校園監(jiān)控盲區(qū)防范欺凌預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

一、項(xiàng)目研究背景

據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織2017年發(fā)布的一份報(bào)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(guó)國(guó)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(huì)面臨更多的心理困擾。

盡管現(xiàn)在各學(xué)校的校內(nèi)監(jiān)控設(shè)施比較完備，但校園欺凌的行為往往會(huì)避開監(jiān)控區(qū)域。為了驗(yàn)證“校園監(jiān)控盲區(qū)無(wú)法有效預(yù)警欺凌行為”這一猜想，我們的學(xué)生團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和制作了有關(guān)此主題的調(diào)查問卷，展開了主要針對(duì)初中各年級(jí)學(xué)生的匿名調(diào)查活動(dòng)。最終，學(xué)生團(tuán)隊(duì)通過對(duì)調(diào)查問卷分析發(fā)現(xiàn)，近22％的學(xué)生在學(xué)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(wú)忌憚，受害人心理問題加劇。

學(xué)生團(tuán)隊(duì)使用“校園監(jiān)控盲區(qū)”“欺凌”等關(guān)鍵詞在百度搜索引擎和百度學(xué)術(shù)官網(wǎng)中查找相關(guān)文獻(xiàn)和應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)有關(guān)校園盲區(qū)欺凌預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)文獻(xiàn)、產(chǎn)品、應(yīng)用系統(tǒng)和調(diào)查研究十分稀少，是個(gè)值得開發(fā)和研究的項(xiàng)目，且可實(shí)施性很高。

因此，基于“如何有效預(yù)防校園監(jiān)控盲區(qū)欺凌并增強(qiáng)保護(hù)生命意識(shí)”這一主題，學(xué)生團(tuán)隊(duì)展開了一項(xiàng)有關(guān)校園監(jiān)控盲區(qū)防范欺凌預(yù)警系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“防欺凌預(yù)警系統(tǒng)”）的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)。防欺凌預(yù)警系統(tǒng)集語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)與AI技術(shù)為一體，通過識(shí)別聲音關(guān)鍵詞進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，進(jìn)而緩解緊急情況。它可以在無(wú)法安裝攝像頭的安全盲區(qū)進(jìn)行使用，進(jìn)而保護(hù)學(xué)生的人身安全。

二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案

由于校園欺凌發(fā)生地點(diǎn)多數(shù)在較為隱蔽的地方，學(xué)生團(tuán)隊(duì)將設(shè)計(jì)一款既不侵犯學(xué)生隱私，又能震懾校園欺凌施暴者的產(chǎn)品，其主要被安裝在校園監(jiān)控盲區(qū)，如學(xué)校衛(wèi)生間等。

當(dāng)校1OxNeO9HJzOc5rtO0jHU6U4Sczyt6iBzg+KqZbh06PM=園監(jiān)控盲區(qū)發(fā)生欺凌行為時(shí)，防欺凌預(yù)警系統(tǒng)就會(huì)在監(jiān)測(cè)到受害者大聲呼叫的內(nèi)容，或施暴者辱罵受害者的關(guān)鍵詞，或受害者和旁觀者按下報(bào)警按鍵時(shí)響起警報(bào)，威懾施暴者。物聯(lián)網(wǎng)也會(huì)在第一時(shí)間內(nèi)將報(bào)警信息發(fā)送到學(xué)校的預(yù)警平臺(tái)，便于學(xué)校及時(shí)采取行動(dòng)，制止欺凌行為。同時(shí)，防欺凌預(yù)警系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)到關(guān)鍵詞后，會(huì)自動(dòng)開啟實(shí)時(shí)錄音功能，且此錄音可以被提取出來(lái)，為后期的欺凌情況調(diào)查提供佐證。

防欺凌預(yù)警系統(tǒng)主要從以下五個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.預(yù)設(shè)關(guān)鍵詞

使用語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)監(jiān)測(cè)校園監(jiān)控盲區(qū)的對(duì)話內(nèi)容，如果監(jiān)測(cè)到預(yù)先設(shè)定的關(guān)鍵詞，則執(zhí)行相應(yīng)程序。

2.發(fā)出警告語(yǔ)音，震懾施暴者

當(dāng)監(jiān)測(cè)到校園監(jiān)控盲區(qū)發(fā)生欺凌行為時(shí)，防欺凌預(yù)警系統(tǒng)將自動(dòng)播放警告語(yǔ)音，震懾欺凌行為。

3.遠(yuǎn)程報(bào)警

當(dāng)監(jiān)測(cè)到校園監(jiān)控盲區(qū)發(fā)生欺凌行為時(shí)，防欺凌預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)送端將通過物聯(lián)網(wǎng)模塊向?qū)W校相關(guān)部門及時(shí)通報(bào)突發(fā)情況，便于教師及時(shí)干預(yù)，制止欺凌行為。

4.監(jiān)測(cè)關(guān)鍵詞，自動(dòng)錄音

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

5.萬(wàn)物互聯(lián)

在預(yù)警平臺(tái)使用一個(gè)行空板作為防欺凌預(yù)警系統(tǒng)的接收端，然后在校園監(jiān)控盲區(qū)設(shè)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(xué)校相關(guān)人員可以通過手機(jī)瀏覽器登錄物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，隨時(shí)隨地查收消息。

三、項(xiàng)目主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

防欺凌預(yù)警系統(tǒng)中采用的是Gravity：I2C離線語(yǔ)音識(shí)別模塊，這是一款以Gravity：I2C作為連接接口的、針對(duì)中文進(jìn)行識(shí)別的模塊。該模塊采用由ICRoute公司設(shè)計(jì)的LD3320“語(yǔ)音識(shí)別”專用芯片，用戶只需要在程序中設(shè)定好要識(shí)別的關(guān)鍵詞列表，并將其載入主控板的MCU中，語(yǔ)音識(shí)別模塊就可以對(duì)用戶說出的關(guān)鍵詞進(jìn)行識(shí)別，并根據(jù)程序進(jìn)行相應(yīng)的處理。此模塊不需要用戶事先訓(xùn)練和錄音就可以完成非特定人的語(yǔ)音識(shí)別，識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)95%。

當(dāng)防欺凌預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，Gravity：I2C離線語(yǔ)音識(shí)別模塊就會(huì)不斷地對(duì)周圍聲音進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到“救命”“別打我”“干什么”“放開我”“我沒有錢”“不許哭”等關(guān)鍵詞時(shí)，防欺凌預(yù)警系統(tǒng)一方面播放警告語(yǔ)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(shí)通知學(xué)校相關(guān)人員。

行空板自帶錄音功能，學(xué)生團(tuán)隊(duì)在行空板的“音頻錄放”分類下找到“錄音10秒直到結(jié)束，文件名‘record.wav’”，完成聲音的錄制。錄音文件會(huì)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(diǎn)擊項(xiàng)目名稱文件夾尋找錄音文件。當(dāng)防欺凌預(yù)警系統(tǒng)識(shí)別到關(guān)鍵詞后，行空板會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)錄音功能。

四、項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)及測(cè)試過程

明確本次項(xiàng)目主題后，學(xué)生團(tuán)隊(duì)開始選擇主控板及開源硬件。一開始，學(xué)生團(tuán)隊(duì)選擇使用Arduino UNO主控板及其物聯(lián)網(wǎng)模塊進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)搭建，但是運(yùn)行效果不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)斷網(wǎng)的問題。之后，學(xué)生團(tuán)隊(duì)經(jīng)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(nèi)置的物聯(lián)網(wǎng)模塊運(yùn)行效果穩(wěn)定，適合這個(gè)項(xiàng)目。

在初步設(shè)想中，學(xué)生團(tuán)隊(duì)計(jì)劃使用兩塊行空板進(jìn)行連接。一個(gè)作為發(fā)射端，安置在校園監(jiān)控盲區(qū)——衛(wèi)生間，另一個(gè)作為接收端，由負(fù)責(zé)此事的教師隨身攜帶，便于及時(shí)處理問題。主控板選定后，學(xué)生團(tuán)隊(duì)將Gravity：I2C離線語(yǔ)音識(shí)別模塊和作為發(fā)射端的行空板進(jìn)行搭配，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵詞的語(yǔ)音識(shí)別。當(dāng)關(guān)鍵詞被成功識(shí)別后，行空板通過外接喇叭播放警告語(yǔ)音，同時(shí)發(fā)射端通過物聯(lián)網(wǎng)向接收端發(fā)送報(bào)警信息。當(dāng)接收端收到消息后，紅色LED燈和蜂鳴器同時(shí)工作，提示教師有報(bào)警信息。

學(xué)生團(tuán)隊(duì)使用兩個(gè)紙盒，一個(gè)放置作為發(fā)射端的行空板、語(yǔ)音識(shí)別模塊和外接喇叭，另一個(gè)放置作為接收端的行空板、紅色LED燈和蜂鳴器。兩個(gè)紙盒內(nèi)皆放置鋰電池充電寶提供電源。防欺凌預(yù)警系統(tǒng)的外形和相關(guān)開源硬件設(shè)計(jì)和連接完畢后，學(xué)生團(tuán)隊(duì)使用Mind+編程軟件進(jìn)行編程，并測(cè)試效果。經(jīng)過測(cè)試我們發(fā)現(xiàn)，防欺凌預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，識(shí)別比較準(zhǔn)確，兩塊行空板的消息傳輸也比較順暢。

接下來(lái)，學(xué)生團(tuán)隊(duì)把裝置放置在廁所的高處，防止在實(shí)際操作過程中被其他學(xué)生誤碰。學(xué)生團(tuán)隊(duì)的組員一人扮演受害者，一人扮演施暴者，在廁所內(nèi)模擬受害者呼救、施暴者辱罵受害者的欺凌行為，并進(jìn)行了兩次實(shí)地測(cè)試。

1.第一次測(cè)試情況

當(dāng)“施暴者”和“受害者”對(duì)話時(shí)，語(yǔ)音識(shí)別模塊進(jìn)行識(shí)別，但是由于程序中預(yù)設(shè)的關(guān)鍵詞比較少，識(shí)別效果較差，識(shí)別成功率低。偶爾識(shí)別成功后，卻無(wú)法向接收端發(fā)送報(bào)警信息。第一次測(cè)試失敗。

學(xué)生團(tuán)隊(duì)返回實(shí)驗(yàn)室后，討論失敗的原因，總結(jié)為以下三個(gè)方面的原因：一是關(guān)鍵詞設(shè)置過少，應(yīng)該多設(shè)置幾組關(guān)鍵詞，提高語(yǔ)音識(shí)別成功率；二是物聯(lián)網(wǎng)的IP地址設(shè)置錯(cuò)誤，應(yīng)該將發(fā)送端的MQTT地址和接收端的SIoT服務(wù)器地址設(shè)置為一致的，都采用接收端的服務(wù)器地址，這樣才能將消息順利傳遞出去；三是學(xué)校的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不穩(wěn)定，應(yīng)該改用手機(jī)熱點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸。

同時(shí)，學(xué)生團(tuán)隊(duì)在研究行空板的使用教程時(shí)，發(fā)現(xiàn)行空板有錄音功能。這個(gè)功能可以幫助實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的迭代更新，即防欺凌預(yù)警系統(tǒng)在具備識(shí)別關(guān)鍵詞、無(wú)線報(bào)警的基礎(chǔ)上，可以增加錄音功能。

2.第二次測(cè)試情況

在第一次測(cè)試失敗的基礎(chǔ)上，學(xué)生團(tuán)隊(duì)增加了關(guān)鍵詞，并使用穩(wěn)定的手機(jī)熱點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)在此基礎(chǔ)上，加入行空板的錄音功能，實(shí)現(xiàn)了智能錄音的效果。當(dāng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)再次實(shí)地模擬校園欺凌場(chǎng)景時(shí)，防欺凌預(yù)警系統(tǒng)語(yǔ)音識(shí)別成功，錄音功能開啟，并成功錄制10分鐘內(nèi)容。發(fā)送端的喇叭播放警告語(yǔ)音，震懾欺凌行徑，并向接收端發(fā)送報(bào)警消息，提醒教師及時(shí)趕往事發(fā)地。最后學(xué)生團(tuán)隊(duì)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(guān)情況。

五、項(xiàng)目成果總結(jié)

1.智能語(yǔ)音識(shí)別

防欺凌預(yù)警系統(tǒng)中應(yīng)用了語(yǔ)音識(shí)別模塊，并通過程序設(shè)置關(guān)鍵詞進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)識(shí)別到關(guān)鍵詞時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)程序。

2.播放警告語(yǔ)音

行空板主控板搭配喇叭，可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)語(yǔ)音識(shí)別模塊識(shí)別到關(guān)鍵詞后，播放警報(bào)語(yǔ)音，震懾欺凌行徑。

3.無(wú)線傳輸報(bào)警

當(dāng)防欺凌預(yù)警系統(tǒng)中的語(yǔ)音識(shí)別模塊識(shí)別到關(guān)鍵詞時(shí)，發(fā)送端通過行空板內(nèi)置物聯(lián)網(wǎng)模塊，向位于同一網(wǎng)絡(luò)下的接收端發(fā)送報(bào)警信息，教師接收到信息后及時(shí)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(xué)生團(tuán)隊(duì)打造出校園監(jiān)控盲區(qū)無(wú)死角的預(yù)警數(shù)據(jù)系統(tǒng)，所有數(shù)據(jù)一目了然。

六、總結(jié)與展望

學(xué)生團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，如果校園覆蓋了穩(wěn)定的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，就可以實(shí)現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)傳輸，甚至可以降低本次項(xiàng)目的成本，即可以不再使用語(yǔ)音識(shí)別模塊去識(shí)別關(guān)鍵詞，而采用科大訊飛的在線識(shí)別系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，識(shí)別效果會(huì)更加準(zhǔn)確。同時(shí)，還可以將電源改成太陽(yáng)能供電，更加綠色低碳。

對(duì)農(nóng)村學(xué)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(xué)生團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次的嘗試與失敗，也收獲了成長(zhǎng)與感悟。從初識(shí)科創(chuàng)的懵懂少年，到逐漸成為人工智能與開源硬件學(xué)習(xí)海洋中的求知者，這段經(jīng)歷讓學(xué)生們深刻領(lǐng)悟到科創(chuàng)的魅力和意義。

初入學(xué)校科技社團(tuán)，學(xué)生們對(duì)“科創(chuàng)”一詞尚感陌生。然而，在一次次課堂學(xué)習(xí)中，他們逐漸感受到了科技的魅力。在信息科技教師的引導(dǎo)下，學(xué)生們通過不斷地摸索前行，逐漸掌握了科創(chuàng)的基礎(chǔ)知識(shí)和方法，學(xué)會(huì)了如何查閱文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)。

在本次科創(chuàng)項(xiàng)目研究中，學(xué)生們聚焦“校園監(jiān)控盲區(qū)無(wú)法有效預(yù)警欺凌行為”這一問題進(jìn)行了深入研究。從確認(rèn)科研主題到調(diào)查問卷，從文獻(xiàn)查閱到項(xiàng)目設(shè)計(jì)確定，再到無(wú)數(shù)次的重復(fù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)整理，直至最終的成果產(chǎn)出，這一過程讓學(xué)生們不僅提升了科研能力，還提高了科研所需的品質(zhì)——大膽嘗試，勇于試錯(cuò)，不驕不躁，持之以恒。