一、項目研究背景

據(jù)聯(lián)合國教科文組織2017年發(fā)布的一份報告顯示，全球每年近2.46億兒童和青少年遭受校園欺凌。據(jù)英國國家兒童發(fā)展研究中心的數(shù)據(jù)顯示，遭受過校園暴力的孩子在成年后會面臨更多的心理困擾。

盡管現(xiàn)在各學校的校內監(jiān)控設施比較完備，但校園欺凌的行為往往會避開監(jiān)控區(qū)域。為了驗證“校園監(jiān)控盲區(qū)無法有效預警欺凌行為”這一猜想，我們的學生團隊設計和制作了有關此主題的調查問卷，展開了主要針對初中各年級學生的匿名調查活動。最終，學生團隊通過對調查問卷分析發(fā)現(xiàn)，近22％的學生在學校監(jiān)控盲區(qū)遭受過欺凌。監(jiān)控盲區(qū)的存在致使施暴者氣焰囂張，行為肆無忌憚，受害人心理問題加劇。

學生團隊使用“校園監(jiān)控盲區(qū)”“欺凌”等關鍵詞在百度搜索引擎和百度學術官網(wǎng)中查找相關文獻和應用研究，發(fā)現(xiàn)有關校園盲區(qū)欺凌預警系統(tǒng)設計的相關文獻、產品、應用系統(tǒng)和調查研究十分稀少，是個值得開發(fā)和研究的項目，且可實施性很高。

因此，基于“如何有效預防校園監(jiān)控盲區(qū)欺凌并增強保護生命意識”這一主題，學生團隊展開了一項有關校園監(jiān)控盲區(qū)防范欺凌預警系統(tǒng)（以下簡稱“防欺凌預警系統(tǒng)”）的項目設計與開發(fā)。防欺凌預警系統(tǒng)集語音識別技術與AI技術為一體，通過識別聲音關鍵詞進行自動報警，進而緩解緊急情況。它可以在無法安裝攝像頭的安全盲區(qū)進行使用，進而保護學生的人身安全。

二、項目設計方案

由于校園欺凌發(fā)生地點多數(shù)在較為隱蔽的地方，學生團隊將設計一款既不侵犯學生隱私，又能震懾校園欺凌施暴者的產品，其主要被安裝在校園監(jiān)控盲區(qū)，如學校衛(wèi)生間等。

當校1OxNeO9HJzOc5rtO0jHU6U4Sczyt6iBzg+KqZbh06PM=園監(jiān)控盲區(qū)發(fā)生欺凌行為時，防欺凌預警系統(tǒng)就會在監(jiān)測到受害者大聲呼叫的內容，或施暴者辱罵受害者的關鍵詞，或受害者和旁觀者按下報警按鍵時響起警報，威懾施暴者。物聯(lián)網(wǎng)也會在第一時間內將報警信息發(fā)送到學校的預警平臺，便于學校及時采取行動，制止欺凌行為。同時，防欺凌預警系統(tǒng)在監(jiān)測到關鍵詞后，會自動開啟實時錄音功能，且此錄音可以被提取出來，為后期的欺凌情況調查提供佐證。

防欺凌預警系統(tǒng)主要從以下五個方面進行設計。

1.預設關鍵詞

使用語音識別技術監(jiān)測校園監(jiān)控盲區(qū)的對話內容，如果監(jiān)測到預先設定的關鍵詞，則執(zhí)行相應程序。

2.發(fā)出警告語音，震懾施暴者

當監(jiān)測到校園監(jiān)控盲區(qū)發(fā)生欺凌行為時，防欺凌預警系統(tǒng)將自動播放警告語音，震懾欺凌行為。

3.遠程報警

當監(jiān)測到校園監(jiān)控盲區(qū)發(fā)生欺凌行為時，防欺凌預警系統(tǒng)的發(fā)送端將通過物聯(lián)網(wǎng)模塊向學校相關部門及時通報突發(fā)情況，便于教師及時干預，制止欺凌行為。

4.監(jiān)測關鍵詞，自動錄音

防欺凌預警系統(tǒng)的發(fā)送端會自動開啟錄音功能，且該錄音可以被提取，為后期的調查工作提供佐證。

5.萬物互聯(lián)

在預警平臺使用一個行空板作為防欺凌預警系統(tǒng)的接收端，然后在校園監(jiān)控盲區(qū)設置多塊行空板作為發(fā)送端，所有行空板通過物聯(lián)網(wǎng)模塊相連接。學校相關人員可以通過手機瀏覽器登錄物聯(lián)網(wǎng)平臺，隨時隨地查收消息。

三、項目主要創(chuàng)新點

防欺凌預警系統(tǒng)中采用的是Gravity：I2C離線語音識別模塊，這是一款以Gravity：I2C作為連接接口的、針對中文進行識別的模塊。該模塊采用由ICRoute公司設計的LD3320“語音識別”專用芯片，用戶只需要在程序中設定好要識別的關鍵詞列表，并將其載入主控板的MCU中，語音識別模塊就可以對用戶說出的關鍵詞進行識別，并根據(jù)程序進行相應的處理。此模塊不需要用戶事先訓練和錄音就可以完成非特定人的語音識別，識別準確率高達95%。

當防欺凌預警系統(tǒng)運行時，Gravity：I2C離線語音識別模塊就會不斷地對周圍聲音進行監(jiān)測。當監(jiān)測到“救命”“別打我”“干什么”“放開我”“我沒有錢”“不許哭”等關鍵詞時，防欺凌預警系統(tǒng)一方面播放警告語音震懾施暴者并開始錄音，另一方面通過物聯(lián)網(wǎng)模塊向系統(tǒng)終端（接收端）發(fā)送消息，及時通知學校相關人員。

行空板自帶錄音功能，學生團隊在行空板的“音頻錄放”分類下找到“錄音10秒直到結束，文件名‘record.wav’”，完成聲音的錄制。錄音文件會被存放在行空板緩存文件夾中，我們可以通過打開“文件系統(tǒng)”—“行空板中的文件”—“mindplus”—“cache”，點擊項目名稱文件夾尋找錄音文件。當防欺凌預警系統(tǒng)識別到關鍵詞后，行空板會自動啟動錄音功能。

四、項目實現(xiàn)及測試過程

明確本次項目主題后，學生團隊開始選擇主控板及開源硬件。一開始，學生團隊選擇使用Arduino UNO主控板及其物聯(lián)網(wǎng)模塊進行物聯(lián)網(wǎng)搭建，但是運行效果不穩(wěn)定，經常出現(xiàn)斷網(wǎng)的問題。之后，學生團隊經過討論分析，決定放棄使用Arduino UNO主控板，改用DFRobot自主研發(fā)的行空板。該行空板內置的物聯(lián)網(wǎng)模塊運行效果穩(wěn)定，適合這個項目。

在初步設想中，學生團隊計劃使用兩塊行空板進行連接。一個作為發(fā)射端，安置在校園監(jiān)控盲區(qū)——衛(wèi)生間，另一個作為接收端，由負責此事的教師隨身攜帶，便于及時處理問題。主控板選定后，學生團隊將Gravity：I2C離線語音識別模塊和作為發(fā)射端的行空板進行搭配，實現(xiàn)關鍵詞的語音識別。當關鍵詞被成功識別后，行空板通過外接喇叭播放警告語音，同時發(fā)射端通過物聯(lián)網(wǎng)向接收端發(fā)送報警信息。當接收端收到消息后，紅色LED燈和蜂鳴器同時工作，提示教師有報警信息。

學生團隊使用兩個紙盒，一個放置作為發(fā)射端的行空板、語音識別模塊和外接喇叭，另一個放置作為接收端的行空板、紅色LED燈和蜂鳴器。兩個紙盒內皆放置鋰電池充電寶提供電源。防欺凌預警系統(tǒng)的外形和相關開源硬件設計和連接完畢后，學生團隊使用Mind+編程軟件進行編程，并測試效果。經過測試我們發(fā)現(xiàn)，防欺凌預警系統(tǒng)運行效果良好，識別比較準確，兩塊行空板的消息傳輸也比較順暢。

接下來，學生團隊把裝置放置在廁所的高處，防止在實際操作過程中被其他學生誤碰。學生團隊的組員一人扮演受害者，一人扮演施暴者，在廁所內模擬受害者呼救、施暴者辱罵受害者的欺凌行為，并進行了兩次實地測試。

1.第一次測試情況

當“施暴者”和“受害者”對話時，語音識別模塊進行識別，但是由于程序中預設的關鍵詞比較少，識別效果較差，識別成功率低。偶爾識別成功后，卻無法向接收端發(fā)送報警信息。第一次測試失敗。

學生團隊返回實驗室后，討論失敗的原因，總結為以下三個方面的原因：一是關鍵詞設置過少，應該多設置幾組關鍵詞，提高語音識別成功率；二是物聯(lián)網(wǎng)的IP地址設置錯誤，應該將發(fā)送端的MQTT地址和接收端的SIoT服務器地址設置為一致的，都采用接收端的服務器地址，這樣才能將消息順利傳遞出去；三是學校的無線網(wǎng)絡信號不穩(wěn)定，應該改用手機熱點實現(xiàn)無線網(wǎng)絡傳輸。

同時，學生團隊在研究行空板的使用教程時，發(fā)現(xiàn)行空板有錄音功能。這個功能可以幫助實現(xiàn)產品的迭代更新，即防欺凌預警系統(tǒng)在具備識別關鍵詞、無線報警的基礎上，可以增加錄音功能。

2.第二次測試情況

在第一次測試失敗的基礎上，學生團隊增加了關鍵詞，并使用穩(wěn)定的手機熱點網(wǎng)絡。同時在此基礎上，加入行空板的錄音功能，實現(xiàn)了智能錄音的效果。當學生團隊再次實地模擬校園欺凌場景時，防欺凌預警系統(tǒng)語音識別成功，錄音功能開啟，并成功錄制10分鐘內容。發(fā)送端的喇叭播放警告語音，震懾欺凌行徑，并向接收端發(fā)送報警消息，提醒教師及時趕往事發(fā)地。最后學生團隊還利用Mind+編程軟件的可視化面板功能，清晰明了地展示了校園監(jiān)控盲區(qū)的相關情況。

五、項目成果總結

1.智能語音識別

防欺凌預警系統(tǒng)中應用了語音識別模塊，并通過程序設置關鍵詞進行識別，當識別到關鍵詞時，執(zhí)行相應程序。

2.播放警告語音

行空板主控板搭配喇叭，可以實現(xiàn)當語音識別模塊識別到關鍵詞后，播放警報語音，震懾欺凌行徑。

3.無線傳輸報警

當防欺凌預警系統(tǒng)中的語音識別模塊識別到關鍵詞時，發(fā)送端通過行空板內置物聯(lián)網(wǎng)模塊，向位于同一網(wǎng)絡下的接收端發(fā)送報警信息，教師接收到信息后及時趕往事發(fā)地。

4.系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化

通過Mind+編程軟件的可視化大屏，學生團隊打造出校園監(jiān)控盲區(qū)無死角的預警數(shù)據(jù)系統(tǒng)，所有數(shù)據(jù)一目了然。

六、總結與展望

學生團隊發(fā)現(xiàn)，如果校園覆蓋了穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡，就可以實現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)傳輸，甚至可以降低本次項目的成本，即可以不再使用語音識別模塊去識別關鍵詞，而采用科大訊飛的在線識別系統(tǒng)來進行監(jiān)測，識別效果會更加準確。同時，還可以將電源改成太陽能供電，更加綠色低碳。

對農村學生而言，科創(chuàng)之路是一條充滿挑戰(zhàn)與探索的旅程。在這段旅途中，我校學生團隊經歷了無數(shù)次的嘗試與失敗，也收獲了成長與感悟。從初識科創(chuàng)的懵懂少年，到逐漸成為人工智能與開源硬件學習海洋中的求知者，這段經歷讓學生們深刻領悟到科創(chuàng)的魅力和意義。

初入學?？萍忌鐖F，學生們對“科創(chuàng)”一詞尚感陌生。然而，在一次次課堂學習中，他們逐漸感受到了科技的魅力。在信息科技教師的引導下，學生們通過不斷地摸索前行，逐漸掌握了科創(chuàng)的基礎知識和方法，學會了如何查閱文獻、設計實驗、分析數(shù)據(jù)。

在本次科創(chuàng)項目研究中，學生們聚焦“校園監(jiān)控盲區(qū)無法有效預警欺凌行為”這一問題進行了深入研究。從確認科研主題到調查問卷，從文獻查閱到項目設計確定，再到無數(shù)次的重復實驗和數(shù)據(jù)整理，直至最終的成果產出，這一過程讓學生們不僅提升了科研能力，還提高了科研所需的品質——大膽嘗試，勇于試錯，不驕不躁，持之以恒。