校园监控盲区防范欺凌预警系统的设计与开发

一、项目研究背景

据联合国教科文组织2017年发布的一份报告显示，全球每年近2.46亿儿童和青少年遭受校园欺凌。据英国国家儿童发展研究中心的数据显示，遭受过校园暴力的孩子在成年后会面临更多的心理困扰。

尽管现在各学校的校内监控设施比较完备，但校园欺凌的行为往往会避开监控区域。为了验证“校园监控盲区无法有效预警欺凌行为”这一猜想，我们的学生团队设计和制作了有关此主题的调查问卷，展开了主要针对初中各年级学生的匿名调查活动。最终，学生团队通过对调查问卷分析发现，近22％的学生在学校监控盲区遭受过欺凌。监控盲区的存在致使施暴者气焰嚣张，行为肆无忌惮，受害人心理问题加剧。

学生团队使用“校园监控盲区”“欺凌”等关键词在百度搜索引擎和百度学术官网中查找相关文献和应用研究，发现有关校园盲区欺凌预警系统设计的相关文献、产品、应用系统和调查研究十分稀少，是个值得开发和研究的项目，且可实施性很高。

因此，基于“如何有效预防校园监控盲区欺凌并增强保护生命意识”这一主题，学生团队展开了一项有关校园监控盲区防范欺凌预警系统（以下简称“防欺凌预警系统”）的项目设计与开发。防欺凌预警系统集语音识别技术与AI技术为一体，通过识别声音关键词进行自动报警，进而缓解紧急情况。它可以在无法安装摄像头的安全盲区进行使用，进而保护学生的人身安全。

二、项目设计方案

由于校园欺凌发生地点多数在较为隐蔽的地方，学生团队将设计一款既不侵犯学生隐私，又能震慑校园欺凌施暴者的产品，其主要被安装在校园监控盲区，如学校卫生间等。

当校1OxNeO9HJzOc5rtO0jHU6U4Sczyt6iBzg+KqZbh06PM=园监控盲区发生欺凌行为时，防欺凌预警系统就会在监测到受害者大声呼叫的内容，或施暴者辱骂受害者的关键词，或受害者和旁观者按下报警按键时响起警报，威慑施暴者。物联网也会在第一时间内将报警信息发送到学校的预警平台，便于学校及时采取行动，制止欺凌行为。同时，防欺凌预警系统在监测到关键词后，会自动开启实时录音功能，且此录音可以被提取出来，为后期的欺凌情况调查提供佐证。

防欺凌预警系统主要从以下五个方面进行设计。

1.预设关键词

使用语音识别技术监测校园监控盲区的对话内容，如果监测到预先设定的关键词，则执行相应程序。

2.发出警告语音，震慑施暴者

当监测到校园监控盲区发生欺凌行为时，防欺凌预警系统将自动播放警告语音，震慑欺凌行为。

3.远程报警

当监测到校园监控盲区发生欺凌行为时，防欺凌预警系统的发送端将通过物联网模块向学校相关部门及时通报突发情况，便于教师及时干预，制止欺凌行为。

4.监测关键词，自动录音

防欺凌预警系统的发送端会自动开启录音功能，且该录音可以被提取，为后期的调查工作提供佐证。

5.万物互联

在预警平台使用一个行空板作为防欺凌预警系统的接收端，然后在校园监控盲区设置多块行空板作为发送端，所有行空板通过物联网模块相连接。学校相关人员可以通过手机浏览器登录物联网平台，随时随地查收消息。

三、项目主要创新点

防欺凌预警系统中采用的是Gravity：I2C离线语音识别模块，这是一款以Gravity：I2C作为连接接口的、针对中文进行识别的模块。该模块采用由ICRoute公司设计的LD3320“语音识别”专用芯片，用户只需要在程序中设定好要识别的关键词列表，并将其载入主控板的MCU中，语音识别模块就可以对用户说出的关键词进行识别，并根据程序进行相应的处理。此模块不需要用户事先训练和录音就可以完成非特定人的语音识别，识别准确率高达95%。

当防欺凌预警系统运行时，Gravity：I2C离线语音识别模块就会不断地对周围声音进行监测。当监测到“救命”“别打我”“干什么”“放开我”“我没有钱”“不许哭”等关键词时，防欺凌预警系统一方面播放警告语音震慑施暴者并开始录音，另一方面通过物联网模块向系统终端（接收端）发送消息，及时通知学校相关人员。

行空板自带录音功能，学生团队在行空板的“音频录放”分类下找到“录音10秒直到结束，文件名‘record.wav’”，完成声音的录制。录音文件会被存放在行空板缓存文件夹中，我们可以通过打开“文件系统”—“行空板中的文件”—“mindplus”—“cache”，点击项目名称文件夹寻找录音文件。当防欺凌预警系统识别到关键词后，行空板会自动启动录音功能。

四、项目实现及测试过程

明确本次项目主题后，学生团队开始选择主控板及开源硬件。一开始，学生团队选择使用Arduino UNO主控板及其物联网模块进行物联网搭建，但是运行效果不稳定，经常出现断网的问题。之后，学生团队经过讨论分析，决定放弃使用Arduino UNO主控板，改用DFRobot自主研发的行空板。该行空板内置的物联网模块运行效果稳定，适合这个项目。

在初步设想中，学生团队计划使用两块行空板进行连接。一个作为发射端，安置在校园监控盲区——卫生间，另一个作为接收端，由负责此事的教师随身携带，便于及时处理问题。主控板选定后，学生团队将Gravity：I2C离线语音识别模块和作为发射端的行空板进行搭配，实现关键词的语音识别。当关键词被成功识别后，行空板通过外接喇叭播放警告语音，同时发射端通过物联网向接收端发送报警信息。当接收端收到消息后，红色LED灯和蜂鸣器同时工作，提示教师有报警信息。

学生团队使用两个纸盒，一个放置作为发射端的行空板、语音识别模块和外接喇叭，另一个放置作为接收端的行空板、红色LED灯和蜂鸣器。两个纸盒内皆放置锂电池充电宝提供电源。防欺凌预警系统的外形和相关开源硬件设计和连接完毕后，学生团队使用Mind+编程软件进行编程，并测试效果。经过测试我们发现，防欺凌预警系统运行效果良好，识别比较准确，两块行空板的消息传输也比较顺畅。

接下来，学生团队把装置放置在厕所的高处，防止在实际操作过程中被其他学生误碰。学生团队的组员一人扮演受害者，一人扮演施暴者，在厕所内模拟受害者呼救、施暴者辱骂受害者的欺凌行为，并进行了两次实地测试。

1.第一次测试情况

当“施暴者”和“受害者”对话时，语音识别模块进行识别，但是由于程序中预设的关键词比较少，识别效果较差，识别成功率低。偶尔识别成功后，却无法向接收端发送报警信息。第一次测试失败。

学生团队返回实验室后，讨论失败的原因，总结为以下三个方面的原因：一是关键词设置过少，应该多设置几组关键词，提高语音识别成功率；二是物联网的IP地址设置错误，应该将发送端的MQTT地址和接收端的SIoT服务器地址设置为一致的，都采用接收端的服务器地址，这样才能将消息顺利传递出去；三是学校的无线网络信号不稳定，应该改用手机热点实现无线网络传输。

同时，学生团队在研究行空板的使用教程时，发现行空板有录音功能。这个功能可以帮助实现产品的迭代更新，即防欺凌预警系统在具备识别关键词、无线报警的基础上，可以增加录音功能。

2.第二次测试情况

在第一次测试失败的基础上，学生团队增加了关键词，并使用稳定的手机热点网络。同时在此基础上，加入行空板的录音功能，实现了智能录音的效果。当学生团队再次实地模拟校园欺凌场景时，防欺凌预警系统语音识别成功，录音功能开启，并成功录制10分钟内容。发送端的喇叭播放警告语音，震慑欺凌行径，并向接收端发送报警消息，提醒教师及时赶往事发地。最后学生团队还利用Mind+编程软件的可视化面板功能，清晰明了地展示了校园监控盲区的相关情况。

五、项目成果总结

1.智能语音识别

防欺凌预警系统中应用了语音识别模块，并通过程序设置关键词进行识别，当识别到关键词时，执行相应程序。

2.播放警告语音

行空板主控板搭配喇叭，可以实现当语音识别模块识别到关键词后，播放警报语音，震慑欺凌行径。

3.无线传输报警

当防欺凌预警系统中的语音识别模块识别到关键词时，发送端通过行空板内置物联网模块，向位于同一网络下的接收端发送报警信息，教师接收到信息后及时赶往事发地。

4.系统数据可视化

通过Mind+编程软件的可视化大屏，学生团队打造出校园监控盲区无死角的预警数据系统，所有数据一目了然。

六、总结与展望

学生团队发现，如果校园覆盖了稳定的无线网络，就可以实现更好的数据传输，甚至可以降低本次项目的成本，即可以不再使用语音识别模块去识别关键词，而采用科大讯飞的在线识别系统来进行监测，识别效果会更加准确。同时，还可以将电源改成太阳能供电，更加绿色低碳。

对农村学生而言，科创之路是一条充满挑战与探索的旅程。在这段旅途中，我校学生团队经历了无数次的尝试与失败，也收获了成长与感悟。从初识科创的懵懂少年，到逐渐成为人工智能与开源硬件学习海洋中的求知者，这段经历让学生们深刻领悟到科创的魅力和意义。

初入学校科技社团，学生们对“科创”一词尚感陌生。然而，在一次次课堂学习中，他们逐渐感受到了科技的魅力。在信息科技教师的引导下，学生们通过不断地摸索前行，逐渐掌握了科创的基础知识和方法，学会了如何查阅文献、设计实验、分析数据。

在本次科创项目研究中，学生们聚焦“校园监控盲区无法有效预警欺凌行为”这一问题进行了深入研究。从确认科研主题到调查问卷，从文献查阅到项目设计确定，再到无数次的重复实验和数据整理，直至最终的成果产出，这一过程让学生们不仅提升了科研能力，还提高了科研所需的品质——大胆尝试，勇于试错，不骄不躁，持之以恒。