AI赋能与人脸识别——幼儿园的智能呵护

随着互联网的发展，越来越多行业进入智能化时代，为了更好地呵护孩子成长，智能技术也应当在幼儿园发挥其作用。本篇文章将从三个角度进行分析，给幼儿园的人脸识别应用及相关的系统设计提供参考。

一、研究背景与意义

由于智能化的高速发展，智能设备开始普及，并进一步进入了人们的生活，目前AI人工智能的运用也愈来愈广阔。

例如家门前安装了只能锁识别访客系统，还有一些园区或者学校校门前安装的人脸识别以及体温检测的机器设备，都运用了AI的一些技术。

除了刚刚讲述的人脸识别系统，关于智能化硬件设备当然还有其他地方的运用，例如手机控制空调、机器人送餐、智能化客服等等。

为了将现代化、智能化的技术有更好的应用于教育管理事业，应当为幼儿园设计一个智能化的管理系统。目前，中国很多家庭都是独生子女家庭，父母忙于工作，孩子的健康成长需要家长和长辈的关心。

了解孩子在学校的学习、健康和日常生活也很重要，为了让孩子得到更好的呵护，家长更希望看到孩子每天在学校的状态。

然而，现有的幼儿园管理系统已经不能满足家长的需求，需要建立新型的系统，以实现高效管理，让家长和老师都能安心。

二、人脸识别研究现状

人脸识别属于独特的生物特征识别，识别时具有非接触性、自然性和不易察觉性、相较于其他特征识别更为便捷和高效。

刚开始的人脸识别可能都是依据人脸的几何特征进行识别。现今如果运用AI技术来设计的话，可以从AI的深度学习方法方向出发，建立一个人脸识别的数据库，让及其进行深度学习，在后续进行图像提取以及图像对照是能够发挥作用。

随着人工智能的飞速发展，在面对上面的各种问题时，人脸识别已经能够保持克服大部分的问题。

使用深度学习的方法对大量的人脸图片进行训练来获取人脸的面部特征信息。这样获取的特征要比原始手动获取的特征更加完善，识别成功率也会更高。

在提取人脸特征的过程中，就需要使用到卷积神经网络提取人脸的特征。由于传统的神经网络参数非常多，计算机计算时很复杂也非常耗时，但是卷积神经网络的神经元智慧与上一层部分神经元建立联系，可以大大降低复杂度，减少计算量，提高十倍成功率。

总之，现在社会上对于人脸识别的技术已经非常成熟，在社会上已经普及开来，人脸识别解锁、人脸识别签到与人脸识别支付等等在市场上生活中经常可以看到并且予以实施使用。

现在也有许多成熟的人脸识别库，例如Face+、Dlib和虹软arcface等等，已经被许多企业和单位所使用，其中虹软 arcface 能够在保证人脸识别成功率的情况下快速的完成人脸识别，非常适合在学校签到时使用。

三、需求分析

1. 业务需求

幼儿园管理系统主要是为幼儿园的园长、老师、学生和家长而设计的。考虑到电脑的普及性与家长对电脑的熟练度，对于幼儿园管理系统的设计要求通俗易懂，并且因为在设计过程中，系统上有一些关于教师、家长、学生以及管理员的一些重要的信息。

因此，保证系统的安全性是非常重要的。再考虑到一些其他的因素，幼儿园管理流程图可以如下图：

幼儿园管理系统流程图

2. 用户分析

为了规范幼儿园的管理，提高工作效率与信息通讯的效率，系统主要还实现了幼儿园老师对于学生的管理以及家长与老师的实时沟通交流。

主要的业务流程如下：

• 家长可以通过手机小程序获取孩子信息、与学校管理人员内进行实时交流、查看自家孩子的课表和食谱、实时监控孩子课堂上的表现、查看孩子的到校情况和老师的基本信息。并且可以实时的通过小程序和其他家长、老师沟通，上传孩子的照片，实时获取学校发布的公告。
• 学校的管理员可以在系统终端收到家长的反馈、学生的个人情况、到校情况和一些学习信息。对幼儿园进行管理包括学生签到信息、每个教室的上课情况、食堂的卫生状况、食堂食谱和发布公告等等。

四、总体框架

1. 系统整体架构

整个系统的硬件设备包括摄像头、大屏显示器、电脑、监控摄像头、服务器和手机。

基于人脸识别的幼儿园管理系统采用垂直管理的网络构架模式，为了收集各个幼儿园的信息，首先在公网上架构一台主服务器，把各个幼儿园的信息整合到一起；为了完成对用户的管理和实时签到数据同步；然后在学校内部架构设了服务器。

最后是终端设备，有大屏显示器、摄像头、监控摄像头，电脑和手机。其中大屏显示器和摄像头通过校内局域网和服务器建立连接，可以实时和服务器同步数据。

电脑可以通过浏览器访问到服务器，手机也可以通过小程序获取所需要的信息，既能通过校内的局域网访问数据库，也可以绑定架设在公网上的服务器的IP地址与域名，通过解析域名来访问校内服务器的数据。

具体流程可以参考下图：

系统整体架构图

2. 系统功能

为了实现一套基于人脸识别的高效率的幼儿园只能管理系统。主要有人脸识别签到、食堂管理、监控管理、收退费、公共发布、学生信息管理、签到管理和账号管理。

系统的功能模块如下图：

• 采集人脸照片：学生登录收集端小程序可以上传个人人脸照片用于人脸识别签到比对，可以选择收集相册中照片或者直接拍照上传。签到机摄像头在学生上学与放学期间会每隔0.2秒拍摄一张照片上传，与人脸识别库中预存的照片匹配。
• 人脸识别验证：签到机将摄像头拍摄的照片上传，系统首先对照片进行人脸检测，人脸检测成功后进行人脸匹配。匹配成功就将照片和签到时间保存。管理员可以查看记录里所有学生所有日期的签到照片、当前学生的编号、姓名、入校时间和离校时间等。
• 食堂管理：管理人员可以对学生午餐的食谱进行管理，为每个学生安排健康营养的视频，家伙也可以通过手机端小程序查看自己孩子的食谱。管理员对食堂饭菜的每个菜的检测结果进行保存，查看时可以以及日期进行检索。管理人员对食堂的各种食材进行记录和管理，对学生的午餐缴费情况进行统计与管理，对于未交费的家长可以发出提示消息。可以查询家长详细的缴费日期与时间，并可以按时间进行检索查看。
• 监控管理：管理员可以实时查看校园各个监控范围内的动态，家长亦可以通过手机端的小程序实时查看孩子所在班级的监控视频以及食堂等一些公共场所的监控。便于管理人员的管理和家长的监督。
• 收退费：管理人员可以在系统中设置每个月的出勤日期，孩子在幼儿园出勤每日的消耗和开支都会记录在系统中，管理员可以查看系统中每个孩子每个月的出勤日期，并且可以计算开销，然后在规定的时间统计出账单，例如是每个月或者是每个学期，但是现在大多数的幼儿园都应变成了按月计算的模式了。家长也可以在手机端小程序中看到每个月的开销。根据每个月开销的单据，会进行一次结算，由于家长在学习初会进行一次学费的统缴，那么每个月就会根据单据进行多退少补的操作。
• 公告发布：管理人员可以在小程序的首页和家长圈发布公告，家长可以在小程序看到公告。
• 学生信息管理：家长登录手机小程序账号后可以填写和修改学生和家长的个人信息，上传学生签到照片，查看签到记录。
• 签到管理：管理员可以查看所有学生实时的签到结果和以往的考勤记录，对所有学生的签到情况按年、月份进行汇总。每次签到的信息都包括当时签到照片和签到时间。每个学生都有4种状态包括上学，放学，请假和旷课状态，可以实时查看学生状态。管理员可以设置签到制度，不同时间可以根据实际情况设计出不同的签到时间范围。有需要的话还可以添加新的签到时间。
• 账号管理：管理员和家长可以根据自己的账号和密码账号，登录进去以后可以修改自己个人信息与登录密码。修改密码是需要验证原始密码，如果验证成功则可以输入新密码对原始密码进行修改，修改完成后会自动退出当前登录账号返回到登录页面。

基于人脸识别的幼儿园管理系统功能模块

五、系统用例分析

在UML中，我们可以使用用例图来描述用户、用户的需求以及系统的各个功能质检的关系。用例图主要由三部分组成：系统、用例和参与者。

首先对系统进行需求分析，这是建立用例模型最基本也是最重要的一步，了解好需求关系以后便可以清晰明确的设计开发系统的流程。

以下便是系统总体用例图：

系统总体用例图

接下来通过用例图详细的对系统的用例进行介绍，明确各个板块之间的联系。

1）账户管理用例图幼儿园管理员用例

设置管理员权限即对管理员权限进行调整。修改改账号密码，又该是需要输入原密码确保本人操作，修改密码成功后会自动退出账号返回至登录页面。

修改管理员自己的基本信息包括联系电话、用户名或编号等。添加管理员，添加时需要对管理员的真是姓名、联系电话和权限进行完善。

家长管理用例：当家长添加成功时，同一个班级的家长会被添加进同一个群聊，在同一个群聊里的家长会互加好友显示在其他家长的好友列表里面。

家长可以用手机登录小程序对自己和孩子的信息进行完善、修改和删除操作。可以在群聊里或私信里和其他家长交流。

用户管理用例图

2）学生实时监控用例图

查看监控时可以依据班级查看或者依据学生查看。场景切换主要是实时建立校园一些公共地方，如食堂、操场和教室。

管理者可以查看各个监控视频，学生家长可以监控孩子所在班级以及食堂和操场等公共场合。

用实时监控例图如图：

实时监控用例图

3）签到状态用例图

学生的状态主要有上学、放学、请假和旷课四种状态。管理员可以清晰直观的看到各个状态的人员变动，用不同的颜色标明不同状态的学生，当学生状态变化时，颜色即时的跟着改变。

当有人旷课未来学校或者放学后要关闭校门时还有学生未离校，管理者可以及时发现并进行处理。

签到状态用例图如图：

签到状态用例图

4）消息管理用例图

聊天消息管理是指管理员可以对群聊消息进行按日期和班级进行群聊记录查询并且可以对消息和记录进行删除。

签到消息是学生签到时管理者会收到学生签到成功的消息，管理者可以对学生的签到记录进行查询和删除操作，对于未及时签到的即旷课的学生会给管理员提示。

家长可以通过手机端 APP 实时和其他家长群聊或者私信进行交流，也可以实名或匿名直接反馈意见给管理者。

消息管理用例图如图：

消息管理用例图

5）考勤管理用例图管理员可以对学生的签到进行管理

对学生的签到记录可以通过学生名字与日期进行信息查询，对考勤信息进行删除和汇总。

当学生未及时到校迟到或者旷课时管理员会有消息提示，管理员可以对消息进行查看，对消息记录进行删除或者汇总。

管理员可以查看全部学生或者一个年级的全部学生或者一个班全部学生或者一个学生一定时间段的签到记录，使得管理者可以清楚的了解学生的到校情况。

学生主要有四个状态请假，上学，放学，旷课，每当状态发生变化会即时反馈给管理者。

用例图如图：

签到管理用例图

6）签到提示用例图学生签到主要有四个状态：上学、放学、请假和旷课

每当学生状态发生变化时系统所显示的状态也随着变化。

当学生旷课时，旷课学生的列表会展示给管理者，管理者可以对缺勤列表学生进行查看和管理，查看缺勤学生的个人信息和学生照片。

整理签到提示消息给管理者，有当天未查看的提示信息和全部未查看的提示信息。

签到信息提示用例图如图：

签到提示用例图

7）签到监督用例图

家长对孩子签到监督用例图又分为入校用例、离校用例、实时监控和请假报备。

考勤监督用例图如图：

考勤监督用例图

六、总结

本章主要从三个方面对基于人脸识别的幼儿园管理系统进行了需求分析，从用户对系统的期望，开发程序的原因和设计时应如何满足业务需求和用户需求。

然后对系统的整体架构进行设计，阐述基于人脸识别的幼儿园管理系统的主要功能，对系统的各个功能进行 介绍。

用UML用例图对系统的几个重要模块进行描述，使得系统结构与模块间的关系更加清晰。

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