基于人工智能的智慧幼儿园安全监护系统的设计
叶品菊 王红伟 庞云昊 刘思远
摘要：目前大部分家长无法实时感知幼儿教育机构的环境参数、幼儿实时的生理体征、地理位置信息，幼儿教育机构也无法完全保证接送幼儿的是否是幼儿的亲属。幼儿是弱势群体且没有足够的信息识别能力、语言表达能力、自我防卫能力，本系统旨在通过科技赋能，让家长、幼儿教育机构可以实时感知各种与幼儿安全相关的要素，获取实时的安全异常告警，以协助家长、幼儿教育机构给幼儿提供舒适、安全的教育环境，解决社会的痛点问题。该系统主要用到了智能穿戴、智能家居等技术，实现幼儿园环境监测，幼儿的体温、心率、位置等监测，幼儿异常提醒以及监护人获取幼儿园、幼儿实时数据。
关键词：幼儿监护;幼儿园;人工智能
中图分类号：G642? ? ? ? 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2021）18-0196-03
开放科学（資源服务）标识码（OSID）：
1 引言
幼儿较于成人，幼小的孩子毫无疑问地处于弱势地位。由于幼儿园孩子年龄很小，陈述能力较差，说的话也很难被信服，一旦遭受到外界的冲击，很容易留下后遗症，阻碍其健康成长。
据不完全统计，2010年到2020年十年间幼儿园虐童事件超过100起，典型案例见表1：
针对于此本文提出了基于人工智能的智慧幼儿园安全监护系统。该系统是基于智能家居、智能穿戴、生物特征识别等前沿技术组成。对处于幼儿园的学生进行定期、定人、定点进行安全检测，并做好记录。通过该系统辅助消减幼儿遭受园内虐待、拐卖、环境毒害等问题。
2 系统关键技术简介
2.1智能穿戴技术
智能穿戴又可以称为可穿戴设备，是应用穿戴式技术对日常穿戴进行智能化设计、开发可以穿戴的设备的总称，如眼镜、手表、服饰以及鞋子等。智能手环就是智能穿戴的一个成熟产品，可以用于监测幼儿地理位置、体温、心率等特征。
2.2智能家居技术
智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。目前米家已经可以实时采集各类环境数据，本系统中应用此技术监测幼儿园的温度、湿度、空气质量、噪音、辐射等与幼儿生命健康息息相关的环境问题。
2.3生物识别AI技术
生物识别技术就是通过计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理等高科技手段密切结合，利用人体固有的生理特性，（如指纹、脸象、虹膜等）和行为特征（如笔迹、声音、步态等）来进行个人身份的鉴定。本系统中主要运用到了生物识别AI技术的声纹识别技术以及人脸识别技术：
声纹识别是一种通过声音辨别说话人身份的技术，应用此技术是对幼儿的情绪进行监控，人工智能识别可以识别声纹，识别幼儿的哭声和笑声判断幼儿在幼儿园的心理状态。
3 系统设计
3.1总体设计
本系统采用前端微信小程序/公众号，后端javaweb服务器的方式实现幼儿、幼儿教机构、监护人三个个体之间的交互。采用软硬结合的技术手段，通过智能穿戴、智能家居等硬件采集幼儿身体状况数据、实时位置信息、幼儿园环境数据，上传到服务器端，经过云平台、大数据、流计算等技术对数据分析和处理后，通过小程序/公众号反馈给用户。服务器端如监测到异常情况会通过服务号给监护人发送消息提醒，同时给幼儿园发出警报。
3.2幼儿模块设计
本系统智能穿戴的主要载体为智能手环，幼儿佩戴智能手环可实时采集幼儿的心率、体温、地理位置信息、声纹匹配信息等，判断幼儿是否有突发疾病，是否存在被拐卖风险。但是目前大多数手环只支持心率，支持体温检测的较少，需要进行硬件集成同时支持心率、体温、地理位置信息采集，以及声纹识别功能，保证幼儿身体异常时能够及时发现，幼儿不慎走失时能够快速定位，通过声纹识别幼儿哭闹声，防止幼儿被恶意虐待等。
3.3幼儿园模块设计
本系统智能家居的主要载体是空气质量检测仪、水质检测仪、噪声监测仪，光照强度监测仪等，幼儿园需安装智能家居设备实时采集园内的环境信息包括空气湿度、温度、PM2.5、甲醛、水硬度、噪声分贝、光强等，并将数据上传到服务器。
同时幼儿园应用生物识别AI技术设置门禁，幼儿亲属需要预先通过拍照等方式提取声纹、脸部网格、指纹等生理特征，亲属接送幼儿时通过人脸识别技术、指纹识别技术、声纹识别技术等识别幼儿亲属，验证通过后幼儿亲属方可接送幼儿，如验证不通过需提供有效证件证明身份及与幼儿关系。
3.4监护人模块设计
监护人通过小程序/公众号访问远程服务器获取幼儿生命体特征实时信息及历史波动，获取幼儿地理位置信息结合百度、高德地图等实现实时位置跟踪及历史轨迹查询，获取幼儿教育机构实时室内外环境信息。当系统检测出幼儿身体出现异常或定位位置异常，会通过服务号给监护人发送异常情况的消息提醒。
4 系统实现
4.1系统页面展示
为了做到实时监控，服务端使用EasyDarwin作为流媒体服务器，ffmpeg进行推流，同时配合Websocket进行主动推送流媒体。Rtsp作为实时流传输协议，可以做到服务端与客户端的双向通信。客户端使用jsmpeg对服务端推送的流媒体进行解码并显示在页面上。进入首页可以看到监控视频及当前幼儿园的温度、湿度、空气质量、噪音分贝等;同时显示幼儿当前体温、心率、情绪、位置等信息。
4.2系统工具
前端微信小程序搭建，后端使用IDEA进行项目开发，数据库使用Mysql。
4.3主要程序代码
4.3.1定位获取天气
通过访问查询ip接口查询出ip的所在地，使用splite分割出返回的json的文本，再通过天气网的api查询本地的天气。
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首页进度圈
考虑到页面美观与后续的布局，本团队决定以圆形进度条进行展示。在页面加载完成后通过网络请求获取所有数据，筛选出当前页面所需数据并将其转化为百分比形式后，绑定到对应的进度圈组件上。
created（） {
setTimeout（（） => {
this.percentage1= childMessage.tem;
this.percentage2= childMessage.heart;
this.percentage4= childMessage.emotions;
}，100）;
this.getEnData（）;
}
4.3.3监控
监控部分对幼儿日常、居住环境进行视频的监控，将监控视频上传到服务器端供幼儿教育机构和监护人查看，该部分需要有硬件采集视频。
监控摄像头将监控画面实时上传到相对应的服务器，通过ffmpeg将视频、音频转化为视频流、音频流。
网页通过Websokcet协议进行与服务器连接，进行视频流实时推送，视频流使用JSMpeg进行MPEG视频解码并显示。
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 總结
本系统构想出了一个软硬结合的幼儿园安全信息化监护系统，整合了当下前沿技术，进行了监护模式的创新，基于已有的成熟技术进行系统集成，创造一个集成一体化的创新性幼儿安全监护系统，致力于通过科技保护幼儿弱势群体，帮助家长、幼儿教育机构构建一个安全、舒适的幼儿教育环境。
参考文献：
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【通联编辑：王力】
