校園防欺凌系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

梅宇翔，郭宗蔚，雷夢瑤

（西安培華學(xué)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(xué)生的安全問題成為家長最關(guān)心的問題。無論是欺凌者或是受害者一旦經(jīng)受過校園暴力都會產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響，這也是社會高度關(guān)注的原因。防欺凌報警器包括語音識別技術(shù)，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(xué)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(chǎn)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(jù)統(tǒng)計，在中國，32.5%的學(xué)生偶爾遭受過欺凌，6.1%的學(xué)生經(jīng)常遭受高年級同學(xué)的欺凌。同樣的，美國有20%的中學(xué)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(lián)合國教科文組織的一份調(diào)研報告顯示[1]，全世界每3個學(xué)生中就有1 個曾經(jīng)遭受過欺凌。由于被欺凌的學(xué)生常常會感到膽怯、擔(dān)心被報復(fù)或覺得羞恥，導(dǎo)致絕大多數(shù)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(dǎo)致被欺凌的學(xué)生得不到應(yīng)有的關(guān)注和幫助。

為了解決這一問題，可以考慮在學(xué)校安裝防欺凌報警器。這種報警器可以在視頻監(jiān)控?zé)o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?qū)饨小⒅櫫R、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(shù)[2]，能夠通過聲音識別當(dāng)事人的身份，從而更有效地震懾欺凌者，并追責(zé)到人，保護學(xué)生的人身安全，杜絕校內(nèi)欺凌事件的發(fā)生。

防欺凌報警器的使用可以讓學(xué)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(xué)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?？偟膩碚f，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(yīng)用。

2 防欺凌報警器的設(shè)計結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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(shè)備“聯(lián)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(jié)構(gòu)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(chǔ)。此開發(fā)板具有豐富的拓展接口，并且集成有無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(xué)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(gòu)成由少量外部元件和SOP8 封裝組成，是便攜式應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。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(nèi)置PMOSFET 架構(gòu)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(shù)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(shè)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(xiàn)自動調(diào)整充電電流，可根據(jù)用戶設(shè)定達到最終浮充電壓，最終將會在充電電壓降至設(shè)定值1/10 時自動停止充電[4]。

2.3 關(guān)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(yīng)用的Raspberry Pi 的四通道麥克風(fēng)擴展板。這意味著可以借助它構(gòu)建一個集成Amazon Alexa語音服務(wù)，Google 助手等，功能更強大，更靈活的語音產(chǎn)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(yīng)用的高效設(shè)備[6]。

在低噪聲、無混響、距離聲源很近的情況下，單麥克風(fēng)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(yuǎn)，并且存在大量噪聲、多徑反射和混響時，拾取信號的質(zhì)量會下降，對語音識別率產(chǎn)生嚴(yán)重影響[7]。而且，單麥克風(fēng)接收的信號，是由多個聲源和環(huán)境噪聲疊加的，很難實現(xiàn)各個聲源的分離。

麥克風(fēng)陣列的概念需要一組麥克風(fēng)以特定的幾何結(jié)構(gòu)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(zhì)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(shù)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(dāng)系統(tǒng)識別到預(yù)先設(shè)定好的關(guān)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(shù)據(jù)處理和WiFi 無線功能，所以ESP8266 連接WiFi 后能夠?qū)崿F(xiàn)將采集到的傳感器數(shù)據(jù)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(nèi)置程序?qū)缶畔l(fā)送至管理人員?？梢酝ㄟ^校園網(wǎng)進行發(fā)送，也可以通過網(wǎng)線聯(lián)網(wǎng)進行發(fā)送。通過局域網(wǎng)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(dāng)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(shè)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(shè)計如圖3 所示。

圖3 校園防欺凌系統(tǒng)面板設(shè)計圖

2.7 智能控制模塊

采用ESP-01S 模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能控制報警器，并可以遠(yuǎn)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(guān)控制線路的通斷從而控制設(shè)備開關(guān)。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(shè)計

3.1 主控模塊

利用硬件電路和編程技術(shù)，可以開發(fā)程序完成預(yù)定義的功能，這有助于實現(xiàn)高性能、低復(fù)雜性的設(shè)備。采用現(xiàn)代的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(xiàn)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(yīng)，提高設(shè)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(fēng)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(jié)構(gòu)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(shè)計包含了多個驅(qū)動程序，它們實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的分模塊驅(qū)動和功能操作的設(shè)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(xiàn)通信功能的目的[10]。

3.2 語音識別模塊

語音識別包含了訓(xùn)練和識別階段。為了實現(xiàn)最終的識別目標(biāo)，輸入聲音必須進行前處理和特征抽取。在訓(xùn)練階段，通過多次訓(xùn)練聲音，生成的標(biāo)記矢量參數(shù)會構(gòu)建一個語音模型庫。在識別階段，將輸入語音的參數(shù)與模型庫中的模型進行匹配，最接近的參數(shù)作為最終識別的結(jié)果輸出。經(jīng)過這一流程，語音識別目標(biāo)就得到了實現(xiàn)[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(guān)系型數(shù)據(jù)庫主要是為針對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)設(shè)計的，雖然有一些字段格式可以用來存儲，但性能表現(xiàn)不佳。對于非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，如視頻、音頻和圖片，NoSQL 類型的數(shù)據(jù)庫可以應(yīng)用在這種場景，但由于其數(shù)據(jù)存儲單元是為小文件而設(shè)計的，因此面對大尺寸的文件，速度仍會有所影響。

當(dāng)想要存儲這類特殊文件到數(shù)據(jù)庫時，會出現(xiàn)消耗大量內(nèi)存、讀取緩慢，導(dǎo)致低效率的問題，因為每次都需要將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的方式從數(shù)據(jù)庫中讀取返回用戶請求，這會耗費大量的數(shù)據(jù)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(wù)器中，然后將存儲在本地文件服務(wù)器上的文件路徑存儲在數(shù)據(jù)庫中。這樣，當(dāng)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(shù)據(jù)庫設(shè)計如圖8 所示。

圖8 數(shù)據(jù)庫設(shè)計圖

3.4 遠(yuǎn)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(shè)備進行通訊的固件，以此來實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制以及智能化操作。刷入固件后的ESP8266 可以連接局域網(wǎng)，當(dāng)遠(yuǎn)程端發(fā)出指令時，首先傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)發(fā)射端，發(fā)射端再將指令轉(zhuǎn)發(fā)到ESP8266 實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。在遠(yuǎn)程端與接收端未處于同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時，可以對與接收端處于同一網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備設(shè)置指令的轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)遠(yuǎn)程端發(fā)出指令時，通過與接收端處于同一局域網(wǎng)的設(shè)備發(fā)送指令，從而突破局域網(wǎng)的傳輸限制。遠(yuǎn)程控制示意圖如圖9 所示。

圖9 遠(yuǎn)程控制示意圖

4 總結(jié)

校園不僅需要眼睛，也需要耳朵。防欺凌報警器的出現(xiàn)反映了國家對教育發(fā)展的重視，滿足了當(dāng)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(shù)校園內(nèi)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(shù)能夠和場景結(jié)合起來，切切實實地解決實際的問題，為人類的科學(xué)事業(yè)和幸福做出貢獻。本系統(tǒng)的設(shè)計有待完善，但寄托了對美好校園生活的向往。結(jié)合創(chuàng)新展現(xiàn)了多功能的報警器，為社會而用為人類而用。