基于特殊體征感知的兒童防虐待智能裝置設(shè)計(jì)

姜逸翔　陳曦　邵柏潭　王煙波　王宇歆

摘 要：文章針對(duì)兒童應(yīng)激時(shí)體征變化，提出了基于體征感知度的防虐待智能裝置的設(shè)計(jì)方案。硬件層面，對(duì)兒童的哭聲、心率、身體重心進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)。軟件層面，通過WIFI模塊，將數(shù)據(jù)傳至服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分析與報(bào)警信息發(fā)送；結(jié)合手機(jī)APP，將數(shù)據(jù)可視化。實(shí)現(xiàn)對(duì)兒童虐待的知情與阻止功能。本設(shè)備工作穩(wěn)定、交互性好、實(shí)時(shí)性高，具有較大的市場(chǎng)應(yīng)用前景與社會(huì)意義。

關(guān)鍵詞：兒童防虐待；體征感知；交互設(shè)備；APP開發(fā)

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）35-0081-03

Abstract： In view of the changes of physical signs in children under stress， this paper puts forward a design scheme of intelligent device for preventing abuse based on the perceptual degree of physical signs. On the hardware level， the children's crying， heart rate， body center of gravity for data collection and monitoring. At the software level， through the WIFI module， the data will be sent to the server for data analysis and alarm information transmission； combined with mobile phone APP， the data is visualized， to realize the function of knowledge and prevention of child abuse. This equipment works stably， with good interactivity， high real-time and the bigger market application prospect and the social significance.

Keywords： child abuse prevention； physical sign awareness； interactive equipment； APP development

1 概述

孩子是一個(gè)家庭的希望，是一個(gè)民族的未來。令人扼腕嘆息的幼兒園虐待事件屢屢發(fā)生，當(dāng)幼師欺負(fù)孩子時(shí)，孩子的家長或其他幼兒園老師不能及時(shí)知曉情況，來制止事態(tài)的進(jìn)一步惡化。可見，解決此類問題的關(guān)鍵，在于如何把信息自動(dòng)、準(zhǔn)確、及時(shí)的發(fā)送給家長，從而阻止虐童行為的繼續(xù)發(fā)生。中國目前在園兒童數(shù)目已達(dá)4000多萬，而對(duì)于監(jiān)測(cè)兒童在幼兒園的行為監(jiān)測(cè)以及報(bào)警的智能產(chǎn)品，相關(guān)產(chǎn)品的空缺，家長的需求巨大。

市面上已存在相應(yīng)的傳感器模塊，但缺乏一個(gè)機(jī)制平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，解決虐待這一現(xiàn)實(shí)問題。因此，本本創(chuàng)新性地結(jié)合三者數(shù)據(jù)，利用算法進(jìn)行分析，并通過手機(jī)APP將數(shù)據(jù)可視化，并將報(bào)警信號(hào)發(fā)送至家長。

2 工作原理

本項(xiàng)目利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以STM32F103C8單片機(jī)為核心，通過集成傳感器監(jiān)測(cè)兒童部分體征數(shù)據(jù)并通過無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，在服務(wù)器內(nèi)利用算法分析所得數(shù)據(jù)。當(dāng)分析結(jié)果超過閾值時(shí)，自動(dòng)將報(bào)警信息發(fā)送給家長的移動(dòng)設(shè)備，使家長能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)孩子異常，進(jìn)而了解實(shí)際情況并處理。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，共分為硬件、服務(wù)器、APP三個(gè)模塊。在硬件模塊，充分利用各種傳感器的功能對(duì)兒童的多種體態(tài)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和預(yù)處理，將所得的數(shù)據(jù)通過無線通信技術(shù)傳輸?shù)椒?wù)器模塊。在服務(wù)器模塊中，利用算法對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并借助APP模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化、異常信息報(bào)警等功能。

4 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)備以單片機(jī)為核心，利用聲音、加速度和心率檢測(cè)技術(shù)，通信技術(shù)等，以聲音傳感器、加速度傳感器、心率傳感器作為測(cè)量元件，組成兒童防虐待智能設(shè)備。主機(jī)模塊由STM32F103C8、電源、時(shí)鐘電路等組成。信號(hào)采集模塊由傳感器電路、信號(hào)處理電路等組成。主要器件有：?jiǎn)纹瑱C(jī)STM32F103C8、無線通訊模塊ESP8266、聲音傳感器、心率傳感器MAX30100、加速度傳感器GY-521 MPU-6050等。

4.1 單片機(jī)模塊

本設(shè)備選用STM32F103C8作為控制核心，該芯片為基于ARM Cortex-M內(nèi)核STM32系列的32位微控制器，程序存儲(chǔ)器容量達(dá)64kB，速度達(dá)72MHz。尺寸小，功耗低，工作溫度范圍大（-40°C至85°C），滿足設(shè)備要求。

4.2 聲音檢測(cè)模塊

選用RB-02S084A RB聲音檢測(cè)傳感器作為聲音檢測(cè)模塊的主要部分。該傳感器由小型駐極體麥克風(fēng)和運(yùn)算放大器構(gòu)成，可以將捕捉到的微小電壓變化放大100倍左右從而能被單片機(jī)模塊輕松識(shí)別。尺寸相對(duì)較小，基本滿足設(shè)備的需求。

4.3 重心監(jiān)測(cè)模塊

采用GY-521 MPU-6050模塊進(jìn)行重心監(jiān)測(cè)。該模塊為整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，整合了軸陀螺儀、3軸加速器，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（DMP）。模塊內(nèi)置ADC，有利于減小設(shè)備尺寸。該模塊的測(cè)量范圍為用戶可控，陀螺儀的可測(cè)范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒，加速度計(jì)可測(cè)范圍為±2，±4，±8，±16g。此外，該模塊的尺寸僅為4*4*0.9mm（QFN封裝），且內(nèi)建振蕩器在工作溫度范圍內(nèi)僅有+-1%的頻率變化，穩(wěn)定性好。

4.4 心率監(jiān)測(cè)模塊

心率監(jiān)測(cè)傳感器采用MAX30100傳感器，該傳感器結(jié)合了兩個(gè)LED和一個(gè)光電探測(cè)器，利用優(yōu)化的光學(xué)系統(tǒng)以及低噪聲模擬信號(hào)處理來測(cè)量心率信號(hào)。該傳感器尺寸僅為5.6*2.8*1.2mm，采用光增強(qiáng)系統(tǒng)封裝。集成了環(huán)境光消除功能，采樣率高。該傳感器功耗極低，并能通過編程控制采樣率和LED電流實(shí)現(xiàn)節(jié)電。信噪比高，魯棒性好。同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速度較快，完全可以滿足設(shè)備的要求。

4.5 無線通訊模塊

ESP8266EX專為移動(dòng)設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，通過多項(xiàng)專有技術(shù)實(shí)現(xiàn)超低功耗。同時(shí)具有省電模式，適用于本設(shè)備的低功耗應(yīng)用場(chǎng)景。內(nèi)置超低功耗Tensilica L106 32位RISC處理器，支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）和Wi-Fi協(xié)議棧，并可將大部分處理能力留給應(yīng)用編程和開發(fā)。除了Tensilica處理器外，ESP8266EX還集成了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字外設(shè)接口、天線開關(guān)、射頻balun、功率放大器、低噪放大器、過濾器和電源管理模塊等，僅需很少的外圍電路，有利于減小設(shè)備尺寸。此外，ESP8266EX的工作溫度范圍大（-40°C至+125°C），穩(wěn)定性好，能適應(yīng)各種操作環(huán)境。

5 軟件平臺(tái)搭建

通過自建服務(wù)器，接收來自單片機(jī)WIFI模塊傳來的信號(hào)，利用相應(yīng)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析檢測(cè)，判斷是否異常，并將結(jié)果推送至APP端。

5.1 服務(wù)器搭建

服務(wù)器主要采用python的flask框架進(jìn)行搭建，配合socket套接字協(xié)議對(duì)傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。采用面向連接的TCP-IP協(xié)議進(jìn)行通訊，保證數(shù)據(jù)不丟失。開啟多線程用訓(xùn)練的模型對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，避免服務(wù)器卡死并且保證服務(wù)器還可以繼續(xù)接收無線模塊發(fā)送來的消息。

5.2 模型（算法）構(gòu)建

針對(duì)三種特征數(shù)據(jù)，有對(duì)應(yīng)的算法來進(jìn)行檢測(cè)；最后結(jié)合實(shí)際行為特征，對(duì)三組數(shù)據(jù)異常進(jìn)行組合判斷，得出虐待行為是否發(fā)生。以哭聲檢測(cè)為例：

首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將哭聲音頻與非哭聲分開，哭聲音頻的標(biāo)簽置為1，非哭聲音頻置為0，從而構(gòu)建0-1分類問題。

對(duì)每一音頻數(shù)據(jù)提取特征，分幀加窗，對(duì)每一幀的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換轉(zhuǎn)變成信號(hào)的功率譜。用一組三角窗濾波器對(duì)信號(hào)的功率譜濾波，以此模擬人耳收聽到的功率范圍。在梅爾頻譜上進(jìn)行倒譜分析，最終得到以梅爾頻率倒譜系數(shù)為特征的音頻特征。

根據(jù)音頻特征，構(gòu)建有監(jiān)督學(xué)習(xí)的分類模型。在模型分類評(píng)價(jià)中，如果分?jǐn)?shù)精確度較高且召回率較低，則說明模型效果表現(xiàn)良好。如果模型在訓(xùn)練中很難收斂，則應(yīng)該考慮調(diào)節(jié)模型參數(shù)或者更換模型。如果模型的評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)并不令人滿意，則應(yīng)該考慮改變訓(xùn)練特征。

5.3 APP開發(fā)

本智能系統(tǒng)裝置通過檢測(cè)兒童的特殊體征，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析從而實(shí)現(xiàn)對(duì)兒童狀況的監(jiān)控。監(jiān)控的結(jié)果應(yīng)該能向家長進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，真正達(dá)到防虐待的目的。因此本設(shè)備將開發(fā)相應(yīng)的基于Android平臺(tái)的手機(jī)客戶端，家長可使用該客戶端隨時(shí)查看其所綁定設(shè)備的數(shù)據(jù)信息。同時(shí)客戶端也將根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警提示。本客戶端準(zhǔn)備采用C/S結(jié)構(gòu)，使用Android布局技術(shù)完成UI的設(shè)計(jì)，基于Java語言開發(fā)，在不同型號(hào)的設(shè)備模擬器上進(jìn)行測(cè)試。主要具有“數(shù)據(jù)可視化”及“消息通知”兩大功能，力求做到用戶體驗(yàn)好，容錯(cuò)能力強(qiáng)，信息反饋及時(shí)準(zhǔn)確。

6 結(jié)果分析

本設(shè)備利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用集成傳感器監(jiān)測(cè)兒童的哭聲、重心、心率等體征數(shù)據(jù)，通過無線通信模塊將收集到的數(shù)據(jù)上傳到后臺(tái)服務(wù)器內(nèi)。在服務(wù)器內(nèi)通過算法分析處理所得數(shù)據(jù)，通過APP將分析結(jié)果實(shí)時(shí)顯示到家長的移動(dòng)設(shè)備上，并在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)即時(shí)發(fā)送報(bào)警信息到家長的移動(dòng)設(shè)備，保證家長對(duì)兒童身體狀況的知情。充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在數(shù)據(jù)收集中的作用，為降低兒童虐待事件發(fā)生率提供了信息保障。

7 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種兒童防虐待裝置，通過傳感器的監(jiān)測(cè)、APP的信息傳達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備與兒童、家長的交互，安全性好，時(shí)效性高。旨在保護(hù)兒童的安全健康，緩解家長憂慮，提高社會(huì)對(duì)兒童安全問題重視。

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