校园防欺凌系统的设计与实现

梅宇翔，郭宗蔚，雷梦瑶

（西安培华学院，陕西西安，710125）

0 引言

近年来，不同类型的校园欺凌事件频繁上演，学生的安全问题成为家长最关心的问题。无论是欺凌者或是受害者一旦经受过校园暴力都会产生巨大的负面影响，这也是社会高度关注的原因。防欺凌报警器包括语音识别技术，AI 自动报警器等。还具有通信功能，可以即时通知老师和工作人员对其进行制止。

虽然如今市面上的报警器并没有完全普及，并且学校对加强这方面的措施有限，极少有对报警器的需求。但是随着科技的提升和发展，国家对教育的支持，防欺凌报警器这样实用性强的产品会得到推广和实行。

1 防欺凌报警器的需求分析

校园欺凌是一个全球性的问题，据统计，在中国，32.5%的学生偶尔遭受过欺凌，6.1%的学生经常遭受高年级同学的欺凌。同样的，美国有20%的中学生遭受过校园欺凌，日本2019 年有超过61 万起的校园欺凌事件发生。

联合国教科文组织的一份调研报告显示[1]，全世界每3个学生中就有1 个曾经遭受过欺凌。由于被欺凌的学生常常会感到胆怯、担心被报复或觉得羞耻，导致绝大多数都选择忍气吞声、隐而不报。这使得校方和家长难以知晓欺凌的情况，也导致被欺凌的学生得不到应有的关注和帮助。

为了解决这一问题，可以考虑在学校安装防欺凌报警器。这种报警器可以在视频监控无法覆盖到的地方（如厕所、宿舍等偏僻角落）进行安装，通过对异常声检测，能够对尖叫、谩骂、打斗等声音进行识别，并自动发出报警。在后期，这种报警器还可以植入先进的声纹识别技术[2]，能够通过声音识别当事人的身份，从而更有效地震慑欺凌者，并追责到人，保护学生的人身安全，杜绝校内欺凌事件的发生。

防欺凌报警器的使用可以让学生在遇到欺凌或危险时，及时发出报警，得到及时的帮助。同时，这种报警器还能够提醒学生和老师注意自身安全，为避免欺凌事件的发生做出贡献。总的来说，防欺凌报警器是一种有效的解决校园欺凌问题的方案，值得推广应用。

2 防欺凌报警器的设计结构与功能

防欺凌报警器模型如图1 所示，防欺凌报警器是以防止校园暴力作为出发点来设计的，它可以有效地解决校园欺凌问题，使校园对这方面问题管理更加全面化。相比传统的监控设备，报警器可以覆盖到监控不能触及的死角区域。防欺凌报警器可以和监控设备“联动起来”，覆盖校园，做到无死角管理，以报警器的声光两种方式进行警报。可以更好地向校方反映具体的问题，从而有效地管控校园欺凌行为。它的系统结构框图如图2 所示。

图1 校园防欺凌系统模型图

图2 校园防欺凌系统方框图

2.1 主控模块

采用Raspberry Pi 3B+开发板作为整个系统的基础。此开发板具有丰富的拓展接口，并且集成有无线网络和有线网络接口，可以保证信息传递的高效性。

2.2 电源模块

两种供电模式设计用于保证在适配器接入时5V 可以直接供电，而在没有适配器的情况下，锂电池可以使用来供电[3]，特别是在突发情况下，如学校中突然停电时，锂电池供电将保证报警器的正常工作。

锂电池的充电要求较高，需要采用专用的恒压恒流充电器进行充电，充电电流在0.2C~0.8C 之间比较适宜，下面介绍采用TP4056 充电IC 的锂电池充电方案。

TP4056 是一种全能的单节锂离子电池充电器，其构成由少量外部元件和SOP8 封装组成，是便携式应用的标准。它可以与USB 电源或充电器适配器共同工作，无需外部隔离二极管，内置PMOSFET 架构和倒充电防护电路。它可以以恒定电流或恒定电压的模式来充电，可以最大程度地利用其便携性、使用方便性以及安全性，TP4056 是一款可用于充电的单节锂离子电池充电器，采用SOP8 封装，外加少数外部元件，可搭配USB 电源或适配器电源合作，可以用电阻进行外部设置。此外，它还采用了热反馈，可以在较高的环境温度下实现自动调整充电电流，可根据用户设定达到最终浮充电压，最终将会在充电电压降至设定值1/10 时自动停止充电[4]。

2.3 关键词语音识别模块

基于Raspberry Pi 的ReSpeaker 4-Mic 阵列是一款适用于AI 和语音应用的Raspberry Pi 的四通道麦克风扩展板。这意味着可以借助它构建一个集成Amazon Alexa语音服务，Google 助手等，功能更强大，更灵活的语音产品[5]。该板基于AC108，拥有用于高清晰度语音捕获的四通道ADC，可以I2S/TDM 输出，具备拾取3 米半径声音的能力，是一款用于语音应用的高效设备[6]。

在低噪声、无混响、距离声源很近的情况下，单麦克风系统可以获得符合语音识别需求的声音信号。但是，在距离声源较远，并且存在大量噪声、多径反射和混响时，拾取信号的质量会下降，对语音识别率产生严重影响[7]。而且，单麦克风接收的信号，是由多个声源和环境噪声叠加的，很难实现各个声源的分离。

麦克风阵列的概念需要一组麦克风以特定的几何结构如线形或环形摆放。通过空时处理，可以有效地抑制噪声、去除混响、抑制人声干扰、测向声源、跟踪声源以及增强阵列增益，从而提升语音处理质量，从而提高真实环境下语音识别率[8]。

2.4 声光报警模块

语音报警模块通过3.5mm 音频插孔或者JST2.0 扬声器接入，解码数字音频信号，模拟音频信号前置放大，功率放大并播放。蜂鸣器报警电路主要是针对接收到求救信号时，报警提醒欺凌者停止欺凌。当系统识别到预先设定好的关键词时便会发出警报，对欺凌行为进行制止。同时警报灯也会闪烁对欺凌者进行警告。整个硬件的控制核心是ESP8266 控制器，由于ESP8266 本身就兼具数据处理和WiFi 无线功能，所以ESP8266 连接WiFi 后能够实现将采集到的传感器数据进行实时上传到云端。

2.5 信息发送模块

报警信息发送与声光警报同步执行，通过系统内置程序将报警信息发送至管理人员。可以通过校园网进行发送，也可以通过网线联网进行发送。通过局域网可以连接到专门的智能控制软件进行报警信息的发送。

2.6 信息存储模块

当系统侦测到欺凌行为时，会对时间、地点和检测到的声音信息进行保存[9]。后采用SD 储存卡储存识别到的信息，并设置程序每30 天覆盖一次。其对事件的处理会更加方便，也可以起到一定的警示作用。

报警器系统面板设计如图3 所示。

图3 校园防欺凌系统面板设计图

2.7 智能控制模块

采用ESP-01S 模块实现远程智能控制报警器，并可以远程实时查看报警器的状态。通过 CH340C 烧录器给 ESP-01 模块刷入可供 HomeKit 识别的固件（Home Accessory Architect），ESP 通过继电器的开关控制线路的通断从而控制设备开关。电源模块不能直接接入220V 电源，需要做降压处理。

智能模块接线图如图4 所示。减压模块接线图如图5所示。

图4 智能模块接线图

图5 减压模块接线图

3 报警器系统软件平台设计

3.1 主控模块

利用硬件电路和编程技术，可以开发程序完成预定义的功能，这有助于实现高性能、低复杂性的设备。采用现代的计算机系统结构，可以将功能更好地实施到业界中，帮助企业及用户提升效率，并同时保证速度与精度。此外，通过在高灵敏度同时具有高精度和耐用度的集成电路上实现硬件组件，可以深入了解系统运行情况，以便对紧急情况及时做出反应，提高设备的安全性。防欺凌系统的核心芯片是AC108，此芯片有多种拓展接口，可以接入光源和音频输出。双麦克风增强了声音的识别效率，保证了报警器的可靠性。与Raspberry Pi 3B+配合使用，简化了系统开发流程。整个系统分为硬件初始化、语音识别、发出警报并发送报警信息、信息存储等。系统软件结构如图6 所示。

图6 校园防欺凌系统软件流程图

AC108 主控芯片的程序设计包含了多个驱动程序，它们实现了整个系统的分模块驱动和功能操作的设计，旨在满足不同用户的实际需求，这样可以确保开发过程中程序稳定性最大，以达到有效抗干扰、节约硬件资源和最大限度地实现通信功能的目的[10]。

3.2 语音识别模块

语音识别包含了训练和识别阶段。为了实现最终的识别目标，输入声音必须进行前处理和特征抽取。在训练阶段，通过多次训练声音，生成的标记矢量参数会构建一个语音模型库。在识别阶段，将输入语音的参数与模型库中的模型进行匹配，最接近的参数作为最终识别的结果输出。经过这一流程，语音识别目标就得到了实现[11]。语音识别的流程如图7 所示。

图7 语音识别流程图

3.3 信息储存模块

传统的关系型数据库主要是为针对结构化数据设计的，虽然有一些字段格式可以用来存储，但性能表现不佳。对于非结构化的数据，如视频、音频和图片，NoSQL 类型的数据库可以应用在这种场景，但由于其数据存储单元是为小文件而设计的，因此面对大尺寸的文件，速度仍会有所影响。

当想要存储这类特殊文件到数据库时，会出现消耗大量内存、读取缓慢，导致低效率的问题，因为每次都需要将数据以数据流的方式从数据库中读取返回用户请求，这会耗费大量的数据库资源。因此，更好的做法是把大尺寸文件存储在本地文件服务器中，然后将存储在本地文件服务器上的文件路径存储在数据库中。这样，当有用户请求某个特殊文件时，系统就可以快速定位并下载该文件，返回给用户[12]。数据库设计如图8 所示。

图8 数据库设计图

3.4 远程控制模块

智能控制模块采用的 ESP8266 芯片，通过 CH340C 烧录器刷入可以移动设备进行通讯的固件，以此来实现设备的远程控制以及智能化操作。刷入固件后的ESP8266 可以连接局域网，当远程端发出指令时，首先传输到局域网发射端，发射端再将指令转发到ESP8266 实现远程控制。在远程端与接收端未处于同一网络环境时，可以对与接收端处于同一网络的设备设置指令的转发。当远程端发出指令时，通过与接收端处于同一局域网的设备发送指令，从而突破局域网的传输限制。远程控制示意图如图9 所示。

图9 远程控制示意图

4 总结

校园不仅需要眼睛，也需要耳朵。防欺凌报警器的出现反映了国家对教育发展的重视，满足了当前人类社会的需要。用科技来保护每个孩子的人身安全，让孩子们在充满安全的环境下自信、健康地成长。解决了大多数校园内的安全盲区，填补了校园安全的监控空白地带。让欺凌者暴露在真空中，从根源上阻止校园欺凌的发生。因此，防欺凌报警器的研究是非常有必要的。未来会有越来越多的新技术能够和场景结合起来，切切实实地解决实际的问题，为人类的科学事业和幸福做出贡献。本系统的设计有待完善，但寄托了对美好校园生活的向往。结合创新展现了多功能的报警器，为社会而用为人类而用。