校園監控盲區防范欺凌預警系統的設計與開發

一、項目研究背景

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

盡管現在各學校的校內監控設施比較完備，但校園欺凌的行為往往會避開監控區域。為了驗證“校園監控盲區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現，近22％的學生在學校監控盲區遭受過欺凌。監控盲區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“校園監控盲區”“欺凌”等關鍵詞在百度搜索引擎和百度學術官網中查找相關文獻和應用研究，發現有關校園盲區欺凌預警系統設計的相關文獻、產品、應用系統和調查研究十分稀少，是個值得開發和研究的項目，且可實施性很高。

因此，基于“如何有效預防校園監控盲區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控盲區防范欺凌預警系統（以下簡稱“防欺凌預警系統”）的項目設計與開發。防欺凌預警系統集語音識別技術與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

由于校園欺凌發生地點多數在較為隱蔽的地方，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控盲區，如學校衛生間等。

當校1OxNeO9HJzOc5rtO0jHU6U4Sczyt6iBzg+KqZbh06PM=園監控盲區發生欺凌行為時，防欺凌預警系統就會在監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。物聯網也會在第一時間內將報警信息發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，防欺凌預警系統在監測到關鍵詞后，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測校園監控盲區的對話內容，如果監測到預先設定的關鍵詞，則執行相應程序。

2.發出警告語音，震懾施暴者

當監測到校園監控盲區發生欺凌行為時，防欺凌預警系統將自動播放警告語音，震懾欺凌行為。

3.遠程報警

當監測到校園監控盲區發生欺凌行為時，防欺凌預警系統的發送端將通過物聯網模塊向學校相關部門及時通報突發情況，便于教師及時干預，制止欺凌行為。

4.監測關鍵詞，自動錄音

防欺凌預警系統的發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

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

三、項目主要創新點

防欺凌預警系統中采用的是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測。當監測到“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，另一方面通過物聯網模塊向系統終端（接收端）發送消息，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”—“行空板中的文件”—“mindplus”—“cache”，點擊項目名稱文件夾尋找錄音文件。當防欺凌預警系統識別到關鍵詞后，行空板會自動啟動錄音功能。

四、項目實現及測試過程

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主控板及其物聯網模塊進行物聯網搭建，但是運行效果不穩定，經常出現斷網的問題。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自主研發的行空板。該行空板內置的物聯網模塊運行效果穩定，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。一個作為發射端，安置在校園監控盲區——衛生間，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射端的行空板進行搭配，實現關鍵詞的語音識別。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，同時發射端通過物聯網向接收端發送報警信息。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。經過測試我們發現，防欺凌預警系統運行效果良好，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；二是物聯網的IP地址設置錯誤，應該將發送端的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；三是學校的無線網絡信號不穩定，應該改用手機熱點實現無線網絡傳輸。

同時，學生團隊在研究行空板的使用教程時，發現行空板有錄音功能。這個功能可以幫助實現產品的迭代更新，即防欺凌預警系統在具備識別關鍵詞、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，并使用穩定的手機熱點網絡。同時在此基礎上，加入行空板的錄音功能，實現了智能錄音的效果。當學生團隊再次實地模擬校園欺凌場景時，防欺凌預警系統語音識別成功，錄音功能開啟，并成功錄制10分鐘內容。發送端的喇叭播放警告語音，震懾欺凌行徑，并向接收端發送報警消息，提醒教師及時趕往事發地。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控盲區的相關情況。

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

當防欺凌預警系統中的語音識別模塊識別到關鍵詞時，發送端通過行空板內置物聯網模塊，向位于同一網絡下的接收端發送報警信息，教師接收到信息后及時趕往事發地。

4.系統數據可視化

通過Mind+編程軟件的可視化大屏，學生團隊打造出校園監控盲區無死角的預警數據系統，所有數據一目了然。

六、總結與展望

學生團隊發現，如果校園覆蓋了穩定的無線網絡，就可以實現更好的數據傳輸，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來進行監測，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，科創之路是一條充滿挑戰與探索的旅程。在這段旅途中，我校學生團隊經歷了無數次的嘗試與失敗，也收獲了成長與感悟。從初識科創的懵懂少年，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的魅力和意義。

初入學校科技社團，學生們對“科創”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，逐漸掌握了科創的基礎知識和方法，學會了如何查閱文獻、設計實驗、分析數據。

在本次科創項目研究中，學生們聚焦“校園監控盲區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，再到無數次的重復實驗和數據整理，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。