徐筱竹，張海晴，胡棟輝，戴英明，馮永平

（廣州大學(xué)，廣州 510006）

本文設(shè)計研究的智能化兒童防性侵預(yù)警裝置其根本為可穿戴防身器材，防身器材是指公民為了實現(xiàn)私力救濟(jì)，通過一些手段在短距離內(nèi)抗衡暴力襲擊，暫時性的造成進(jìn)攻方行為障礙和身體傷害的防御器材[1]。但囿于該設(shè)計所防護(hù)的對象為兒童，筆者不得不考慮參考市場上常見的防身器材并進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，使其具備記錄犯罪行為證據(jù)，及時預(yù)警家長，警方迅速到場等功能，實現(xiàn)防止兒童性侵害的作用。

1 設(shè)計零件考慮

所設(shè)計的智能化兒童防性侵預(yù)警裝置主要為達(dá)到以下目的。

（1）記錄下犯罪分子的言行，使其無處可辯，減少因證據(jù)不足而造成無端釋放或存在誤判的情況。

（2）能為兒童的人身安全提高保障力度，幫助兒童健康成長，將兒童、家長和警方3方連接，避免遭受不法分子的侵害。

針對目的（1），據(jù)2020世界衛(wèi)生組織的一項調(diào)查顯示，在18歲前，每5個女孩中有1個和每13個男孩中就有1個受到性侵害[2]。我國的性侵兒童案件也頗多，且“女童保護(hù)”統(tǒng)計的2020年性侵兒童案例報告顯示，熟人作案占比為74.04%，陌生人作案占比25.96%[3]。那么由于多數(shù)為熟人作案及兒童對性行為意義的不理解使得該類案件難以發(fā)現(xiàn)或經(jīng)過很長時間才案發(fā)，這會導(dǎo)致該類兒童性侵案件開展偵查取證工作難度大，認(rèn)定難，從而難以提起公訴并判決[4]。故而首先考慮到設(shè)計零件為攝像頭。

針對目的（2），要將兒童、家長和警方3方連接，首先需要1個能夠?qū)?方連接的媒介，鑒于當(dāng)今社會的發(fā)展，考慮將軟件App用作媒介。選定媒介后，需要考慮對應(yīng)功能的零件，其一是定位器，通過定位器可以確定兒童的位置；其二是傳感器，傳感器需具備測心率、測聲音和測距的作用，方能結(jié)合算法做到預(yù)警；其三是選定通知警方的方式，事發(fā)突然孩子未必具有及時報警的觀念和時間，因此App需具有一鍵報警的功能，可將定位及預(yù)設(shè)的短信內(nèi)容發(fā)送至12110加電話區(qū)號后3位[5]。

還有一項重要設(shè)計是將上述零件一體化，使其完備為一個實用性強(qiáng)且便利的裝置。

2 設(shè)計原則

根據(jù)防身裝置理念和零件考慮，提出智能化兒童防性侵預(yù)警裝置的設(shè)計原則為以下幾點。

（1）裝置可適用于多種場景，不影響兒童的日常生活。

（2）充分考慮兒童遇害前后的預(yù)警及救治功能。

（3）對算法進(jìn)行貼合現(xiàn)實的設(shè)計，避免算法誤測導(dǎo)致多次重復(fù)預(yù)警。

3 攝像頭的選擇

攝像頭選擇需要滿足以下要求。

（1）滿足支持遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。

（2）兒童方無須聯(lián)網(wǎng)，流量消耗不大。

（3）圖傳清晰，不會有卡頓的現(xiàn)象發(fā)生。

在對比市面上的產(chǎn)品后，選定一款直徑為2.8 mm的圓形可吸附攝像頭，且其具有清晰度1080 p和支持4G款遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。經(jīng)過數(shù)據(jù)測試，該攝像頭可通過軟件圖傳畫面。

4 定位器的選擇

定位器具備定位和錄音功能，錄音可作證據(jù)，定位用于發(fā)送至警方。

在對比市面上的產(chǎn)品后，盡可能地選擇了一款3 mm×2 mm×1.7 mm的定位器，使其能夠配備于所使用的開發(fā)板上。通過該定位器提供的定位，可在實際測試中將定位發(fā)至12110。

5 傳感器的選擇

傳感器是該裝置中較為重要的一環(huán)。本裝置中為考慮充分，計劃配備心率傳感器、聲音傳感器和激光測距傳感器，使其能夠滿足應(yīng)對兒童遇險時的各種情況。譬如陌生人作案導(dǎo)致的兒童生理性緊張而使得心率增加；被誘騙兒童進(jìn)入陌生環(huán)境的異常聲音，如兒童哭聲和尖叫聲或不法分子布置環(huán)境的異常動靜；不法分子作案前對兒童的不合理接近而導(dǎo)致的距離過近。

故而，鑒于單一的傳感器很難同時滿足這些情況，筆者考慮綜合這3類傳感器。

首先是心率傳感器。傳統(tǒng)的脈搏測量方法易對監(jiān)測人的活動有所限制，不符合本裝置的要求，筆者考慮使用光電容積法。光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動時造成的透光率不同來進(jìn)行脈搏測量。而今，對于非接觸式心率的測量具有大量研究和應(yīng)用價值，相關(guān)的研究也為此加以佐證。如陳天舒[6]應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)差算法提高心率測量的準(zhǔn)確性，胡軍鋒和鄭彬[7]應(yīng)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型提高檢測精度等。由此，選定該方法作為心率測量方式是較為合適的，并且，在查找文獻(xiàn)時亦發(fā)現(xiàn)了其與可穿戴設(shè)備的結(jié)合，進(jìn)一步提供依據(jù)。

其次，聲音傳感器的作用相當(dāng)于一個話筒（麥克風(fēng)）。傳感器內(nèi)置一個對聲音敏感的電容式駐極體話筒。聲波使話筒內(nèi)的駐極體薄膜振動，導(dǎo)致電容的變化，而產(chǎn)生與之對應(yīng)變化的微小電壓。這一電壓隨后被轉(zhuǎn)化成0～5 V的電壓，經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D）轉(zhuǎn)換被數(shù)據(jù)采集器接收，并傳送給開發(fā)板。

最后，激光測距傳感器筆者選定TOF10120測距傳感器。其屬于雙向測距技術(shù)，利用數(shù)據(jù)信號在一對收發(fā)機(jī)之間往返的飛行時間來測量2點間的距離。將發(fā)射端發(fā)出數(shù)據(jù)信號和接收端接收到應(yīng)答信號的時間間隔記為Tt，接收端收到發(fā)射端的數(shù)據(jù)信號和發(fā)出應(yīng)答信號的時間間隔記為Tr，信號在這對收發(fā)機(jī)之間的單向飛行時間為，則2點間的距離d=c×Tf，其中c表示電磁波傳播速度。

6 一體化設(shè)計方案

首先根據(jù)所考慮的零件設(shè)計實物載體圖，根據(jù)所購置的具體零件尺寸，利用SolidWorks軟件進(jìn)行3D建模，構(gòu)建好模型后找廠家進(jìn)行工藝生產(chǎn)，其次再將元器件安裝進(jìn)模具，最后對其進(jìn)行數(shù)據(jù)測試。3D建模圖如圖1所示。

圖1 裝置3D建模圖

此外，這里對裝置承載體增加說明。裝置的承載體也是實現(xiàn)一體化的重要考慮，該承載體需滿足以下3個條件。

（1）足夠輕便，不影響兒童的日常生活。

（2）不具有危險系數(shù)，不易被歹徒察覺。

（3）需具有固定性，保持?jǐn)z像頭的穩(wěn)定向外。

筆者最后之所以選定而今的承載體是因為其與項鏈形似，在日常生活中佩戴不易被察覺異常，且不若手鏈等飾品存在易掉落的情況。

7 算法設(shè)計

算法將綜合心率、聲音和距離3個指標(biāo)設(shè)置安全參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)危險系數(shù)超過正常值便會連接到家長方的App進(jìn)行預(yù)警提醒，家長進(jìn)而對情況做出二次判斷，一定程度上降低誤判的可能性，保護(hù)兒童人身安全。

首先從心率考慮，在安靜的情況下，正常的心率范圍是60～100次/min。再參考對于聲音分貝的劃分表，并通過以上因素設(shè)計出危險評估的算法，具體有以下4組警報情況。

（1）心率小于55 bmp或大于105 bmp會警報。

（2）聲音分貝大于100 dB會警報。

（3）激光測距小于50 cm且大于30 cm時，心率小于58 bmp或者大于102 bmp，聲音分貝大于95 dB會警報（這3個條件要同時滿足）。

（4）激光測距小于30 cm時，心率小于60 bmp或者大于100 bmp，聲音分貝大于90 dB會警報（這3個條件要同時滿足）。

接著設(shè)定測試數(shù)據(jù)，設(shè)定距離數(shù)據(jù)時，使用同一個物體進(jìn)行激光測距；設(shè)定聲音分貝數(shù)據(jù)時，測試實驗室環(huán)境的聲音；設(shè)定心率數(shù)據(jù)時，測試同一個人在不同情境下的心率值。

測試時使用單片機(jī)Arduino UNO將心率傳感器和距離傳感器所獲得的心率數(shù)據(jù)和距離數(shù)據(jù)通過IIC接口傳回Arduino UNO，分別獲得心率參數(shù)和距離參數(shù)，聲音傳感器是使用Arduino UNO讀取聲音傳感器輸出端的電壓，通過電壓大小與分貝的關(guān)系進(jìn)行換算得出分貝參數(shù)，最后將這些參數(shù)導(dǎo)入算法軟件當(dāng)中。

分別用心率傳感器、聲音傳感器和激光測距傳感器測得的10組數(shù)據(jù)并通過CodeBlocks輸出的結(jié)果見表1。

表1 測試數(shù)據(jù)與結(jié)果

收到警報后，家長可以通過攝像頭的App及定位器查看情況，而后進(jìn)一步判斷危險情況。

由測試結(jié)果可看出，測試數(shù)據(jù)按照設(shè)計預(yù)期輸出了結(jié)果，那么具體在實際中會有怎樣的優(yōu)勢呢？詳見下節(jié)的對比分析。

8 設(shè)計方案評價

通過上文筆者已經(jīng)初步完成了裝置雛形的設(shè)置及算法設(shè)計，因此考慮將其與目前市面上常見的2種裝置進(jìn)行對比分析，進(jìn)一步體現(xiàn)該裝置的優(yōu)勢與特點。

產(chǎn)品A：可GPS實時定位和電話短信通知，雙擊快速救援，無須手機(jī)。

產(chǎn)品B：鎖扣佩戴，可定位和一鍵撥號及具有高清通話和手機(jī)聽音的功能。

通過對實際案件情況的收集，筆者選定其中一例作為情境測試3個裝置應(yīng)對實際情況的防護(hù)效果。具體情境如下。

9歲兒童寧寧（化名）放學(xué)后跑到鄰居（即不法分子）家找他的孫女玩，玩了一會兒后鄰居要求寧寧單獨留下，說要出幾道題單獨考她而后卻將其帶入臥室打開電視讓寧寧看，實則播放黃片并將寧寧抱進(jìn)懷里。

在此情境下，會出現(xiàn)以下情況反應(yīng)：①女童出現(xiàn)異常的心率波動；②環(huán)境音出現(xiàn)異常增高；③與兒童間存在非正常的社交距離。

再分別觀測3個設(shè)備所能夠提供的防護(hù)功能。

產(chǎn)品A：第一，如果該兒童具備安全教育意識，會在第一時間按下設(shè)備快速救援，但是存在無法將產(chǎn)品從包內(nèi)拿出的機(jī)會；第二，如果該兒童不具備安全教育意識且鄰居為熟人，將很難在孩童遇害前對其進(jìn)行解救，且事后兒童也可能受到鄰居恐嚇閉口不談，使得該事件失去取證機(jī)會。

產(chǎn)品B：第一，如果該兒童具備安全教育意識，可使用一鍵撥號的功能聯(lián)系家人，且鑒于是按鈕外形不易被犯罪分子所察覺，因此可以在孩童遇害前對其進(jìn)行解救；第二，如果該兒童不具備安全教育意識且鄰居為熟人，即使該設(shè)備具備聽音功能，也無法保證家長能夠在那一時刻進(jìn)行聽音且極有可能因為是熟人，家長也放松警惕，故而難以在孩童遇害前對其進(jìn)行解救。

智能化兒童防性侵預(yù)警裝置：無論兒童是否具備安全教育意識，在出現(xiàn)上文提及的3個反應(yīng)時，該設(shè)備便會向家長方發(fā)出預(yù)警提醒，家長可在第一時間將定位發(fā)至警方，同時因距離近也可迅速抵達(dá)現(xiàn)場，在孩童遇害前對其進(jìn)行解救。

由以上對比分析可看出，產(chǎn)品A與產(chǎn)品B的使用均有可能因不法分子是熟人而放松對孩子的防護(hù)力，而本文所設(shè)計的裝置效果最優(yōu)，具有相當(dāng)?shù)墓叫?，依照?shù)據(jù)算法支持，隨時對家長方進(jìn)行預(yù)警提醒，防止案件的發(fā)生，保護(hù)兒童。

9 結(jié)束語

我國對兒童性侵害的防護(hù)目前仍存在漏洞，無論是對不法分子的犯罪證據(jù)認(rèn)定方面，還是人們對于該事件所產(chǎn)生的抵觸羞愧心理，即所謂的認(rèn)為家丑不可外揚。因此，針對兒童防性侵的裝置設(shè)計很有必要。本文所設(shè)計的智能化兒童防性侵預(yù)警裝置已初具雛形且通過與市面上常見的產(chǎn)品進(jìn)行情境下的對比分析證明該裝置能滿足防護(hù)要求且效果優(yōu)越，故而未來在現(xiàn)有裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級優(yōu)化是很有展望性的。