

如图4所示，信号放大单元包括电阻r1-r7和运算放大器a1，其中，电阻r6为滑动变阻器；

其中，振动传感器的输出端与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端与运算放大器a1的反相输入端连接，电阻r1的另一端还与电阻r3的一端连接，电阻r2的一端接地，电阻r2的另一端与运算放大器a1的同相输入端连接，电阻r2的另一端还与电阻r5的一端连接，电阻r3的另一端与电阻r4的一端连接，电阻r4的另一端与运算放大器a1的输出端连接，电阻r5的另一端与电阻r7的一端连接，电阻r7的另一端接地，电阻r6的一端与电阻r5的另一端连接，电阻r6的另一端与电阻r3的另一端连接，电阻r4的另一端与信号滤波单元的输入端连接。

具体地，信号滤波单元包括电阻r8-r13、电容c1-c4以及运算放大器a2。

其中，信号放大单元的输出端与运算放大器a2的同相输入端连接，电容c3的一端与运算放大器a2的反相输入端连接，电容c3的一端与电阻r9的一端连接，电容c3的一端与电阻r8的一端连接，电容c3的另一端电阻r11的一端连接，电容c3的另一端与电阻r12的一端连接，电容c3的另一端与电容c4的一端连接，电容c4的另一端与运算放大器a2的输出端连接，电容c4的另一端与电阻r10的另一端连接，电容c4的另一端与电阻r8的另一端连接，电阻r13的一端接地，电阻r11的另一端与电阻r13的另一端连接，电阻r11的另一端与电容c1的一端连接，电阻r12的另一端与电阻r13的另一端连接，电阻r12的另一端与电容c2的一端连接，电容c1的另一端与电阻r9的另一端连接，电阻r9的另一端与电阻r10的一端连接，电容c2的另一端与电阻r10的一端连接，电容c4的另一端与中央控制器的输入端连接，信号滤波单元将电压信号v1传输至中央控制器。

上述实施方式中，信号处理电路的噪声在3.35nv以内，漂移为1.65μv/℃，运算放大器a1的型号为ca3193，运算放大器a2的型号为lt1192。

在信号放大单元中，对振动传感器采集的信号进行信号放大时，选择r1＝r2＝a,r3＝r4＝r5＝r7＝b，滑动变阻器r6的满程阻值为kb。

由于振动传感器输出电压只有几十mv，因此，在此需要对振动传感器采集的电压信号进行信号放大处理，在测量范围内，将信号放大单元的输出电压调节到0-0.4v，为使信号放大单元能够较好的对振动传感器采集的电压信号进行放大，在此采用增益可调的信号放大电路，其电路图如图4所示。

其中滑动变阻器r6的电阻kb可削弱信号放大单元的负反馈，k值取值越小，分流作用越大，放大倍数就越大，通过调整kb达到输出端为0.4v的要求，运算放大器a1选用高阻抗输入、低漂移的运算放大器，例如ca3193。

信号放大单元的输出信号为u1，则有输入信号v0和输出信号u1之间的关系如下所示：

由此可知，输出信号u1与输入信号v0呈线性关系，从实际数据中得到该信号放大单元的线性度很好。

在信号滤波单元中，设置电容c1＝c2＝c3＝c4＝c，电阻r9＝r10＝r11＝r12＝r，在此，通过设置电阻r8和电阻r13是对信号滤波单元的改进点，只要调节这两个电阻，就可以对信号滤波单元的q值进行调整，在电阻r8＞＞r时，电阻r8对中心频率几乎没有影响，电阻r8的作用相当于增加了图4所示信号滤波单元中两个串联电容的漏电流。在电阻r13＜＜r时，电阻r13的作用相当于增加了两个并联电容的等效串联电阻，因此，在电阻r8和电阻r13的共同作用下，对信号放大单元输出信号的尖峰信号有效滤波，并抑制信号滤波单元在温度变化时产生的漂移。

具体地，传输模块为2g/3g/4g/5g网络。

具体地，声音传感器将采集的到的声音信号传输至信号处理模块进行声音信号进行去噪处理，信号处理模块进行信号处理的步骤如下：

步骤1：声音传感器不间断采集环境噪声信号x(t)，其中t为时间参数；

步骤2：声音传感器将当前时刻的前一时刻的环境噪声信号x(t)传输至信号处理模块；

步骤3：声音传感器将当前时刻的声音信号y(t)传输至信号处理模块；

步骤4：信号处理模块根据接收到的环境噪声信号x(t)和声音信号y(t)计算当前时刻的声音信号z(t)，则有，z(t)＝y(t)-x(t)。

如图3所示，振动传感器包括壳体3、弹簧4、质量块5、金属圆片6以及压电片7，其中，在两片并联安装的压电片7中间，有一个金属圆片6作为振动传感器的输出极板，在压电片7和金属圆片6的上面，压有一质量块5，在质量块5的上面还有一弹簧4，其中，压电片7、金属圆片6、质量块5、弹簧4都装在同一个金属基座9上，在振动传感器受振时，质量块5加在压电片7上的力也随之变化，由于压电片7的压电效应，在压电片7的两个表面就产生交变的电荷量，由于压电片7结构阻尼小，从而压电片7受到的力正比于压电片7的压缩量。

上述实施方式中，振动传感器的特点是体积小、重量轻、工作频率范围宽、量程宽、适合于高频振动的测量。

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