智慧陪伴與安全防護于一體的兒童成長系統(tǒng)

摘 要：為了加強對兒童的管理，AI兒童成長系統(tǒng)以平安家庭、智慧陪伴為切入點，通過搭建YOLOv5神經(jīng)網(wǎng)絡模型來捕獲兒童居家的微表情與動作，利用人體姿態(tài)識別與人臉活體檢測算法對家庭進行實時檢測，促進兒童養(yǎng)成良好習慣，若發(fā)現(xiàn)有可疑人員則及時進行報警處理。集智慧陪伴、家庭安全于一體的智能管理系統(tǒng)能夠為家庭提供多層次、全方位的智能化服務。不僅能夠有效解決幼童玩耍后玩具雜亂和收納困難等問題，還能夠實現(xiàn)幼童的智能化輔助看管，具有監(jiān)控、識別、報警、記錄等功能。

關鍵詞：人臉識別；視頻圖像處理技術；大數(shù)據(jù)分析；云服務；人機交互；YOLOv5神經(jīng)網(wǎng)絡

中圖分類號：TP273；TP242 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）03-00-03

0 引 言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人口年齡結構急劇變化，使得孩子常常得不到周到的照料。深入市場調查后我們發(fā)現(xiàn)一部分家長會在市面上專門購買一些兒童收納箱來收納孩子們的玩具。但比較后發(fā)現(xiàn)，市面上的收納箱大同小異，收納裝置功能單一，缺乏趣味，缺少細節(jié)的分類，仍然是雜亂無章地將玩具收納在收納箱之中，一定程度上增加了玩具的損傷率[1-3]。

在上述背景下，本項目致力于設計一個集智慧陪伴和安全防護于一體的兒童成長系統(tǒng)。該智慧型兒童成長系統(tǒng)不僅能夠有效解決幼童玩耍后玩具雜亂和收納困難等問題，還能夠實現(xiàn)幼童的智能化輔助看管，具有監(jiān)控、識別、報警、記錄等功能。相比于傳統(tǒng)收納柜，本項目可緩解家長收拾玩具的壓力，幫助引導孩子有序排放玩具，同時解決現(xiàn)有兒童安全、教育、學習等問題，記錄兒童成長瞬間。更重要的是，該系統(tǒng)收納柜通過人機語音交互子系統(tǒng)進行健康提醒，定時提醒孩子活動身體、休息飲水等，以便養(yǎng)成健康小習慣，還能夠通過題庫作答情況進行大數(shù)據(jù)分析，了解孩子的興趣愛好。除此之外，還具有監(jiān)控孩子周圍環(huán)境和安全的功能，可以將識別到的陌生面孔遠程傳輸?shù)郊议L手機APP上，進一步保障兒童的安全。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)框架設計如圖1所示。系統(tǒng)選用STM32和樹莓派4B雙主控作為核心控制，二者共同協(xié)作控制系統(tǒng)。STM32是目前最流行的嵌入式控制處理器之一，擁有超高的處理速度和運行速度；樹莓派4B具有完整的程序框架支持，內存容量能夠同時運行多種不同的網(wǎng)絡，并且能將復雜的計算機視覺算法應用在各種復雜的模型中[4-7]。智慧型兒童成長系統(tǒng)的功能模塊主要有：題庫積分系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、WiFi通信模塊、語音識別模塊、人臉活體檢測、自控開關門、人機交互界面等。語音識別模塊和攝像頭模塊作為智慧型兒童成長系統(tǒng)的識別部分；繼電器、電機、電子鎖作為兒童成長系統(tǒng)的控制部分；管理端APP和可視化QT界面構成交互體驗系統(tǒng)。各個部分相互級聯(lián)、相互作用、相互協(xié)作。

2 硬件設計

2.1 控制系統(tǒng)的硬件設計

針對本項目，需設計并且制作一臺體積約為（50×50×76）cm3的集智慧陪伴與安全防護于一體的兒童成長系統(tǒng)。裝置結構如圖2所示。圖2為設計的三維模型，其中①為3D視覺傳感器Kinect攝像頭模塊；②為語音識別四陣列麥克風；③為交互體驗系統(tǒng)的可視化QT界面；④為體積為（18×48×11）cm3的固定儲物格；⑤為柜子背部散熱裝置；⑥為控制電路，用于控制智慧型兒童成長系統(tǒng)的諸多功能；⑦為可移動巡航部分，便于搬運移動；⑧為以樹莓派為主的控制電路主控板。

2.2 控制系統(tǒng)的硬件電路設計與制作

在設備的控制上，需要設計一套可以嵌入智慧型兒童成長系統(tǒng)的電路系統(tǒng)，用于控制各個模塊的運行以及與交互部分的通信。選用STM32、樹莓派4B作為系統(tǒng)的雙主控，外設搭建攝像頭模塊、繼電器、電機模塊、顯示屏及其他輔助模塊。通過STM32和樹莓派4B驅動每一個模塊并結合起來，構成控制電路系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用STM32搭建各種外設模塊，選用樹莓派搭建QT界面、人臉活體檢測與各子系統(tǒng)之間的關系算法，共同運營測試。

3 軟件設計

3.1 大數(shù)據(jù)分析部分

將孩子所做題目類型，通過題庫采集記錄，以實時或批量的方式匯聚到HDFS文件系統(tǒng)中，再通過mapreduce程序對采集到的點擊流數(shù)據(jù)進行預處理，通過數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)轉化、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)計算四個流程濾除臟數(shù)據(jù)，提取有用數(shù)據(jù)等。接著將預處理之后的數(shù)據(jù)導入到HIVE倉庫的相應庫和表中存儲起來。對數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)需求開發(fā)ETL分析語句，運用高效的數(shù)據(jù)算法處理海量結構化、半結構化、非結構化數(shù)據(jù)得出各種統(tǒng)計結果。最后，將分析數(shù)據(jù)可視化，用戶可通過APP或者UI選擇列表、條形圖、環(huán)形圖等多種方式呈現(xiàn)孩子的興趣愛好。

3.2 人臉活體檢測部分

系統(tǒng)基于優(yōu)化的LBPH算法和Kinect v2傳感器的人臉識別算法。由實驗結果可知，人臉識別率為98%，可行性較大；在活體識別方面，考慮到多線程的任務和樹莓派的機能限制，為保證程序的穩(wěn)定性，我們使用了百度云活體識別API，將處理好的圖片信息上傳至百度云的平臺上獲取活體檢測的對比度來實現(xiàn)此功能，這樣也減少了程序的運算量，降低處理器的功耗，在嵌入式設備上也更加節(jié)省電量。

3.3 人機語音交互部分

基于樹莓派，通過接入USB聲卡和麥克風，輕松實現(xiàn)語音識別/人機交互功能。通過用戶自定義的時間，可合理控制孩子的娛樂時間；到達指定時間時，智能語音助手便會提示孩子把玩具合理安排收納到收納柜中。此外，還可以詢問孩子們感興趣的事物，通過對話數(shù)據(jù)分析孩子們的興趣愛好，家長們可以通過APP自定義來設計知識問答、音樂播放、故事講解等。語音交互流程如圖3所示。

3.4 云服務器部分

互聯(lián)網(wǎng)服務作為兒童成長系統(tǒng)與APP端的傳輸中介，起著橋梁的作用[8-10]。集智慧陪伴與安全防護于一體的兒童成長系統(tǒng)通過WiFi模塊/4G模塊聯(lián)網(wǎng)，接入云服務端，從而實現(xiàn)不斷地與APP端進行數(shù)據(jù)交換，達到兒童成長系統(tǒng)接收APP控制指令和APP端接收兒童成長系統(tǒng)發(fā)送信息的目的。數(shù)據(jù)通信結構如圖4所示。

3.5 交互體驗系統(tǒng)

交互體驗系統(tǒng)是用戶與兒童成長系統(tǒng)進行交互體驗的主要部分，主要由可視化QT界面和管理端APP組成。流程如圖5所示。

使用Python中的PyQt5庫來設計一個用戶界面，通過QT界面的功能模塊，家長可以選擇特定的功能。此外，家長可以智能操控語音識別庫，輸入自定義語音指令，在孩子玩耍與學習時定時健康提醒。界面還具備人臉識別功能，通過將管理員與使用者的人臉錄入，有效避免除使用者外的人員打開智慧型兒童成長系統(tǒng)，同時將非使用者人臉記錄后發(fā)送到家長手機APP中。

使用管理端APP可以與智慧型兒童成長系統(tǒng)互通數(shù)據(jù)，家長可以錄入自定義的語音命令，配合健康提醒系統(tǒng)在孩子玩耍與學習時定時健康提醒，且當系統(tǒng)識別到陌生面孔時，啟動警報，并將面孔圖像發(fā)送至家長手機APP中。

4 結 語

集智慧陪伴與安全防護于一體的兒童成長系統(tǒng)，基于深度學習的模型訓練與OpenCV庫實現(xiàn)了對孩童居家狀態(tài)的識別分析，能夠實時監(jiān)測孩童的居家情況以及家庭安全情況。在人機交互界面的設計上選擇了開發(fā)效率高、可移植性強的Python的PyQt5庫；以樹莓派作為核心控制板，樹莓派與顯示屏、STM32的搭建使得后期可以擴展更多的功能。經(jīng)過多次的測試證明，系統(tǒng)的設計具有很強的魯棒性，該設計增加了家庭陪伴與安全防護功能，同時實現(xiàn)了轉型升級和可持續(xù)發(fā)展的可能。

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作者簡介：蘇立武（2001—），男，廣東汕頭人，本科在讀，主要研究方向為自動化技術和嵌入式系統(tǒng)。