隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來(lái)越多行業(yè)進(jìn)入智能化時(shí)代，為了更好地呵護(hù)孩子成長(zhǎng)，智能技術(shù)也應(yīng)當(dāng)在幼兒園發(fā)揮其作用。本篇文章將從三個(gè)角度進(jìn)行分析，給幼兒園的人臉識(shí)別應(yīng)用及相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

一、研究背景與意義

由于智能化的高速發(fā)展，智能設(shè)備開(kāi)始普及，并進(jìn)一步進(jìn)入了人們的生活，目前AI人工智能的運(yùn)用也愈來(lái)愈廣闊。

例如家門(mén)前安裝了只能鎖識(shí)別訪客系統(tǒng)，還有一些園區(qū)或者學(xué)校校門(mén)前安裝的人臉識(shí)別以及體溫檢測(cè)的機(jī)器設(shè)備，都運(yùn)用了AI的一些技術(shù)。

除了剛剛講述的人臉識(shí)別系統(tǒng)，關(guān)于智能化硬件設(shè)備當(dāng)然還有其他地方的運(yùn)用，例如手機(jī)控制空調(diào)、機(jī)器人送餐、智能化客服等等。

為了將現(xiàn)代化、智能化的技術(shù)有更好的應(yīng)用于教育管理事業(yè)，應(yīng)當(dāng)為幼兒園設(shè)計(jì)一個(gè)智能化的管理系統(tǒng)。目前，中國(guó)很多家庭都是獨(dú)生子女家庭，父母忙于工作，孩子的健康成長(zhǎng)需要家長(zhǎng)和長(zhǎng)輩的關(guān)心。

了解孩子在學(xué)校的學(xué)習(xí)、健康和日常生活也很重要，為了讓孩子得到更好的呵護(hù)，家長(zhǎng)更希望看到孩子每天在學(xué)校的狀態(tài)。

然而，現(xiàn)有的幼兒園管理系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足家長(zhǎng)的需求，需要建立新型的系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高效管理，讓家長(zhǎng)和老師都能安心。

二、人臉識(shí)別研究現(xiàn)狀

人臉識(shí)別屬于獨(dú)特的生物特征識(shí)別，識(shí)別時(shí)具有非接觸性、自然性和不易察覺(jué)性、相較于其他特征識(shí)別更為便捷和高效。

剛開(kāi)始的人臉識(shí)別可能都是依據(jù)人臉的幾何特征進(jìn)行識(shí)別?，F(xiàn)今如果運(yùn)用AI技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)的話，可以從AI的深度學(xué)習(xí)方法方向出發(fā)，建立一個(gè)人臉識(shí)別的數(shù)據(jù)庫(kù)，讓及其進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，在后續(xù)進(jìn)行圖像提取以及圖像對(duì)照是能夠發(fā)揮作用。

隨著人工智能的飛速發(fā)展，在面對(duì)上面的各種問(wèn)題時(shí)，人臉識(shí)別已經(jīng)能夠保持克服大部分的問(wèn)題。

使用深度學(xué)習(xí)的方法對(duì)大量的人臉圖片進(jìn)行訓(xùn)練來(lái)獲取人臉的面部特征信息。這樣獲取的特征要比原始手動(dòng)獲取的特征更加完善，識(shí)別成功率也會(huì)更高。

在提取人臉特征的過(guò)程中，就需要使用到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取人臉的特征。由于傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)非常多，計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)很復(fù)雜也非常耗時(shí)，但是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元智慧與上一層部分神經(jīng)元建立聯(lián)系，可以大大降低復(fù)雜度，減少計(jì)算量，提高十倍成功率。

總之，現(xiàn)在社會(huì)上對(duì)于人臉識(shí)別的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在社會(huì)上已經(jīng)普及開(kāi)來(lái)，人臉識(shí)別解鎖、人臉識(shí)別簽到與人臉識(shí)別支付等等在市場(chǎng)上生活中經(jīng)常可以看到并且予以實(shí)施使用。

現(xiàn)在也有許多成熟的人臉識(shí)別庫(kù)，例如Face+、Dlib和虹軟arcface等等，已經(jīng)被許多企業(yè)和單位所使用，其中虹軟 arcface 能夠在保證人臉識(shí)別成功率的情況下快速的完成人臉識(shí)別，非常適合在學(xué)校簽到時(shí)使用。

三、需求分析

1. 業(yè)務(wù)需求

幼兒園管理系統(tǒng)主要是為幼兒園的園長(zhǎng)、老師、學(xué)生和家長(zhǎng)而設(shè)計(jì)的?？紤]到電腦的普及性與家長(zhǎng)對(duì)電腦的熟練度，對(duì)于幼兒園管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求通俗易懂，并且因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，系統(tǒng)上有一些關(guān)于教師、家長(zhǎng)、學(xué)生以及管理員的一些重要的信息。

因此，保證系統(tǒng)的安全性是非常重要的。再考慮到一些其他的因素，幼兒園管理流程圖可以如下圖：

幼兒園管理系統(tǒng)流程圖

2. 用戶分析

為了規(guī)范幼兒園的管理，提高工作效率與信息通訊的效率，系統(tǒng)主要還實(shí)現(xiàn)了幼兒園老師對(duì)于學(xué)生的管理以及家長(zhǎng)與老師的實(shí)時(shí)溝通交流。

主要的業(yè)務(wù)流程如下：

• 家長(zhǎng)可以通過(guò)手機(jī)小程序獲取孩子信息、與學(xué)校管理人員內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)交流、查看自家孩子的課表和食譜、實(shí)時(shí)監(jiān)控孩子課堂上的表現(xiàn)、查看孩子的到校情況和老師的基本信息。并且可以實(shí)時(shí)的通過(guò)小程序和其他家長(zhǎng)、老師溝通，上傳孩子的照片，實(shí)時(shí)獲取學(xué)校發(fā)布的公告。
• 學(xué)校的管理員可以在系統(tǒng)終端收到家長(zhǎng)的反饋、學(xué)生的個(gè)人情況、到校情況和一些學(xué)習(xí)信息。對(duì)幼兒園進(jìn)行管理包括學(xué)生簽到信息、每個(gè)教室的上課情況、食堂的衛(wèi)生狀況、食堂食譜和發(fā)布公告等等。

四、總體框架

1. 系統(tǒng)整體架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)備包括攝像頭、大屏顯示器、電腦、監(jiān)控?cái)z像頭、服務(wù)器和手機(jī)。

基于人臉識(shí)別的幼兒園管理系統(tǒng)采用垂直管理的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架模式，為了收集各個(gè)幼兒園的信息，首先在公網(wǎng)上架構(gòu)一臺(tái)主服務(wù)器，把各個(gè)幼兒園的信息整合到一起；為了完成對(duì)用戶的管理和實(shí)時(shí)簽到數(shù)據(jù)同步；然后在學(xué)校內(nèi)部架構(gòu)設(shè)了服務(wù)器。

最后是終端設(shè)備，有大屏顯示器、攝像頭、監(jiān)控?cái)z像頭，電腦和手機(jī)。其中大屏顯示器和攝像頭通過(guò)校內(nèi)局域網(wǎng)和服務(wù)器建立連接，可以實(shí)時(shí)和服務(wù)器同步數(shù)據(jù)。

電腦可以通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)到服務(wù)器，手機(jī)也可以通過(guò)小程序獲取所需要的信息，既能通過(guò)校內(nèi)的局域網(wǎng)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，也可以綁定架設(shè)在公網(wǎng)上的服務(wù)器的IP地址與域名，通過(guò)解析域名來(lái)訪問(wèn)校內(nèi)服務(wù)器的數(shù)據(jù)。

具體流程可以參考下圖：

系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2. 系統(tǒng)功能

為了實(shí)現(xiàn)一套基于人臉識(shí)別的高效率的幼兒園只能管理系統(tǒng)。主要有人臉識(shí)別簽到、食堂管理、監(jiān)控管理、收退費(fèi)、公共發(fā)布、學(xué)生信息管理、簽到管理和賬號(hào)管理。

系統(tǒng)的功能模塊如下圖：

• 采集人臉照片：學(xué)生登錄收集端小程序可以上傳個(gè)人人臉照片用于人臉識(shí)別簽到比對(duì)，可以選擇收集相冊(cè)中照片或者直接拍照上傳。簽到機(jī)攝像頭在學(xué)生上學(xué)與放學(xué)期間會(huì)每隔0.2秒拍攝一張照片上傳，與人臉識(shí)別庫(kù)中預(yù)存的照片匹配。
• 人臉識(shí)別驗(yàn)證：簽到機(jī)將攝像頭拍攝的照片上傳，系統(tǒng)首先對(duì)照片進(jìn)行人臉檢測(cè)，人臉檢測(cè)成功后進(jìn)行人臉匹配。匹配成功就將照片和簽到時(shí)間保存。管理員可以查看記錄里所有學(xué)生所有日期的簽到照片、當(dāng)前學(xué)生的編號(hào)、姓名、入校時(shí)間和離校時(shí)間等。
• 食堂管理：管理人員可以對(duì)學(xué)生午餐的食譜進(jìn)行管理，為每個(gè)學(xué)生安排健康營(yíng)養(yǎng)的視頻，家伙也可以通過(guò)手機(jī)端小程序查看自己孩子的食譜。管理員對(duì)食堂飯菜的每個(gè)菜的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行保存，查看時(shí)可以以及日期進(jìn)行檢索。管理人員對(duì)食堂的各種食材進(jìn)行記錄和管理，對(duì)學(xué)生的午餐繳費(fèi)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與管理，對(duì)于未交費(fèi)的家長(zhǎng)可以發(fā)出提示消息?？梢圆樵兗议L(zhǎng)詳細(xì)的繳費(fèi)日期與時(shí)間，并可以按時(shí)間進(jìn)行檢索查看。
• 監(jiān)控管理：管理員可以實(shí)時(shí)查看校園各個(gè)監(jiān)控范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)，家長(zhǎng)亦可以通過(guò)手機(jī)端的小程序?qū)崟r(shí)查看孩子所在班級(jí)的監(jiān)控視頻以及食堂等一些公共場(chǎng)所的監(jiān)控。便于管理人員的管理和家長(zhǎng)的監(jiān)督。
• 收退費(fèi)：管理人員可以在系統(tǒng)中設(shè)置每個(gè)月的出勤日期，孩子在幼兒園出勤每日的消耗和開(kāi)支都會(huì)記錄在系統(tǒng)中，管理員可以查看系統(tǒng)中每個(gè)孩子每個(gè)月的出勤日期，并且可以計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)，然后在規(guī)定的時(shí)間統(tǒng)計(jì)出賬單，例如是每個(gè)月或者是每個(gè)學(xué)期，但是現(xiàn)在大多數(shù)的幼兒園都應(yīng)變成了按月計(jì)算的模式了。家長(zhǎng)也可以在手機(jī)端小程序中看到每個(gè)月的開(kāi)銷(xiāo)。根據(jù)每個(gè)月開(kāi)銷(xiāo)的單據(jù)，會(huì)進(jìn)行一次結(jié)算，由于家長(zhǎng)在學(xué)習(xí)初會(huì)進(jìn)行一次學(xué)費(fèi)的統(tǒng)繳，那么每個(gè)月就會(huì)根據(jù)單據(jù)進(jìn)行多退少補(bǔ)的操作。
• 公告發(fā)布：管理人員可以在小程序的首頁(yè)和家長(zhǎng)圈發(fā)布公告，家長(zhǎng)可以在小程序看到公告。
• 學(xué)生信息管理：家長(zhǎng)登錄手機(jī)小程序賬號(hào)后可以填寫(xiě)和修改學(xué)生和家長(zhǎng)的個(gè)人信息，上傳學(xué)生簽到照片，查看簽到記錄。
• 簽到管理：管理員可以查看所有學(xué)生實(shí)時(shí)的簽到結(jié)果和以往的考勤記錄，對(duì)所有學(xué)生的簽到情況按年、月份進(jìn)行匯總。每次簽到的信息都包括當(dāng)時(shí)簽到照片和簽到時(shí)間。每個(gè)學(xué)生都有4種狀態(tài)包括上學(xué)，放學(xué)，請(qǐng)假和曠課狀態(tài)，可以實(shí)時(shí)查看學(xué)生狀態(tài)。管理員可以設(shè)置簽到制度，不同時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)出不同的簽到時(shí)間范圍。有需要的話還可以添加新的簽到時(shí)間。
• 賬號(hào)管理：管理員和家長(zhǎng)可以根據(jù)自己的賬號(hào)和密碼賬號(hào)，登錄進(jìn)去以后可以修改自己個(gè)人信息與登錄密碼。修改密碼是需要驗(yàn)證原始密碼，如果驗(yàn)證成功則可以輸入新密碼對(duì)原始密碼進(jìn)行修改，修改完成后會(huì)自動(dòng)退出當(dāng)前登錄賬號(hào)返回到登錄頁(yè)面。

基于人臉識(shí)別的幼兒園管理系統(tǒng)功能模塊

五、系統(tǒng)用例分析

在UML中，我們可以使用用例圖來(lái)描述用戶、用戶的需求以及系統(tǒng)的各個(gè)功能質(zhì)檢的關(guān)系。用例圖主要由三部分組成：系統(tǒng)、用例和參與者。

首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，這是建立用例模型最基本也是最重要的一步，了解好需求關(guān)系以后便可以清晰明確的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的流程。

以下便是系統(tǒng)總體用例圖：

系統(tǒng)總體用例圖

接下來(lái)通過(guò)用例圖詳細(xì)的對(duì)系統(tǒng)的用例進(jìn)行介紹，明確各個(gè)板塊之間的聯(lián)系。

1）賬戶管理用例圖幼兒園管理員用例

設(shè)置管理員權(quán)限即對(duì)管理員權(quán)限進(jìn)行調(diào)整。修改改賬號(hào)密碼，又該是需要輸入原密碼確保本人操作，修改密碼成功后會(huì)自動(dòng)退出賬號(hào)返回至登錄頁(yè)面。

修改管理員自己的基本信息包括聯(lián)系電話、用戶名或編號(hào)等。添加管理員，添加時(shí)需要對(duì)管理員的真是姓名、聯(lián)系電話和權(quán)限進(jìn)行完善。

家長(zhǎng)管理用例：當(dāng)家長(zhǎng)添加成功時(shí)，同一個(gè)班級(jí)的家長(zhǎng)會(huì)被添加進(jìn)同一個(gè)群聊，在同一個(gè)群聊里的家長(zhǎng)會(huì)互加好友顯示在其他家長(zhǎng)的好友列表里面。

家長(zhǎng)可以用手機(jī)登錄小程序?qū)ψ约汉秃⒆拥男畔⑦M(jìn)行完善、修改和刪除操作?？梢栽谌毫睦锘蛩叫爬锖推渌议L(zhǎng)交流。

用戶管理用例圖

2）學(xué)生實(shí)時(shí)監(jiān)控用例圖

查看監(jiān)控時(shí)可以依據(jù)班級(jí)查看或者依據(jù)學(xué)生查看。場(chǎng)景切換主要是實(shí)時(shí)建立校園一些公共地方，如食堂、操場(chǎng)和教室。

管理者可以查看各個(gè)監(jiān)控視頻，學(xué)生家長(zhǎng)可以監(jiān)控孩子所在班級(jí)以及食堂和操場(chǎng)等公共場(chǎng)合。

用實(shí)時(shí)監(jiān)控例圖如圖：

實(shí)時(shí)監(jiān)控用例圖

3）簽到狀態(tài)用例圖

學(xué)生的狀態(tài)主要有上學(xué)、放學(xué)、請(qǐng)假和曠課四種狀態(tài)。管理員可以清晰直觀的看到各個(gè)狀態(tài)的人員變動(dòng)，用不同的顏色標(biāo)明不同狀態(tài)的學(xué)生，當(dāng)學(xué)生狀態(tài)變化時(shí)，顏色即時(shí)的跟著改變。

當(dāng)有人曠課未來(lái)學(xué)?；蛘叻艑W(xué)后要關(guān)閉校門(mén)時(shí)還有學(xué)生未離校，管理者可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理。

簽到狀態(tài)用例圖如圖：

簽到狀態(tài)用例圖

4）消息管理用例圖

聊天消息管理是指管理員可以對(duì)群聊消息進(jìn)行按日期和班級(jí)進(jìn)行群聊記錄查詢并且可以對(duì)消息和記錄進(jìn)行刪除。

簽到消息是學(xué)生簽到時(shí)管理者會(huì)收到學(xué)生簽到成功的消息，管理者可以對(duì)學(xué)生的簽到記錄進(jìn)行查詢和刪除操作，對(duì)于未及時(shí)簽到的即曠課的學(xué)生會(huì)給管理員提示。

家長(zhǎng)可以通過(guò)手機(jī)端 APP 實(shí)時(shí)和其他家長(zhǎng)群聊或者私信進(jìn)行交流，也可以實(shí)名或匿名直接反饋意見(jiàn)給管理者。

消息管理用例圖如圖：

消息管理用例圖

5）考勤管理用例圖管理員可以對(duì)學(xué)生的簽到進(jìn)行管理

對(duì)學(xué)生的簽到記錄可以通過(guò)學(xué)生名字與日期進(jìn)行信息查詢，對(duì)考勤信息進(jìn)行刪除和匯總。

當(dāng)學(xué)生未及時(shí)到校遲到或者曠課時(shí)管理員會(huì)有消息提示，管理員可以對(duì)消息進(jìn)行查看，對(duì)消息記錄進(jìn)行刪除或者匯總。

管理員可以查看全部學(xué)生或者一個(gè)年級(jí)的全部學(xué)生或者一個(gè)班全部學(xué)生或者一個(gè)學(xué)生一定時(shí)間段的簽到記錄，使得管理者可以清楚的了解學(xué)生的到校情況。

學(xué)生主要有四個(gè)狀態(tài)請(qǐng)假，上學(xué)，放學(xué)，曠課，每當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化會(huì)即時(shí)反饋給管理者。

用例圖如圖：

簽到管理用例圖

6）簽到提示用例圖學(xué)生簽到主要有四個(gè)狀態(tài)：上學(xué)、放學(xué)、請(qǐng)假和曠課

每當(dāng)學(xué)生狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)系統(tǒng)所顯示的狀態(tài)也隨著變化。

當(dāng)學(xué)生曠課時(shí)，曠課學(xué)生的列表會(huì)展示給管理者，管理者可以對(duì)缺勤列表學(xué)生進(jìn)行查看和管理，查看缺勤學(xué)生的個(gè)人信息和學(xué)生照片。

整理簽到提示消息給管理者，有當(dāng)天未查看的提示信息和全部未查看的提示信息。

簽到信息提示用例圖如圖：

簽到提示用例圖

7）簽到監(jiān)督用例圖

家長(zhǎng)對(duì)孩子簽到監(jiān)督用例圖又分為入校用例、離校用例、實(shí)時(shí)監(jiān)控和請(qǐng)假報(bào)備。

考勤監(jiān)督用例圖如圖：

考勤監(jiān)督用例圖

六、總結(jié)

本章主要從三個(gè)方面對(duì)基于人臉識(shí)別的幼兒園管理系統(tǒng)進(jìn)行了需求分析，從用戶對(duì)系統(tǒng)的期望，開(kāi)發(fā)程序的原因和設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)如何滿足業(yè)務(wù)需求和用戶需求。

然后對(duì)系統(tǒng)的整體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，闡述基于人臉識(shí)別的幼兒園管理系統(tǒng)的主要功能，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)功能進(jìn)行 介紹。

用UML用例圖對(duì)系統(tǒng)的幾個(gè)重要模塊進(jìn)行描述，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與模塊間的關(guān)系更加清晰。