梅宇翔，郭宗蔚，雷夢(mèng)瑤

（西安培華學(xué)院，陜西西安，710125）

0 引言

近年來(lái)，不同類型的校園欺凌事件頻繁上演，學(xué)生的安全問(wèn)題成為家長(zhǎng)最關(guān)心的問(wèn)題。無(wú)論是欺凌者或是受害者一旦經(jīng)受過(guò)校園暴力都會(huì)產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響，這也是社會(huì)高度關(guān)注的原因。防欺凌報(bào)警器包括語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，AI 自動(dòng)報(bào)警器等。還具有通信功能，可以即時(shí)通知老師和工作人員對(duì)其進(jìn)行制止。

雖然如今市面上的報(bào)警器并沒(méi)有完全普及，并且學(xué)校對(duì)加強(qiáng)這方面的措施有限，極少有對(duì)報(bào)警器的需求。但是隨著科技的提升和發(fā)展，國(guó)家對(duì)教育的支持，防欺凌報(bào)警器這樣實(shí)用性強(qiáng)的產(chǎn)品會(huì)得到推廣和實(shí)行。

1 防欺凌報(bào)警器的需求分析

校園欺凌是一個(gè)全球性的問(wèn)題，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)，32.5%的學(xué)生偶爾遭受過(guò)欺凌，6.1%的學(xué)生經(jīng)常遭受高年級(jí)同學(xué)的欺凌。同樣的，美國(guó)有20%的中學(xué)生遭受過(guò)校園欺凌，日本2019 年有超過(guò)61 萬(wàn)起的校園欺凌事件發(fā)生。

聯(lián)合國(guó)教科文組織的一份調(diào)研報(bào)告顯示[1]，全世界每3個(gè)學(xué)生中就有1 個(gè)曾經(jīng)遭受過(guò)欺凌。由于被欺凌的學(xué)生常常會(huì)感到膽怯、擔(dān)心被報(bào)復(fù)或覺(jué)得羞恥，導(dǎo)致絕大多數(shù)都選擇忍氣吞聲、隱而不報(bào)。這使得校方和家長(zhǎng)難以知曉欺凌的情況，也導(dǎo)致被欺凌的學(xué)生得不到應(yīng)有的關(guān)注和幫助。

為了解決這一問(wèn)題，可以考慮在學(xué)校安裝防欺凌報(bào)警器。這種報(bào)警器可以在視頻監(jiān)控?zé)o法覆蓋到的地方（如廁所、宿舍等偏僻角落）進(jìn)行安裝，通過(guò)對(duì)異常聲檢測(cè)，能夠?qū)饨?、謾罵、打斗等聲音進(jìn)行識(shí)別，并自動(dòng)發(fā)出報(bào)警。在后期，這種報(bào)警器還可以植入先進(jìn)的聲紋識(shí)別技術(shù)[2]，能夠通過(guò)聲音識(shí)別當(dāng)事人的身份，從而更有效地震懾欺凌者，并追責(zé)到人，保護(hù)學(xué)生的人身安全，杜絕校內(nèi)欺凌事件的發(fā)生。

防欺凌報(bào)警器的使用可以讓學(xué)生在遇到欺凌或危險(xiǎn)時(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警，得到及時(shí)的幫助。同時(shí)，這種報(bào)警器還能夠提醒學(xué)生和老師注意自身安全，為避免欺凌事件的發(fā)生做出貢獻(xiàn)。總的來(lái)說(shuō)，防欺凌報(bào)警器是一種有效的解決校園欺凌問(wèn)題的方案，值得推廣應(yīng)用。

2 防欺凌報(bào)警器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與功能

防欺凌報(bào)警器模型如圖1 所示，防欺凌報(bào)警器是以防止校園暴力作為出發(fā)點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)的，它可以有效地解決校園欺凌問(wèn)題，使校園對(duì)這方面問(wèn)題管理更加全面化。相比傳統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備，報(bào)警器可以覆蓋到監(jiān)控不能觸及的死角區(qū)域。防欺凌報(bào)警器可以和監(jiān)控設(shè)備“聯(lián)動(dòng)起來(lái)”，覆蓋校園，做到無(wú)死角管理，以報(bào)警器的聲光兩種方式進(jìn)行警報(bào)。可以更好地向校方反映具體的問(wèn)題，從而有效地管控校園欺凌行為。它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖1 校園防欺凌系統(tǒng)模型圖

圖2 校園防欺凌系統(tǒng)方框圖

2.1 主控模塊

采用Raspberry Pi 3B+開(kāi)發(fā)板作為整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。此開(kāi)發(fā)板具有豐富的拓展接口，并且集成有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)接口，可以保證信息傳遞的高效性。

2.2 電源模塊

兩種供電模式設(shè)計(jì)用于保證在適配器接入時(shí)5V 可以直接供電，而在沒(méi)有適配器的情況下，鋰電池可以使用來(lái)供電[3]，特別是在突發(fā)情況下，如學(xué)校中突然停電時(shí)，鋰電池供電將保證報(bào)警器的正常工作。

鋰電池的充電要求較高，需要采用專用的恒壓恒流充電器進(jìn)行充電，充電電流在0.2C~0.8C 之間比較適宜，下面介紹采用TP4056 充電IC 的鋰電池充電方案。

TP4056 是一種全能的單節(jié)鋰離子電池充電器，其構(gòu)成由少量外部元件和SOP8 封裝組成，是便攜式應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。它可以與USB 電源或充電器適配器共同工作，無(wú)需外部隔離二極管，內(nèi)置PMOSFET 架構(gòu)和倒充電防護(hù)電路。它可以以恒定電流或恒定電壓的模式來(lái)充電，可以最大程度地利用其便攜性、使用方便性以及安全性，TP4056 是一款可用于充電的單節(jié)鋰離子電池充電器，采用SOP8 封裝，外加少數(shù)外部元件，可搭配USB 電源或適配器電源合作，可以用電阻進(jìn)行外部設(shè)置。此外，它還采用了熱反饋，可以在較高的環(huán)境溫度下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整充電電流，可根據(jù)用戶設(shè)定達(dá)到最終浮充電壓，最終將會(huì)在充電電壓降至設(shè)定值1/10 時(shí)自動(dòng)停止充電[4]。

2.3 關(guān)鍵詞語(yǔ)音識(shí)別模塊

基于Raspberry Pi 的ReSpeaker 4-Mic 陣列是一款適用于AI 和語(yǔ)音應(yīng)用的Raspberry Pi 的四通道麥克風(fēng)擴(kuò)展板。這意味著可以借助它構(gòu)建一個(gè)集成Amazon Alexa語(yǔ)音服務(wù)，Google 助手等，功能更強(qiáng)大，更靈活的語(yǔ)音產(chǎn)品[5]。該板基于AC108，擁有用于高清晰度語(yǔ)音捕獲的四通道ADC，可以I2S/TDM 輸出，具備拾取3 米半徑聲音的能力，是一款用于語(yǔ)音應(yīng)用的高效設(shè)備[6]。

在低噪聲、無(wú)混響、距離聲源很近的情況下，單麥克風(fēng)系統(tǒng)可以獲得符合語(yǔ)音識(shí)別需求的聲音信號(hào)。但是，在距離聲源較遠(yuǎn)，并且存在大量噪聲、多徑反射和混響時(shí)，拾取信號(hào)的質(zhì)量會(huì)下降，對(duì)語(yǔ)音識(shí)別率產(chǎn)生嚴(yán)重影響[7]。而且，單麥克風(fēng)接收的信號(hào)，是由多個(gè)聲源和環(huán)境噪聲疊加的，很難實(shí)現(xiàn)各個(gè)聲源的分離。

麥克風(fēng)陣列的概念需要一組麥克風(fēng)以特定的幾何結(jié)構(gòu)如線形或環(huán)形擺放。通過(guò)空時(shí)處理，可以有效地抑制噪聲、去除混響、抑制人聲干擾、測(cè)向聲源、跟蹤聲源以及增強(qiáng)陣列增益，從而提升語(yǔ)音處理質(zhì)量，從而提高真實(shí)環(huán)境下語(yǔ)音識(shí)別率[8]。

2.4 聲光報(bào)警模塊

語(yǔ)音報(bào)警模塊通過(guò)3.5mm 音頻插孔或者JST2.0 揚(yáng)聲器接入，解碼數(shù)字音頻信號(hào)，模擬音頻信號(hào)前置放大，功率放大并播放。蜂鳴器報(bào)警電路主要是針對(duì)接收到求救信號(hào)時(shí)，報(bào)警提醒欺凌者停止欺凌。當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別到預(yù)先設(shè)定好的關(guān)鍵詞時(shí)便會(huì)發(fā)出警報(bào)，對(duì)欺凌行為進(jìn)行制止。同時(shí)警報(bào)燈也會(huì)閃爍對(duì)欺凌者進(jìn)行警告。整個(gè)硬件的控制核心是ESP8266 控制器，由于ESP8266 本身就兼具數(shù)據(jù)處理和WiFi 無(wú)線功能，所以ESP8266 連接WiFi 后能夠?qū)崿F(xiàn)將采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)上傳到云端。

2.5 信息發(fā)送模塊

報(bào)警信息發(fā)送與聲光警報(bào)同步執(zhí)行，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)置程序?qū)?bào)警信息發(fā)送至管理人員。可以通過(guò)校園網(wǎng)進(jìn)行發(fā)送，也可以通過(guò)網(wǎng)線聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行發(fā)送。通過(guò)局域網(wǎng)可以連接到專門的智能控制軟件進(jìn)行報(bào)警信息的發(fā)送。

2.6 信息存儲(chǔ)模塊

當(dāng)系統(tǒng)偵測(cè)到欺凌行為時(shí)，會(huì)對(duì)時(shí)間、地點(diǎn)和檢測(cè)到的聲音信息進(jìn)行保存[9]。后采用SD 儲(chǔ)存卡儲(chǔ)存識(shí)別到的信息，并設(shè)置程序每30 天覆蓋一次。其對(duì)事件的處理會(huì)更加方便，也可以起到一定的警示作用。

報(bào)警器系統(tǒng)面板設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 校園防欺凌系統(tǒng)面板設(shè)計(jì)圖

2.7 智能控制模塊

采用ESP-01S 模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能控制報(bào)警器，并可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看報(bào)警器的狀態(tài)。通過(guò) CH340C 燒錄器給 ESP-01 模塊刷入可供 HomeKit 識(shí)別的固件（Home Accessory Architect），ESP 通過(guò)繼電器的開(kāi)關(guān)控制線路的通斷從而控制設(shè)備開(kāi)關(guān)。電源模塊不能直接接入220V 電源，需要做降壓處理。

智能模塊接線圖如圖4 所示。減壓模塊接線圖如圖5所示。

圖4 智能模塊接線圖

圖5 減壓模塊接線圖

3 報(bào)警器系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊

利用硬件電路和編程技術(shù)，可以開(kāi)發(fā)程序完成預(yù)定義的功能，這有助于實(shí)現(xiàn)高性能、低復(fù)雜性的設(shè)備。采用現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以將功能更好地實(shí)施到業(yè)界中，幫助企業(yè)及用戶提升效率，并同時(shí)保證速度與精度。此外，通過(guò)在高靈敏度同時(shí)具有高精度和耐用度的集成電路上實(shí)現(xiàn)硬件組件，可以深入了解系統(tǒng)運(yùn)行情況，以便對(duì)緊急情況及時(shí)做出反應(yīng)，提高設(shè)備的安全性。防欺凌系統(tǒng)的核心芯片是AC108，此芯片有多種拓展接口，可以接入光源和音頻輸出。雙麥克風(fēng)增強(qiáng)了聲音的識(shí)別效率，保證了報(bào)警器的可靠性。與Raspberry Pi 3B+配合使用，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程。整個(gè)系統(tǒng)分為硬件初始化、語(yǔ)音識(shí)別、發(fā)出警報(bào)并發(fā)送報(bào)警信息、信息存儲(chǔ)等。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 校園防欺凌系統(tǒng)軟件流程圖

AC108 主控芯片的程序設(shè)計(jì)包含了多個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，它們實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的分模塊驅(qū)動(dòng)和功能操作的設(shè)計(jì)，旨在滿足不同用戶的實(shí)際需求，這樣可以確保開(kāi)發(fā)過(guò)程中程序穩(wěn)定性最大，以達(dá)到有效抗干擾、節(jié)約硬件資源和最大限度地實(shí)現(xiàn)通信功能的目的[10]。

3.2 語(yǔ)音識(shí)別模塊

語(yǔ)音識(shí)別包含了訓(xùn)練和識(shí)別階段。為了實(shí)現(xiàn)最終的識(shí)別目標(biāo)，輸入聲音必須進(jìn)行前處理和特征抽取。在訓(xùn)練階段，通過(guò)多次訓(xùn)練聲音，生成的標(biāo)記矢量參數(shù)會(huì)構(gòu)建一個(gè)語(yǔ)音模型庫(kù)。在識(shí)別階段，將輸入語(yǔ)音的參數(shù)與模型庫(kù)中的模型進(jìn)行匹配，最接近的參數(shù)作為最終識(shí)別的結(jié)果輸出。經(jīng)過(guò)這一流程，語(yǔ)音識(shí)別目標(biāo)就得到了實(shí)現(xiàn)[11]。語(yǔ)音識(shí)別的流程如圖7 所示。

圖7 語(yǔ)音識(shí)別流程圖

3.3 信息儲(chǔ)存模塊

傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)主要是為針對(duì)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的，雖然有一些字段格式可以用來(lái)存儲(chǔ)，但性能表現(xiàn)不佳。對(duì)于非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，如視頻、音頻和圖片，NoSQL 類型的數(shù)據(jù)庫(kù)可以應(yīng)用在這種場(chǎng)景，但由于其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元是為小文件而設(shè)計(jì)的，因此面對(duì)大尺寸的文件，速度仍會(huì)有所影響。

當(dāng)想要存儲(chǔ)這類特殊文件到數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)消耗大量?jī)?nèi)存、讀取緩慢，導(dǎo)致低效率的問(wèn)題，因?yàn)槊看味夹枰獙?shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的方式從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取返回用戶請(qǐng)求，這會(huì)耗費(fèi)大量的數(shù)據(jù)庫(kù)資源。因此，更好的做法是把大尺寸文件存儲(chǔ)在本地文件服務(wù)器中，然后將存儲(chǔ)在本地文件服務(wù)器上的文件路徑存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。這樣，當(dāng)有用戶請(qǐng)求某個(gè)特殊文件時(shí)，系統(tǒng)就可以快速定位并下載該文件，返回給用戶[12]。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)如圖8 所示。

圖8 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)圖

3.4 遠(yuǎn)程控制模塊

智能控制模塊采用的 ESP8266 芯片，通過(guò) CH340C 燒錄器刷入可以移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行通訊的固件，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制以及智能化操作。刷入固件后的ESP8266 可以連接局域網(wǎng)，當(dāng)遠(yuǎn)程端發(fā)出指令時(shí)，首先傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)發(fā)射端，發(fā)射端再將指令轉(zhuǎn)發(fā)到ESP8266 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。在遠(yuǎn)程端與接收端未處于同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí)，可以對(duì)與接收端處于同一網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備設(shè)置指令的轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)遠(yuǎn)程端發(fā)出指令時(shí)，通過(guò)與接收端處于同一局域網(wǎng)的設(shè)備發(fā)送指令，從而突破局域網(wǎng)的傳輸限制。遠(yuǎn)程控制示意圖如圖9 所示。

圖9 遠(yuǎn)程控制示意圖

4 總結(jié)

校園不僅需要眼睛，也需要耳朵。防欺凌報(bào)警器的出現(xiàn)反映了國(guó)家對(duì)教育發(fā)展的重視，滿足了當(dāng)前人類社會(huì)的需要。用科技來(lái)保護(hù)每個(gè)孩子的人身安全，讓孩子們?cè)诔錆M安全的環(huán)境下自信、健康地成長(zhǎng)。解決了大多數(shù)校園內(nèi)的安全盲區(qū)，填補(bǔ)了校園安全的監(jiān)控空白地帶。讓欺凌者暴露在真空中，從根源上阻止校園欺凌的發(fā)生。因此，防欺凌報(bào)警器的研究是非常有必要的。未來(lái)會(huì)有越來(lái)越多的新技術(shù)能夠和場(chǎng)景結(jié)合起來(lái)，切切實(shí)實(shí)地解決實(shí)際的問(wèn)題，為人類的科學(xué)事業(yè)和幸福做出貢獻(xiàn)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有待完善，但寄托了對(duì)美好校園生活的向往。結(jié)合創(chuàng)新展現(xiàn)了多功能的報(bào)警器，為社會(huì)而用為人類而用。