基于人工智能的智慧幼兒園安全監護系統的設計

葉品菊 王紅偉 龐云昊 劉思遠

摘要：目前大部分家長無法實時感知幼兒教育機構的環境參數、幼兒實時的生理體征、地理位置信息，幼兒教育機構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、語言表達能力、自我防衛能力，本系統旨在通過科技賦能，讓家長、幼兒教育機構可以實時感知各種與幼兒安全相關的要素，獲取實時的安全異常告警，以協助家長、幼兒教育機構給幼兒提供舒適、安全的教育環境，解決社會的痛點問題。該系統主要用到了智能穿戴、智能家居等技術，實現幼兒園環境監測，幼兒的體溫、心率、位置等監測，幼兒異常提醒以及監護人獲取幼兒園、幼兒實時數據。

關鍵詞：幼兒監護;幼兒園;人工智能

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）18-0196-03

開放科學（資源服務）標識碼（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。

據不完全統計，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護系統。該系統是基于智能家居、智能穿戴、生物特征識別等前沿技術組成。對處于幼兒園的學生進行定期、定人、定點進行安全檢測，并做好記錄。通過該系統輔助消減幼兒遭受園內虐待、拐賣、環境毒害等問題。

2 系統關鍵技術簡介

2.1智能穿戴技術

智能穿戴又可以稱為可穿戴設備，是應用穿戴式技術對日常穿戴進行智能化設計、開發可以穿戴的設備的總稱，如眼鏡、手表、服飾以及鞋子等。智能手環就是智能穿戴的一個成熟產品，可以用于監測幼兒地理位置、體溫、心率等特征。

2.2智能家居技術

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境。目前米家已經可以實時采集各類環境數據，本系統中應用此技術監測幼兒園的溫度、濕度、空氣質量、噪音、輻射等與幼兒生命健康息息相關的環境問題。

2.3生物識別AI技術

生物識別技術就是通過計算機與光學、聲學、生物傳感器和生物統計學原理等高科技手段密切結合，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、步態等）來進行個人身份的鑒定。本系統中主要運用到了生物識別AI技術的聲紋識別技術以及人臉識別技術：

聲紋識別是一種通過聲音辨別說話人身份的技術，應用此技術是對幼兒的情緒進行監控，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。

3 系統設計

3.1總體設計

本系統采用前端微信小程序/公眾號，后端javaweb服務器的方式實現幼兒、幼兒教機構、監護人三個個體之間的交互。采用軟硬結合的技術手段，通過智能穿戴、智能家居等硬件采集幼兒身體狀況數據、實時位置信息、幼兒園環境數據，上傳到服務器端，經過云平臺、大數據、流計算等技術對數據分析和處理后，通過小程序/公眾號反饋給用戶。服務器端如監測到異常情況會通過服務號給監護人發送消息提醒，同時給幼兒園發出警報。

3.2幼兒模塊設計

本系統智能穿戴的主要載體為智能手環，幼兒佩戴智能手環可實時采集幼兒的心率、體溫、地理位置信息、聲紋匹配信息等，判斷幼兒是否有突發疾病，是否存在被拐賣風險。但是目前大多數手環只支持心率，支持體溫檢測的較少，需要進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現，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幼兒園模塊設計

本系統智能家居的主要載體是空氣質量檢測儀、水質檢測儀、噪聲監測儀，光照強度監測儀等，幼兒園需安裝智能家居設備實時采集園內的環境信息包括空氣濕度、溫度、PM2.5、甲醛、水硬度、噪聲分貝、光強等，并將數據上傳到服務器。

同時幼兒園應用生物識別AI技術設置門禁，幼兒親屬需要預先通過拍照等方式提取聲紋、臉部網格、指紋等生理特征，親屬接送幼兒時通過人臉識別技術、指紋識別技術、聲紋識別技術等識別幼兒親屬，驗證通過后幼兒親屬方可接送幼兒，如驗證不通過需提供有效證件證明身份及與幼兒關系。

3.4監護人模塊設計

監護人通過小程序/公眾號訪問遠程服務器獲取幼兒生命體特征實時信息及歷史波動，獲取幼兒地理位置信息結合百度、高德地圖等實現實時位置跟蹤及歷史軌跡查詢，獲取幼兒教育機構實時室內外環境信息。當系統檢測出幼兒身體出現異常或定位位置異常，會通過服務號給監護人發送異常情況的消息提醒。

4 系統實現

4.1系統頁面展示

為了做到實時監控，服務端使用EasyDarwin作為流媒體服務器，ffmpeg進行推流，同時配合Websocket進行主動推送流媒體。Rtsp作為實時流傳輸協議，可以做到服務端與客戶端的雙向通信。客戶端使用jsmpeg對服務端推送的流媒體進行解碼并顯示在頁面上。進入首頁可以看到監控視頻及當前幼兒園的溫度、濕度、空氣質量、噪音分貝等;同時顯示幼兒當前體溫、心率、情緒、位置等信息。

4.2系統工具

前端微信小程序搭建，后端使用IDEA進行項目開發，數據庫使用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首頁進度圈

考慮到頁面美觀與后續的布局，本團隊決定以圓形進度條進行展示。在頁面加載完成后通過網絡請求獲取所有數據，篩選出當前頁面所需數據并將其轉化為百分比形式后，綁定到對應的進度圈組件上。

created（） {

setTimeout（（） => {

this.percentage1= childMessage.tem;

this.percentage2= childMessage.heart;

this.percentage4= childMessage.emotions;

}，100）;

this.getEnData（）;

}

4.3.3監控

監控部分對幼兒日常、居住環境進行視頻的監控，將監控視頻上傳到服務器端供幼兒教育機構和監護人查看，該部分需要有硬件采集視頻。

監控攝像頭將監控畫面實時上傳到相對應的服務器，通過ffmpeg將視頻、音頻轉化為視頻流、音頻流。

網頁通過Websokcet協議進行與服務器連接，進行視頻流實時推送，視頻流使用JSMpeg進行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

本系統構想出了一個軟硬結合的幼兒園安全信息化監護系統，整合了當下前沿技術，進行了監護模式的創新，基于已有的成熟技術進行系統集成，創造一個集成一體化的創新性幼兒安全監護系統，致力于通過科技保護幼兒弱勢群體，幫助家長、幼兒教育機構構建一個安全、舒適的幼兒教育環境。

參考文獻：

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【通聯編輯：王力】