基于人臉年齡識別的車內(nèi)兒童防滯留監(jiān)測系統(tǒng)

宋佳超，林俊燁，邢偉志，張思涵，蔣冰蕾，吳文慧（通訊作者）

（浙江工商大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，浙江杭州，310018）

0 引言

在計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展下，“人工智能”逐步走入公眾的視野，基于人臉圖像的分析和識別逐漸成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。由于人臉中含有諸如人物性別、年齡、種族和表情等大量信息，相關(guān)技術(shù)在智能監(jiān)控、人機(jī)交互、訪問控制、圖像檢索和安全方面有著極其廣泛的應(yīng)用[1]。

人臉年齡識別是一種通過檢測人臉，將人臉圖像進(jìn)行預(yù)處理、特征提取進(jìn)而識別年齡的一種技術(shù)。而隨著深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Deep Neural Network，DNN）的發(fā)展與應(yīng)用，人臉年齡識別等圖像特征提取技術(shù)跨入了一個(gè)新的階段。DNN 是深度學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，它具有突出的特征學(xué)習(xí)能力，因此DNN 特別擅長解決基于分類的各種識別問題，如語音識別、圖像識別等。

隨著社會的不斷發(fā)展，汽車已成為了越來越多家庭出行的選擇。與此同時(shí)交通事故或與汽車有關(guān)的意外事故發(fā)生率也越來越高。近年來，由于部分家長的疏忽，兒童被遺忘滯留車內(nèi)的新聞屢有報(bào)道。滯留在車內(nèi)的兒童可能會出現(xiàn)中暑、過熱脫水、窒息甚至死亡。在過去的幾年里，因?yàn)檐囍饔幸饣驘o意將兒童獨(dú)自滯留在車內(nèi)而導(dǎo)致兒童死亡的事件發(fā)生過上百次。因此，一個(gè)能夠?qū)噧?nèi)滯留兒童進(jìn)行檢測并報(bào)警的系統(tǒng)就顯得尤為重要。

本文所設(shè)計(jì)的車內(nèi)兒童防滯留監(jiān)測系統(tǒng)以DNN 深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的年齡識別算法為核心，以傳感器輔助監(jiān)測車內(nèi)環(huán)境，結(jié)合行車記錄模塊。使得該系統(tǒng)不僅具備行車記錄功能，且一旦發(fā)現(xiàn)有兒童單獨(dú)滯留車內(nèi)，并滿足威脅人身安全的條件后，就會立即聯(lián)系車主，并向車輛周圍播放求救語音，實(shí)現(xiàn)對車內(nèi)滯留兒童的及時(shí)救助，有效減少意外的發(fā)生。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、主控模塊和報(bào)警模塊三個(gè)部分構(gòu)成。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊中的定位模塊和車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測模塊持續(xù)將當(dāng)前車輛的位置數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)和車內(nèi)紅外輻射數(shù)據(jù)發(fā)送給主控模塊進(jìn)行處理。主控模塊由STM32F103 系列單片機(jī)構(gòu)成，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)并判斷車輛有人滯留時(shí)，主控模塊發(fā)送指令，開啟數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊中的年齡監(jiān)測模塊進(jìn)行年齡識別，若識別結(jié)果為兒童，則主控模塊將指令發(fā)送給報(bào)警模塊，報(bào)警模塊將控制短信通知模塊發(fā)送兒童滯留車內(nèi)的短信提醒給監(jiān)護(hù)人；若此時(shí)正處于高溫，主控模塊將額外指令發(fā)送給報(bào)警模塊，報(bào)警模塊將控制語音播放模塊向外發(fā)送求助語音，同時(shí)短信警告監(jiān)護(hù)人，從而實(shí)現(xiàn)近距離求助和遠(yuǎn)距離報(bào)警。

車內(nèi)兒童防滯留監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測模塊

車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測模塊包含：溫度傳感器、人體紅外傳感器，溫度傳感器、人體紅外傳感器分別與主控模塊相連。溫度傳感器和人體紅外傳感器分別檢測車內(nèi)溫度和車內(nèi)紅外輻射信號[2]，并將數(shù)據(jù)傳輸至主控模塊，模塊結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)

2.1.1 溫度傳感器

溫度傳感器是能感受溫度變化，將溫度并轉(zhuǎn)化為輸出電壓信號的傳感器。

本文采用的溫度傳感器是DS18B20 數(shù)字溫度傳感器[3]，DS18B20 傳感器測量溫度的范圍在零下55℃～125℃之間，且該傳感器精度高、能耗低、穩(wěn)定性高、抗電磁干擾能力強(qiáng)，具有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字輸出。

2.1.2 人體紅外傳感器

人體紅外傳感器是一種可以感受物體輻射的紅外線，將紅外輻射信號轉(zhuǎn)換為能夠測量的可用輸出信號的傳感器。

本文采用的人體紅外傳感器是HC-SR50 熱釋電傳感器。傳感器外殼頂部的濾光片是一個(gè)帶通濾光片，可以選擇性地通過特定波長的紅外輻射。內(nèi)部熱釋電傳感元件類似于以熱釋電晶體為介質(zhì)的平板電容器。當(dāng)它暴露于非恒定強(qiáng)度的紅外輻射時(shí)，會產(chǎn)生溫度變化，并且溫度的變化會引起電極表面電荷密度的變化，產(chǎn)生熱釋電電流。

■2.2 定位模塊

定位模塊為GPS 定位模塊，用于監(jiān)測車輛速度，本文采用的是NEO-6M 模組，GPS 定位模塊通過實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛位置得到車輛實(shí)時(shí)行駛速度并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至主控模塊[4]。

NEO-6M 模組具有高性能的u-blox6 定位引擎，它可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的并行時(shí)頻空間搜索，并具有即時(shí)發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星的能力。并且模塊的設(shè)計(jì)很好地降低了干擾因素，減輕了多徑效應(yīng)，在極其惡劣的環(huán)境中仍然能夠使用。

■2.3 語音播放模塊

語音播放模塊包括：錄放音芯片、揚(yáng)聲器。語音播放模塊用于向兒童所在車輛周圍行人播放求救信號。錄放音芯片分別與主控模塊、揚(yáng)聲器相連。主控模塊將結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送至錄放音芯片,錄放音芯片經(jīng)分析判斷驅(qū)動揚(yáng)聲器播放音頻。

本文采用的是ISD1802 錄放音模塊，此模塊可由單片機(jī)控制，進(jìn)行錄音及播放。當(dāng)傳感器發(fā)出特定信號時(shí)單片機(jī)將根據(jù)信號類型對語音播放模塊進(jìn)行控調(diào)整，功率低，音質(zhì)較高。

■2.4 年齡檢測模塊

年齡檢測模塊包括：攝像頭、樹莓派，攝像頭與樹莓派相連，樹莓派與主控模塊相連。年齡檢測模塊用于判斷滯留車內(nèi)的是兒童還是成人，攝像頭采集視頻信息傳輸至樹莓派，樹莓派內(nèi)OpenCV 庫導(dǎo)入視頻流并截取圖片，再使用基于DNN 深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的年齡識別算法，對人臉數(shù)據(jù)進(jìn)行年齡檢測，從而判斷車內(nèi)的是成人還是兒童，樹莓派將算法結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸至主控模塊，模塊工作原理如圖3 所示。

圖3 年齡檢測模塊結(jié)構(gòu)

軟件方面，在樹莓派上使用DNN 深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建出可以實(shí)時(shí)檢測人臉并判斷年齡的監(jiān)測系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)的算法，DNN 更加靈活、高效、智能。根據(jù)樹莓派的性能，權(quán)衡性能和準(zhǔn)確率后合理調(diào)整了相應(yīng)參數(shù)，在高精度識別率下穩(wěn)定在15 幀左右，滿足正常使用需求。

■2.5 短信通知模塊

短信通知模塊為GSM 模塊，GSM 模塊與主控模塊相連，用于在緊急情況下向監(jiān)護(hù)人發(fā)送求救短信[5]。主控模塊發(fā)送AT指令信息控制短信通知模塊將短信數(shù)據(jù)發(fā)送至車主手機(jī)。GSM 模塊操作簡單、接收與發(fā)送短信的速度快，有效節(jié)省了時(shí)間，最大限度地提高兒童被解救的可能性。

本文使用的GSM 模塊為SIM900A 模塊，該模塊操作簡單、收發(fā)短信速度快，有效節(jié)省了時(shí)間，最大限度地提高兒童被解救的可能性。

■2.6 主控模塊

主控模塊以STM32 單片機(jī)為核心，用于數(shù)據(jù)的收發(fā)、響應(yīng)并控制其他各模塊。主控芯片為STM32F103ZET6，該芯片的中央處理器為基于ARM 的32 位Cortex-M3，內(nèi)部嵌有8MHz 的RC 振蕩器，工作頻率最高為72MHz。片上集成有字節(jié)數(shù)為256 到512 之間的Flash 存儲器，64k 字節(jié)的SRAM，帶有3 個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，3 個(gè)行外設(shè)接口，2 個(gè)單、雙向二線制同步串行總線接口，4 個(gè)FSMC 接口，11 個(gè)定時(shí)器，5 個(gè)串口，1 個(gè)控制器局域網(wǎng)絡(luò)接口及112 個(gè)GPIO 口。

模塊（結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示）具有以下功能：

圖4 主控模塊結(jié)構(gòu)

（1）硬件的連接：STM32F103系列單片機(jī)通過GPIO 口連接車內(nèi)環(huán)境檢測模塊、語音播放模塊和定位模塊，通過串口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與樹莓派的連接。

（2）數(shù)據(jù)的收發(fā)：STM32F103 系列單片機(jī)通過GPIO口接收車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過串口接收定位模塊和年齡檢測模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。

（3）響應(yīng)及控制：STM32F103 系列單片機(jī)對車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測模塊、定位模塊以及年齡檢測模塊的信息進(jìn)行分析處理，根據(jù)分析結(jié)果對語音播放模塊以及短信通知模塊進(jìn)行控制。

■2.7 行車記錄模塊

行車記錄模塊包括USB 攝像頭和樹莓派，USB 攝像頭與樹莓派相連，用于記錄行車過程中的信息并保存成視頻格式。樹莓派系統(tǒng)程序中部署了OpenCV 庫。樹莓派調(diào)用OpenCV 庫，將USB 攝像頭傳入的每一幀視頻數(shù)據(jù)保存為XVID 格式的視頻，保存到外部儲存設(shè)備中。同時(shí)，為了在存儲空間用盡時(shí)仍能保存最新錄制的視頻，行車錄像模塊設(shè)有循環(huán)刪除的功能，每次將要錄制新視頻時(shí)，程序自動刪除三天及更早的視頻。

3 軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于人臉年齡識別的車內(nèi)兒童防滯留監(jiān)測系統(tǒng)的程序流程圖如圖5 所示。系統(tǒng)開啟后，首先開啟定位模塊判斷車輛是否停止，當(dāng)在一段時(shí)間內(nèi)車輛速度均為零則可判斷車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)；開啟車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測模塊，通過人體紅外傳感器判斷車內(nèi)是否有人，若車內(nèi)有人，則啟動年齡檢測模塊判斷車內(nèi)滯留的是否只有兒童，若檢測到車內(nèi)僅有兒童時(shí)，則開啟短信通知模塊，發(fā)送短信通知車主車內(nèi)僅有兒童，同時(shí)通過溫度傳感器判斷車內(nèi)溫度，當(dāng)車內(nèi)溫度超過報(bào)警設(shè)定值時(shí)，開啟語音播放模塊，向周圍行人播放求助語音。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于人臉年齡識別的車內(nèi)兒童防滯留監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用了基于DNN 深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的年齡識別算法檢測車內(nèi)兒童，相較同類產(chǎn)品具有更高的準(zhǔn)確性。相關(guān)同類產(chǎn)品大多采用人體紅外傳感器、氣體傳感器等手段檢測車內(nèi)人員，而這需要一個(gè)過程，可能對人體造成傷害，且無法準(zhǔn)確地判斷車內(nèi)滯留人員是否僅為兒童。因此本系統(tǒng)更加高效、安全，且本系統(tǒng)與已有廣泛市場基礎(chǔ)的行車記錄儀相結(jié)合，使其更具方便性、實(shí)用性，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。在廣泛應(yīng)用該系統(tǒng)的前提下，可以預(yù)想，車內(nèi)兒童因窒息、脫水而發(fā)生意外必將有所改善。