智慧陪伴与安全防护于一体的儿童成长系统

摘 要：为了加强对儿童的管理，AI儿童成长系统以平安家庭、智慧陪伴为切入点，通过搭建YOLOv5神经网络模型来捕获儿童居家的微表情与动作，利用人体姿态识别与人脸活体检测算法对家庭进行实时检测，促进儿童养成良好习惯，若发现有可疑人员则及时进行报警处理。集智慧陪伴、家庭安全于一体的智能管理系统能够为家庭提供多层次、全方位的智能化服务。不仅能够有效解决幼童玩耍后玩具杂乱和收纳困难等问题，还能够实现幼童的智能化辅助看管，具有监控、识别、报警、记录等功能。

关键词：人脸识别；视频图像处理技术；大数据分析；云服务；人机交互；YOLOv5神经网络

中图分类号：TP273；TP242 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）03-00-03

0 引 言

随着经济的不断发展，人口年龄结构急剧变化，使得孩子常常得不到周到的照料。深入市场调查后我们发现一部分家长会在市面上专门购买一些儿童收纳箱来收纳孩子们的玩具。但比较后发现，市面上的收纳箱大同小异，收纳装置功能单一，缺乏趣味，缺少细节的分类，仍然是杂乱无章地将玩具收纳在收纳箱之中，一定程度上增加了玩具的损伤率[1-3]。

在上述背景下，本项目致力于设计一个集智慧陪伴和安全防护于一体的儿童成长系统。该智慧型儿童成长系统不仅能够有效解决幼童玩耍后玩具杂乱和收纳困难等问题，还能够实现幼童的智能化辅助看管，具有监控、识别、报警、记录等功能。相比于传统收纳柜，本项目可缓解家长收拾玩具的压力，帮助引导孩子有序排放玩具，同时解决现有儿童安全、教育、学习等问题，记录儿童成长瞬间。更重要的是，该系统收纳柜通过人机语音交互子系统进行健康提醒，定时提醒孩子活动身体、休息饮水等，以便养成健康小习惯，还能够通过题库作答情况进行大数据分析，了解孩子的兴趣爱好。除此之外，还具有监控孩子周围环境和安全的功能，可以将识别到的陌生面孔远程传输到家长手机APP上，进一步保障儿童的安全。

1 系统总体设计

本系统框架设计如图1所示。系统选用STM32和树莓派4B双主控作为核心控制，二者共同协作控制系统。STM32是目前最流行的嵌入式控制处理器之一，拥有超高的处理速度和运行速度；树莓派4B具有完整的程序框架支持，内存容量能够同时运行多种不同的网络，并且能将复杂的计算机视觉算法应用在各种复杂的模型中[4-7]。智慧型儿童成长系统的功能模块主要有：题库积分系统、大数据分析系统、WiFi通信模块、语音识别模块、人脸活体检测、自控开关门、人机交互界面等。语音识别模块和摄像头模块作为智慧型儿童成长系统的识别部分；继电器、电机、电子锁作为儿童成长系统的控制部分；管理端APP和可视化QT界面构成交互体验系统。各个部分相互级联、相互作用、相互协作。

2 硬件设计

2.1 控制系统的硬件设计

针对本项目，需设计并且制作一台体积约为（50×50×76）cm3的集智慧陪伴与安全防护于一体的儿童成长系统。装置结构如图2所示。图2为设计的三维模型，其中①为3D视觉传感器Kinect摄像头模块；②为语音识别四阵列麦克风；③为交互体验系统的可视化QT界面；④为体积为（18×48×11）cm3的固定储物格；⑤为柜子背部散热装置；⑥为控制电路，用于控制智慧型儿童成长系统的诸多功能；⑦为可移动巡航部分，便于搬运移动；⑧为以树莓派为主的控制电路主控板。

2.2 控制系统的硬件电路设计与制作

在设备的控制上，需要设计一套可以嵌入智慧型儿童成长系统的电路系统，用于控制各个模块的运行以及与交互部分的通信。选用STM32、树莓派4B作为系统的双主控，外设搭建摄像头模块、继电器、电机模块、显示屏及其他辅助模块。通过STM32和树莓派4B驱动每一个模块并结合起来，构成控制电路系统。本系统选用STM32搭建各种外设模块，选用树莓派搭建QT界面、人脸活体检测与各子系统之间的关系算法，共同运营测试。

3 软件设计

3.1 大数据分析部分

将孩子所做题目类型，通过题库采集记录，以实时或批量的方式汇聚到HDFS文件系统中，再通过mapreduce程序对采集到的点击流数据进行预处理，通过数据清洗、数据转化、数据提取、数据计算四个流程滤除脏数据，提取有用数据等。接着将预处理之后的数据导入到HIVE仓库的相应库和表中存储起来。对数据进行分析，根据需求开发ETL分析语句，运用高效的数据算法处理海量结构化、半结构化、非结构化数据得出各种统计结果。最后，将分析数据可视化，用户可通过APP或者UI选择列表、条形图、环形图等多种方式呈现孩子的兴趣爱好。

3.2 人脸活体检测部分

系统基于优化的LBPH算法和Kinect v2传感器的人脸识别算法。由实验结果可知，人脸识别率为98%，可行性较大；在活体识别方面，考虑到多线程的任务和树莓派的机能限制，为保证程序的稳定性，我们使用了百度云活体识别API，将处理好的图片信息上传至百度云的平台上获取活体检测的对比度来实现此功能，这样也减少了程序的运算量，降低处理器的功耗，在嵌入式设备上也更加节省电量。

3.3 人机语音交互部分

基于树莓派，通过接入USB声卡和麦克风，轻松实现语音识别/人机交互功能。通过用户自定义的时间，可合理控制孩子的娱乐时间；到达指定时间时，智能语音助手便会提示孩子把玩具合理安排收纳到收纳柜中。此外，还可以询问孩子们感兴趣的事物，通过对话数据分析孩子们的兴趣爱好，家长们可以通过APP自定义来设计知识问答、音乐播放、故事讲解等。语音交互流程如图3所示。

3.4 云服务器部分

互联网服务作为儿童成长系统与APP端的传输中介，起着桥梁的作用[8-10]。集智慧陪伴与安全防护于一体的儿童成长系统通过WiFi模块/4G模块联网，接入云服务端，从而实现不断地与APP端进行数据交换，达到儿童成长系统接收APP控制指令和APP端接收儿童成长系统发送信息的目的。数据通信结构如图4所示。

3.5 交互体验系统

交互体验系统是用户与儿童成长系统进行交互体验的主要部分，主要由可视化QT界面和管理端APP组成。流程如图5所示。

使用Python中的PyQt5库来设计一个用户界面，通过QT界面的功能模块，家长可以选择特定的功能。此外，家长可以智能操控语音识别库，输入自定义语音指令，在孩子玩耍与学习时定时健康提醒。界面还具备人脸识别功能，通过将管理员与使用者的人脸录入，有效避免除使用者外的人员打开智慧型儿童成长系统，同时将非使用者人脸记录后发送到家长手机APP中。

使用管理端APP可以与智慧型儿童成长系统互通数据，家长可以录入自定义的语音命令，配合健康提醒系统在孩子玩耍与学习时定时健康提醒，且当系统识别到陌生面孔时，启动警报，并将面孔图像发送至家长手机APP中。

4 结 语

集智慧陪伴与安全防护于一体的儿童成长系统，基于深度学习的模型训练与OpenCV库实现了对孩童居家状态的识别分析，能够实时监测孩童的居家情况以及家庭安全情况。在人机交互界面的设计上选择了开发效率高、可移植性强的Python的PyQt5库；以树莓派作为核心控制板，树莓派与显示屏、STM32的搭建使得后期可以扩展更多的功能。经过多次的测试证明，系统的设计具有很强的鲁棒性，该设计增加了家庭陪伴与安全防护功能，同时实现了转型升级和可持续发展的可能。

参考文献

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作者简介：苏立武（2001—），男，广东汕头人，本科在读，主要研究方向为自动化技术和嵌入式系统。