摘 要：為了加強(qiáng)對(duì)兒童的管理，AI兒童成長(zhǎng)系統(tǒng)以平安家庭、智慧陪伴為切入點(diǎn)，通過搭建YOLOv5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來捕獲兒童居家的微表情與動(dòng)作，利用人體姿態(tài)識(shí)別與人臉活體檢測(cè)算法對(duì)家庭進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，促進(jìn)兒童養(yǎng)成良好習(xí)慣，若發(fā)現(xiàn)有可疑人員則及時(shí)進(jìn)行報(bào)警處理。集智慧陪伴、家庭安全于一體的智能管理系統(tǒng)能夠?yàn)榧彝ヌ峁┒鄬哟?、全方位的智能化服?wù)。不僅能夠有效解決幼童玩耍后玩具雜亂和收納困難等問題，還能夠?qū)崿F(xiàn)幼童的智能化輔助看管，具有監(jiān)控、識(shí)別、報(bào)警、記錄等功能。

關(guān)鍵詞：人臉識(shí)別；視頻圖像處理技術(shù)；大數(shù)據(jù)分析；云服務(wù)；人機(jī)交互；YOLOv5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP273；TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）03-00-03

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人口年齡結(jié)構(gòu)急劇變化，使得孩子常常得不到周到的照料。深入市場(chǎng)調(diào)查后我們發(fā)現(xiàn)一部分家長(zhǎng)會(huì)在市面上專門購(gòu)買一些兒童收納箱來收納孩子們的玩具。但比較后發(fā)現(xiàn)，市面上的收納箱大同小異，收納裝置功能單一，缺乏趣味，缺少細(xì)節(jié)的分類，仍然是雜亂無章地將玩具收納在收納箱之中，一定程度上增加了玩具的損傷率[1-3]。

在上述背景下，本項(xiàng)目致力于設(shè)計(jì)一個(gè)集智慧陪伴和安全防護(hù)于一體的兒童成長(zhǎng)系統(tǒng)。該智慧型兒童成長(zhǎng)系統(tǒng)不僅能夠有效解決幼童玩耍后玩具雜亂和收納困難等問題，還能夠?qū)崿F(xiàn)幼童的智能化輔助看管，具有監(jiān)控、識(shí)別、報(bào)警、記錄等功能。相比于傳統(tǒng)收納柜，本項(xiàng)目可緩解家長(zhǎng)收拾玩具的壓力，幫助引導(dǎo)孩子有序排放玩具，同時(shí)解決現(xiàn)有兒童安全、教育、學(xué)習(xí)等問題，記錄兒童成長(zhǎng)瞬間。更重要的是，該系統(tǒng)收納柜通過人機(jī)語音交互子系統(tǒng)進(jìn)行健康提醒，定時(shí)提醒孩子活動(dòng)身體、休息飲水等，以便養(yǎng)成健康小習(xí)慣，還能夠通過題庫作答情況進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，了解孩子的興趣愛好。除此之外，還具有監(jiān)控孩子周圍環(huán)境和安全的功能，可以將識(shí)別到的陌生面孔遠(yuǎn)程傳輸?shù)郊议L(zhǎng)手機(jī)APP上，進(jìn)一步保障兒童的安全。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)選用STM32和樹莓派4B雙主控作為核心控制，二者共同協(xié)作控制系統(tǒng)。STM32是目前最流行的嵌入式控制處理器之一，擁有超高的處理速度和運(yùn)行速度；樹莓派4B具有完整的程序框架支持，內(nèi)存容量能夠同時(shí)運(yùn)行多種不同的網(wǎng)絡(luò)，并且能將復(fù)雜的計(jì)算機(jī)視覺算法應(yīng)用在各種復(fù)雜的模型中[4-7]。智慧型兒童成長(zhǎng)系統(tǒng)的功能模塊主要有：題庫積分系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、WiFi通信模塊、語音識(shí)別模塊、人臉活體檢測(cè)、自控開關(guān)門、人機(jī)交互界面等。語音識(shí)別模塊和攝像頭模塊作為智慧型兒童成長(zhǎng)系統(tǒng)的識(shí)別部分；繼電器、電機(jī)、電子鎖作為兒童成長(zhǎng)系統(tǒng)的控制部分；管理端APP和可視化QT界面構(gòu)成交互體驗(yàn)系統(tǒng)。各個(gè)部分相互級(jí)聯(lián)、相互作用、相互協(xié)作。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)本項(xiàng)目，需設(shè)計(jì)并且制作一臺(tái)體積約為（50×50×76）cm3的集智慧陪伴與安全防護(hù)于一體的兒童成長(zhǎng)系統(tǒng)。裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2為設(shè)計(jì)的三維模型，其中①為3D視覺傳感器Kinect攝像頭模塊；②為語音識(shí)別四陣列麥克風(fēng)；③為交互體驗(yàn)系統(tǒng)的可視化QT界面；④為體積為（18×48×11）cm3的固定儲(chǔ)物格；⑤為柜子背部散熱裝置；⑥為控制電路，用于控制智慧型兒童成長(zhǎng)系統(tǒng)的諸多功能；⑦為可移動(dòng)巡航部分，便于搬運(yùn)移動(dòng)；⑧為以樹莓派為主的控制電路主控板。

2.2 控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)與制作

在設(shè)備的控制上，需要設(shè)計(jì)一套可以嵌入智慧型兒童成長(zhǎng)系統(tǒng)的電路系統(tǒng)，用于控制各個(gè)模塊的運(yùn)行以及與交互部分的通信。選用STM32、樹莓派4B作為系統(tǒng)的雙主控，外設(shè)搭建攝像頭模塊、繼電器、電機(jī)模塊、顯示屏及其他輔助模塊。通過STM32和樹莓派4B驅(qū)動(dòng)每一個(gè)模塊并結(jié)合起來，構(gòu)成控制電路系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用STM32搭建各種外設(shè)模塊，選用樹莓派搭建QT界面、人臉活體檢測(cè)與各子系統(tǒng)之間的關(guān)系算法，共同運(yùn)營(yíng)測(cè)試。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 大數(shù)據(jù)分析部分

將孩子所做題目類型，通過題庫采集記錄，以實(shí)時(shí)或批量的方式匯聚到HDFS文件系統(tǒng)中，再通過mapreduce程序?qū)Σ杉降狞c(diǎn)擊流數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)計(jì)算四個(gè)流程濾除臟數(shù)據(jù)，提取有用數(shù)據(jù)等。接著將預(yù)處理之后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到HIVE倉(cāng)庫的相應(yīng)庫和表中存儲(chǔ)起來。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)需求開發(fā)ETL分析語句，運(yùn)用高效的數(shù)據(jù)算法處理海量結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)得出各種統(tǒng)計(jì)結(jié)果。最后，將分析數(shù)據(jù)可視化，用戶可通過APP或者UI選擇列表、條形圖、環(huán)形圖等多種方式呈現(xiàn)孩子的興趣愛好。

3.2 人臉活體檢測(cè)部分

系統(tǒng)基于優(yōu)化的LBPH算法和Kinect v2傳感器的人臉識(shí)別算法。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，人臉識(shí)別率為98%，可行性較大；在活體識(shí)別方面，考慮到多線程的任務(wù)和樹莓派的機(jī)能限制，為保證程序的穩(wěn)定性，我們使用了百度云活體識(shí)別API，將處理好的圖片信息上傳至百度云的平臺(tái)上獲取活體檢測(cè)的對(duì)比度來實(shí)現(xiàn)此功能，這樣也減少了程序的運(yùn)算量，降低處理器的功耗，在嵌入式設(shè)備上也更加節(jié)省電量。

3.3 人機(jī)語音交互部分

基于樹莓派，通過接入U(xiǎn)SB聲卡和麥克風(fēng)，輕松實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別/人機(jī)交互功能。通過用戶自定義的時(shí)間，可合理控制孩子的娛樂時(shí)間；到達(dá)指定時(shí)間時(shí)，智能語音助手便會(huì)提示孩子把玩具合理安排收納到收納柜中。此外，還可以詢問孩子們感興趣的事物，通過對(duì)話數(shù)據(jù)分析孩子們的興趣愛好，家長(zhǎng)們可以通過APP自定義來設(shè)計(jì)知識(shí)問答、音樂播放、故事講解等。語音交互流程如圖3所示。

3.4 云服務(wù)器部分

互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)作為兒童成長(zhǎng)系統(tǒng)與APP端的傳輸中介，起著橋梁的作用[8-10]。集智慧陪伴與安全防護(hù)于一體的兒童成長(zhǎng)系統(tǒng)通過WiFi模塊/4G模塊聯(lián)網(wǎng)，接入云服務(wù)端，從而實(shí)現(xiàn)不斷地與APP端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，達(dá)到兒童成長(zhǎng)系統(tǒng)接收APP控制指令和APP端接收兒童成長(zhǎng)系統(tǒng)發(fā)送信息的目的。數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.5 交互體驗(yàn)系統(tǒng)

交互體驗(yàn)系統(tǒng)是用戶與兒童成長(zhǎng)系統(tǒng)進(jìn)行交互體驗(yàn)的主要部分，主要由可視化QT界面和管理端APP組成。流程如圖5所示。

使用Python中的PyQt5庫來設(shè)計(jì)一個(gè)用戶界面，通過QT界面的功能模塊，家長(zhǎng)可以選擇特定的功能。此外，家長(zhǎng)可以智能操控語音識(shí)別庫，輸入自定義語音指令，在孩子玩耍與學(xué)習(xí)時(shí)定時(shí)健康提醒。界面還具備人臉識(shí)別功能，通過將管理員與使用者的人臉錄入，有效避免除使用者外的人員打開智慧型兒童成長(zhǎng)系統(tǒng)，同時(shí)將非使用者人臉記錄后發(fā)送到家長(zhǎng)手機(jī)APP中。

使用管理端APP可以與智慧型兒童成長(zhǎng)系統(tǒng)互通數(shù)據(jù)，家長(zhǎng)可以錄入自定義的語音命令，配合健康提醒系統(tǒng)在孩子玩耍與學(xué)習(xí)時(shí)定時(shí)健康提醒，且當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別到陌生面孔時(shí)，啟動(dòng)警報(bào)，并將面孔圖像發(fā)送至家長(zhǎng)手機(jī)APP中。

4 結(jié) 語

集智慧陪伴與安全防護(hù)于一體的兒童成長(zhǎng)系統(tǒng)，基于深度學(xué)習(xí)的模型訓(xùn)練與OpenCV庫實(shí)現(xiàn)了對(duì)孩童居家狀態(tài)的識(shí)別分析，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)孩童的居家情況以及家庭安全情況。在人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)上選擇了開發(fā)效率高、可移植性強(qiáng)的Python的PyQt5庫；以樹莓派作為核心控制板，樹莓派與顯示屏、STM32的搭建使得后期可以擴(kuò)展更多的功能。經(jīng)過多次的測(cè)試證明，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的魯棒性，該設(shè)計(jì)增加了家庭陪伴與安全防護(hù)功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展的可能。

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作者簡(jiǎn)介：蘇立武（2001—），男，廣東汕頭人，本科在讀，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)。