梅宇翔，郭宗蔚，雷夢瑤

（西安培華學院，陜西西安，710125）

0 引言

近年來，不同類型的校園欺凌事件頻繁上演，學生的安全問題成為家長最關心的問題。無論是欺凌者或是受害者一旦經受過校園暴力都會產生巨大的負面影響，這也是社會高度關注的原因。防欺凌報警器包括語音識別技術，AI 自動報警器等。還具有通信功能，可以即時通知老師和工作人員對其進行制止。

雖然如今市面上的報警器并沒有完全普及，并且學校對加強這方面的措施有限，極少有對報警器的需求。但是隨著科技的提升和發(fā)展，國家對教育的支持，防欺凌報警器這樣實用性強的產品會得到推廣和實行。

1 防欺凌報警器的需求分析

校園欺凌是一個全球性的問題，據統(tǒng)計，在中國，32.5%的學生偶爾遭受過欺凌，6.1%的學生經常遭受高年級同學的欺凌。同樣的，美國有20%的中學生遭受過校園欺凌，日本2019 年有超過61 萬起的校園欺凌事件發(fā)生。

聯合國教科文組織的一份調研報告顯示[1]，全世界每3個學生中就有1 個曾經遭受過欺凌。由于被欺凌的學生常常會感到膽怯、擔心被報復或覺得羞恥，導致絕大多數都選擇忍氣吞聲、隱而不報。這使得校方和家長難以知曉欺凌的情況，也導致被欺凌的學生得不到應有的關注和幫助。

為了解決這一問題，可以考慮在學校安裝防欺凌報警器。這種報警器可以在視頻監(jiān)控無法覆蓋到的地方（如廁所、宿舍等偏僻角落）進行安裝，通過對異常聲檢測，能夠對尖叫、謾罵、打斗等聲音進行識別，并自動發(fā)出報警。在后期，這種報警器還可以植入先進的聲紋識別技術[2]，能夠通過聲音識別當事人的身份，從而更有效地震懾欺凌者，并追責到人，保護學生的人身安全，杜絕校內欺凌事件的發(fā)生。

防欺凌報警器的使用可以讓學生在遇到欺凌或危險時，及時發(fā)出報警，得到及時的幫助。同時，這種報警器還能夠提醒學生和老師注意自身安全，為避免欺凌事件的發(fā)生做出貢獻。總的來說，防欺凌報警器是一種有效的解決校園欺凌問題的方案，值得推廣應用。

2 防欺凌報警器的設計結構與功能

防欺凌報警器模型如圖1 所示，防欺凌報警器是以防止校園暴力作為出發(fā)點來設計的，它可以有效地解決校園欺凌問題，使校園對這方面問題管理更加全面化。相比傳統(tǒng)的監(jiān)控設備，報警器可以覆蓋到監(jiān)控不能觸及的死角區(qū)域。防欺凌報警器可以和監(jiān)控設備“聯動起來”，覆蓋校園，做到無死角管理，以報警器的聲光兩種方式進行警報?？梢愿玫叵蛐７椒从尘唧w的問題，從而有效地管控校園欺凌行為。它的系統(tǒng)結構框圖如圖2 所示。

圖1 校園防欺凌系統(tǒng)模型圖

圖2 校園防欺凌系統(tǒng)方框圖

2.1 主控模塊

采用Raspberry Pi 3B+開發(fā)板作為整個系統(tǒng)的基礎。此開發(fā)板具有豐富的拓展接口，并且集成有無線網絡和有線網絡接口，可以保證信息傳遞的高效性。

2.2 電源模塊

兩種供電模式設計用于保證在適配器接入時5V 可以直接供電，而在沒有適配器的情況下，鋰電池可以使用來供電[3]，特別是在突發(fā)情況下，如學校中突然停電時，鋰電池供電將保證報警器的正常工作。

鋰電池的充電要求較高，需要采用專用的恒壓恒流充電器進行充電，充電電流在0.2C~0.8C 之間比較適宜，下面介紹采用TP4056 充電IC 的鋰電池充電方案。

TP4056 是一種全能的單節(jié)鋰離子電池充電器，其構成由少量外部元件和SOP8 封裝組成，是便攜式應用的標準。它可以與USB 電源或充電器適配器共同工作，無需外部隔離二極管，內置PMOSFET 架構和倒充電防護電路。它可以以恒定電流或恒定電壓的模式來充電，可以最大程度地利用其便攜性、使用方便性以及安全性，TP4056 是一款可用于充電的單節(jié)鋰離子電池充電器，采用SOP8 封裝，外加少數外部元件，可搭配USB 電源或適配器電源合作，可以用電阻進行外部設置。此外，它還采用了熱反饋，可以在較高的環(huán)境溫度下實現自動調整充電電流，可根據用戶設定達到最終浮充電壓，最終將會在充電電壓降至設定值1/10 時自動停止充電[4]。

2.3 關鍵詞語音識別模塊

基于Raspberry Pi 的ReSpeaker 4-Mic 陣列是一款適用于AI 和語音應用的Raspberry Pi 的四通道麥克風擴展板。這意味著可以借助它構建一個集成Amazon Alexa語音服務，Google 助手等，功能更強大，更靈活的語音產品[5]。該板基于AC108，擁有用于高清晰度語音捕獲的四通道ADC，可以I2S/TDM 輸出，具備拾取3 米半徑聲音的能力，是一款用于語音應用的高效設備[6]。

在低噪聲、無混響、距離聲源很近的情況下，單麥克風系統(tǒng)可以獲得符合語音識別需求的聲音信號。但是，在距離聲源較遠，并且存在大量噪聲、多徑反射和混響時，拾取信號的質量會下降，對語音識別率產生嚴重影響[7]。而且，單麥克風接收的信號，是由多個聲源和環(huán)境噪聲疊加的，很難實現各個聲源的分離。

麥克風陣列的概念需要一組麥克風以特定的幾何結構如線形或環(huán)形擺放。通過空時處理，可以有效地抑制噪聲、去除混響、抑制人聲干擾、測向聲源、跟蹤聲源以及增強陣列增益，從而提升語音處理質量，從而提高真實環(huán)境下語音識別率[8]。

2.4 聲光報警模塊

語音報警模塊通過3.5mm 音頻插孔或者JST2.0 揚聲器接入，解碼數字音頻信號，模擬音頻信號前置放大，功率放大并播放。蜂鳴器報警電路主要是針對接收到求救信號時，報警提醒欺凌者停止欺凌。當系統(tǒng)識別到預先設定好的關鍵詞時便會發(fā)出警報，對欺凌行為進行制止。同時警報燈也會閃爍對欺凌者進行警告。整個硬件的控制核心是ESP8266 控制器，由于ESP8266 本身就兼具數據處理和WiFi 無線功能，所以ESP8266 連接WiFi 后能夠實現將采集到的傳感器數據進行實時上傳到云端。

2.5 信息發(fā)送模塊

報警信息發(fā)送與聲光警報同步執(zhí)行，通過系統(tǒng)內置程序將報警信息發(fā)送至管理人員?？梢酝ㄟ^校園網進行發(fā)送，也可以通過網線聯網進行發(fā)送。通過局域網可以連接到專門的智能控制軟件進行報警信息的發(fā)送。

2.6 信息存儲模塊

當系統(tǒng)偵測到欺凌行為時，會對時間、地點和檢測到的聲音信息進行保存[9]。后采用SD 儲存卡儲存識別到的信息，并設置程序每30 天覆蓋一次。其對事件的處理會更加方便，也可以起到一定的警示作用。

報警器系統(tǒng)面板設計如圖3 所示。

圖3 校園防欺凌系統(tǒng)面板設計圖

2.7 智能控制模塊

采用ESP-01S 模塊實現遠程智能控制報警器，并可以遠程實時查看報警器的狀態(tài)。通過 CH340C 燒錄器給 ESP-01 模塊刷入可供 HomeKit 識別的固件（Home Accessory Architect），ESP 通過繼電器的開關控制線路的通斷從而控制設備開關。電源模塊不能直接接入220V 電源，需要做降壓處理。

智能模塊接線圖如圖4 所示。減壓模塊接線圖如圖5所示。

圖4 智能模塊接線圖

圖5 減壓模塊接線圖

3 報警器系統(tǒng)軟件平臺設計

3.1 主控模塊

利用硬件電路和編程技術，可以開發(fā)程序完成預定義的功能，這有助于實現高性能、低復雜性的設備。采用現代的計算機系統(tǒng)結構，可以將功能更好地實施到業(yè)界中，幫助企業(yè)及用戶提升效率，并同時保證速度與精度。此外，通過在高靈敏度同時具有高精度和耐用度的集成電路上實現硬件組件，可以深入了解系統(tǒng)運行情況，以便對緊急情況及時做出反應，提高設備的安全性。防欺凌系統(tǒng)的核心芯片是AC108，此芯片有多種拓展接口，可以接入光源和音頻輸出。雙麥克風增強了聲音的識別效率，保證了報警器的可靠性。與Raspberry Pi 3B+配合使用，簡化了系統(tǒng)開發(fā)流程。整個系統(tǒng)分為硬件初始化、語音識別、發(fā)出警報并發(fā)送報警信息、信息存儲等。系統(tǒng)軟件結構如圖6 所示。

圖6 校園防欺凌系統(tǒng)軟件流程圖

AC108 主控芯片的程序設計包含了多個驅動程序，它們實現了整個系統(tǒng)的分模塊驅動和功能操作的設計，旨在滿足不同用戶的實際需求，這樣可以確保開發(fā)過程中程序穩(wěn)定性最大，以達到有效抗干擾、節(jié)約硬件資源和最大限度地實現通信功能的目的[10]。

3.2 語音識別模塊

語音識別包含了訓練和識別階段。為了實現最終的識別目標，輸入聲音必須進行前處理和特征抽取。在訓練階段，通過多次訓練聲音，生成的標記矢量參數會構建一個語音模型庫。在識別階段，將輸入語音的參數與模型庫中的模型進行匹配，最接近的參數作為最終識別的結果輸出。經過這一流程，語音識別目標就得到了實現[11]。語音識別的流程如圖7 所示。

圖7 語音識別流程圖

3.3 信息儲存模塊

傳統(tǒng)的關系型數據庫主要是為針對結構化數據設計的，雖然有一些字段格式可以用來存儲，但性能表現不佳。對于非結構化的數據，如視頻、音頻和圖片，NoSQL 類型的數據庫可以應用在這種場景，但由于其數據存儲單元是為小文件而設計的，因此面對大尺寸的文件，速度仍會有所影響。

當想要存儲這類特殊文件到數據庫時，會出現消耗大量內存、讀取緩慢，導致低效率的問題，因為每次都需要將數據以數據流的方式從數據庫中讀取返回用戶請求，這會耗費大量的數據庫資源。因此，更好的做法是把大尺寸文件存儲在本地文件服務器中，然后將存儲在本地文件服務器上的文件路徑存儲在數據庫中。這樣，當有用戶請求某個特殊文件時，系統(tǒng)就可以快速定位并下載該文件，返回給用戶[12]。數據庫設計如圖8 所示。

圖8 數據庫設計圖

3.4 遠程控制模塊

智能控制模塊采用的 ESP8266 芯片，通過 CH340C 燒錄器刷入可以移動設備進行通訊的固件，以此來實現設備的遠程控制以及智能化操作。刷入固件后的ESP8266 可以連接局域網，當遠程端發(fā)出指令時，首先傳輸到局域網發(fā)射端，發(fā)射端再將指令轉發(fā)到ESP8266 實現遠程控制。在遠程端與接收端未處于同一網絡環(huán)境時，可以對與接收端處于同一網絡的設備設置指令的轉發(fā)。當遠程端發(fā)出指令時，通過與接收端處于同一局域網的設備發(fā)送指令，從而突破局域網的傳輸限制。遠程控制示意圖如圖9 所示。

圖9 遠程控制示意圖

4 總結

校園不僅需要眼睛，也需要耳朵。防欺凌報警器的出現反映了國家對教育發(fā)展的重視，滿足了當前人類社會的需要。用科技來保護每個孩子的人身安全，讓孩子們在充滿安全的環(huán)境下自信、健康地成長。解決了大多數校園內的安全盲區(qū)，填補了校園安全的監(jiān)控空白地帶。讓欺凌者暴露在真空中，從根源上阻止校園欺凌的發(fā)生。因此，防欺凌報警器的研究是非常有必要的。未來會有越來越多的新技術能夠和場景結合起來，切切實實地解決實際的問題，為人類的科學事業(yè)和幸福做出貢獻。本系統(tǒng)的設計有待完善，但寄托了對美好校園生活的向往。結合創(chuàng)新展現了多功能的報警器，為社會而用為人類而用。