葉品菊 王紅偉 龐云昊 劉思遠(yuǎn)

摘要：目前大部分家長無法實(shí)時感知幼兒教育機(jī)構(gòu)的環(huán)境參數(shù)、幼兒實(shí)時的生理體征、地理位置信息，幼兒教育機(jī)構(gòu)也無法完全保證接送幼兒的是否是幼兒的親屬。幼兒是弱勢群體且沒有足夠的信息識別能力、語言表達(dá)能力、自我防衛(wèi)能力，本系統(tǒng)旨在通過科技賦能，讓家長、幼兒教育機(jī)構(gòu)可以實(shí)時感知各種與幼兒安全相關(guān)的要素，獲取實(shí)時的安全異常告警，以協(xié)助家長、幼兒教育機(jī)構(gòu)給幼兒提供舒適、安全的教育環(huán)境，解決社會的痛點(diǎn)問題。該系統(tǒng)主要用到了智能穿戴、智能家居等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)幼兒園環(huán)境監(jiān)測，幼兒的體溫、心率、位置等監(jiān)測，幼兒異常提醒以及監(jiān)護(hù)人獲取幼兒園、幼兒實(shí)時數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：幼兒監(jiān)護(hù);幼兒園;人工智能

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）18-0196-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

幼兒較于成人，幼小的孩子毫無疑問地處于弱勢地位。由于幼兒園孩子年齡很小，陳述能力較差，說的話也很難被信服，一旦遭受到外界的沖擊，很容易留下后遺癥，阻礙其健康成長。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2010年到2020年十年間幼兒園虐童事件超過100起，典型案例見表1：

針對于此本文提出了基于人工智能的智慧幼兒園安全監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于智能家居、智能穿戴、生物特征識別等前沿技術(shù)組成。對處于幼兒園的學(xué)生進(jìn)行定期、定人、定點(diǎn)進(jìn)行安全檢測，并做好記錄。通過該系統(tǒng)輔助消減幼兒遭受園內(nèi)虐待、拐賣、環(huán)境毒害等問題。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)簡介

2.1智能穿戴技術(shù)

智能穿戴又可以稱為可穿戴設(shè)備，是應(yīng)用穿戴式技術(shù)對日常穿戴進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)、開發(fā)可以穿戴的設(shè)備的總稱，如眼鏡、手表、服飾以及鞋子等。智能手環(huán)就是智能穿戴的一個成熟產(chǎn)品，可以用于監(jiān)測幼兒地理位置、體溫、心率等特征。

2.2智能家居技術(shù)

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。目前米家已經(jīng)可以實(shí)時采集各類環(huán)境數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)中應(yīng)用此技術(shù)監(jiān)測幼兒園的溫度、濕度、空氣質(zhì)量、噪音、輻射等與幼兒生命健康息息相關(guān)的環(huán)境問題。

2.3生物識別AI技術(shù)

生物識別技術(shù)就是通過計(jì)算機(jī)與光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器和生物統(tǒng)計(jì)學(xué)原理等高科技手段密切結(jié)合，利用人體固有的生理特性，（如指紋、臉象、虹膜等）和行為特征（如筆跡、聲音、步態(tài)等）來進(jìn)行個人身份的鑒定。本系統(tǒng)中主要運(yùn)用到了生物識別AI技術(shù)的聲紋識別技術(shù)以及人臉識別技術(shù)：

聲紋識別是一種通過聲音辨別說話人身份的技術(shù)，應(yīng)用此技術(shù)是對幼兒的情緒進(jìn)行監(jiān)控，人工智能識別可以識別聲紋，識別幼兒的哭聲和笑聲判斷幼兒在幼兒園的心理狀態(tài)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用前端微信小程序/公眾號，后端javaweb服務(wù)器的方式實(shí)現(xiàn)幼兒、幼兒教機(jī)構(gòu)、監(jiān)護(hù)人三個個體之間的交互。采用軟硬結(jié)合的技術(shù)手段，通過智能穿戴、智能家居等硬件采集幼兒身體狀況數(shù)據(jù)、實(shí)時位置信息、幼兒園環(huán)境數(shù)據(jù)，上傳到服務(wù)器端，經(jīng)過云平臺、大數(shù)據(jù)、流計(jì)算等技術(shù)對數(shù)據(jù)分析和處理后，通過小程序/公眾號反饋給用戶。服務(wù)器端如監(jiān)測到異常情況會通過服務(wù)號給監(jiān)護(hù)人發(fā)送消息提醒，同時給幼兒園發(fā)出警報(bào)。

3.2幼兒模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)智能穿戴的主要載體為智能手環(huán)，幼兒佩戴智能手環(huán)可實(shí)時采集幼兒的心率、體溫、地理位置信息、聲紋匹配信息等，判斷幼兒是否有突發(fā)疾病，是否存在被拐賣風(fēng)險。但是目前大多數(shù)手環(huán)只支持心率，支持體溫檢測的較少，需要進(jìn)行硬件集成同時支持心率、體溫、地理位置信息采集，以及聲紋識別功能，保證幼兒身體異常時能夠及時發(fā)現(xiàn)，幼兒不慎走失時能夠快速定位，通過聲紋識別幼兒哭鬧聲，防止幼兒被惡意虐待等。

3.3幼兒園模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)智能家居的主要載體是空氣質(zhì)量檢測儀、水質(zhì)檢測儀、噪聲監(jiān)測儀，光照強(qiáng)度監(jiān)測儀等，幼兒園需安裝智能家居設(shè)備實(shí)時采集園內(nèi)的環(huán)境信息包括空氣濕度、溫度、PM2.5、甲醛、水硬度、噪聲分貝、光強(qiáng)等，并將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器。

同時幼兒園應(yīng)用生物識別AI技術(shù)設(shè)置門禁，幼兒親屬需要預(yù)先通過拍照等方式提取聲紋、臉部網(wǎng)格、指紋等生理特征，親屬接送幼兒時通過人臉識別技術(shù)、指紋識別技術(shù)、聲紋識別技術(shù)等識別幼兒親屬，驗(yàn)證通過后幼兒親屬方可接送幼兒，如驗(yàn)證不通過需提供有效證件證明身份及與幼兒關(guān)系。

3.4監(jiān)護(hù)人模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)護(hù)人通過小程序/公眾號訪問遠(yuǎn)程服務(wù)器獲取幼兒生命體特征實(shí)時信息及歷史波動，獲取幼兒地理位置信息結(jié)合百度、高德地圖等實(shí)現(xiàn)實(shí)時位置跟蹤及歷史軌跡查詢，獲取幼兒教育機(jī)構(gòu)實(shí)時室內(nèi)外環(huán)境信息。當(dāng)系統(tǒng)檢測出幼兒身體出現(xiàn)異?；蚨ㄎ晃恢卯惓?，會通過服務(wù)號給監(jiān)護(hù)人發(fā)送異常情況的消息提醒。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1系統(tǒng)頁面展示

為了做到實(shí)時監(jiān)控，服務(wù)端使用EasyDarwin作為流媒體服務(wù)器，ffmpeg進(jìn)行推流，同時配合Websocket進(jìn)行主動推送流媒體。Rtsp作為實(shí)時流傳輸協(xié)議，可以做到服務(wù)端與客戶端的雙向通信?？蛻舳耸褂胘smpeg對服務(wù)端推送的流媒體進(jìn)行解碼并顯示在頁面上。進(jìn)入首頁可以看到監(jiān)控視頻及當(dāng)前幼兒園的溫度、濕度、空氣質(zhì)量、噪音分貝等;同時顯示幼兒當(dāng)前體溫、心率、情緒、位置等信息。

4.2系統(tǒng)工具

前端微信小程序搭建，后端使用IDEA進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)，數(shù)據(jù)庫使用Mysql。

4.3主要程序代碼

4.3.1定位獲取天氣

通過訪問查詢ip接口查詢出ip的所在地，使用splite分割出返回的json的文本，再通過天氣網(wǎng)的api查詢本地的天氣。

getEnData（）{

axios.get（'https：//v0.yiketianqi.com/api？version=v61&appid=87978398&appsecret=h1aKqCVe&city=returnCity'） .then（res => {

this.weather = res.data;

}）.catch（err => {

}）

}

4.3.2首頁進(jìn)度圈

考慮到頁面美觀與后續(xù)的布局，本團(tuán)隊(duì)決定以圓形進(jìn)度條進(jìn)行展示。在頁面加載完成后通過網(wǎng)絡(luò)請求獲取所有數(shù)據(jù)，篩選出當(dāng)前頁面所需數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為百分比形式后，綁定到對應(yīng)的進(jìn)度圈組件上。

created（） {

setTimeout（（） => {

this.percentage1= childMessage.tem;

this.percentage2= childMessage.heart;

this.percentage4= childMessage.emotions;

}，100）;

this.getEnData（）;

}

4.3.3監(jiān)控

監(jiān)控部分對幼兒日常、居住環(huán)境進(jìn)行視頻的監(jiān)控，將監(jiān)控視頻上傳到服務(wù)器端供幼兒教育機(jī)構(gòu)和監(jiān)護(hù)人查看，該部分需要有硬件采集視頻。

監(jiān)控?cái)z像頭將監(jiān)控畫面實(shí)時上傳到相對應(yīng)的服務(wù)器，通過ffmpeg將視頻、音頻轉(zhuǎn)化為視頻流、音頻流。

網(wǎng)頁通過Websokcet協(xié)議進(jìn)行與服務(wù)器連接，進(jìn)行視頻流實(shí)時推送，視頻流使用JSMpeg進(jìn)行MPEG視頻解碼并顯示。

var streamServer = http.createServer（ function（request， response） {

var params = request.url.substr（1）.split（'/'）;

if （params[0] ！== STREAM_SECRET） {

console.log（

'Failed Stream Connection： '+ request.socket.remoteAddress + '：' +

request.socket.remotePort + ' - wrong secret.'

）;

response.end（）;

}

response.connection.setTimeout（0）;

console.log（

'Stream Connected： ' +

request.socket.remoteAddress + '：' +

request.socket.remotePort

）;

request.on（'data'， function（data）{

socketServer.broadcast（data）;

if （request.socket.recording） {

request.socket.recording.write（data）;

}

}）;

request.on（'end'，function（）{

console.log（'close'）;

if （request.socket.recording） {

request.socket.recording.close（）;

}

}）;

// Record the stream to a local file？

if （RECORD_STREAM） {

var path = 'recordings/' + Date.now（） + '.ts';

request.socket.recording = fs.createWriteStream（path）;

}

}）

5 總結(jié)

本系統(tǒng)構(gòu)想出了一個軟硬結(jié)合的幼兒園安全信息化監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，整合了當(dāng)下前沿技術(shù)，進(jìn)行了監(jiān)護(hù)模式的創(chuàng)新，基于已有的成熟技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)集成，創(chuàng)造一個集成一體化的創(chuàng)新性幼兒安全監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，致力于通過科技保護(hù)幼兒弱勢群體，幫助家長、幼兒教育機(jī)構(gòu)構(gòu)建一個安全、舒適的幼兒教育環(huán)境。

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【通聯(lián)編輯：王力】