隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多行業(yè)進(jìn)入智能化時代，為了更好地呵護(hù)孩子成長，智能技術(shù)也應(yīng)當(dāng)在幼兒園發(fā)揮其作用。本篇文章將從三個角度進(jìn)行分析，給幼兒園的人臉識別應(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)用也愈來愈廣闊。
例如家門前安裝了只能鎖識別訪客系統(tǒng)，還有一些園區(qū)或者學(xué)校校門前安裝的人臉識別以及體溫檢測的機(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)一個智能化的管理系統(tǒng)。目前，中國很多家庭都是獨(dú)生子女家庭，父母忙于工作，孩子的健康成長需要家長和長輩的關(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，讓家長和老師都能安心。
二、人臉識別研究現(xiàn)狀
人臉識別屬于獨(dú)特的生物特征識別，識別時具有非接觸性、自然性和不易察覺性、相較于其他特征識別更為便捷和高效。
剛開始的人臉識別可能都是依據(jù)人臉的幾何特征進(jìn)行識別�，F(xiàn)今如果運(yùn)用AI技術(shù)來設(shè)計(jì)的話，可以從AI的深度學(xué)習(xí)方法方向出發(fā)，建立一個人臉識別的數(shù)據(jù)庫，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照是能夠發(fā)揮作用。
隨著人工智能的飛速發(fā)展，在面對上面的各種問題時，人臉識別已經(jīng)能夠保持克服大部分的問題。
使用深度學(xué)習(xí)的方法對大量的人臉圖片進(jìn)行訓(xùn)練來獲取人臉的面部特征信息。這樣獲取的特征要比原始手動獲取的特征更加完善，識別成功率也會更高。
在提取人臉特征的過程中，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)算時很復(fù)雜也非常耗時，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)在社會上對于人臉識別的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在社會上已經(jīng)普及開來，人臉識別解鎖、人臉識別簽到與人臉識別支付等等在市場上生活中經(jīng)�？梢钥吹讲⑶矣枰詫�(shí)施使用。
現(xiàn)在也有許多成熟的人臉識別庫，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 能夠在保證人臉識別成功率的情況下快速的完成人臉識別，非常適合在學(xué)校簽到時使用。
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、老師、學(xué)生和家長而設(shè)計(jì)的�？紤]到電腦的普及性與家長對電腦的熟練度，對于幼兒園管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求通俗易懂，并且因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過程中，系統(tǒng)上有一些關(guān)于教師、家長、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)了幼兒園老師對于學(xué)生的管理以及家長與老師的實(shí)時溝通交流。
主要的業(yè)務(wù)流程如下：
家長可以通過手機(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)時交流、查看自家孩子的課表和食譜、實(shí)時監(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)時的通過小程序和其他家長、老師溝通，上傳孩子的照片，實(shí)時獲取學(xué)校發(fā)布的公告。學(xué)校的管理員可以在系統(tǒng)終端收到家長的反愧學(xué)生的個人情況、到校情況和一些學(xué)習(xí)信息。對幼兒園進(jìn)行管理包括學(xué)生簽到信息、每個教室的上課情況、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，為了收集各個幼兒園的信息，首先在公網(wǎng)上架構(gòu)一臺主服務(wù)器，把各個幼兒園的信息整合到一起；為了完成對用戶的管理和實(shí)時簽到數(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校內(nèi)局域網(wǎng)和服務(wù)器建立連接，可以實(shí)時和服務(wù)器同步數(shù)據(jù)。
電腦可以通過瀏覽器訪問到服務(wù)器，手機(jī)也可以通過小程序獲取所需要的信息，既能通過校內(nèi)的局域網(wǎng)訪問數(shù)據(jù)庫，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，通過解析域名來訪問校內(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)一套基于人臉識別的高效率的幼兒園只能管理系統(tǒng)。主要有人臉識別簽到、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人人臉照片用于人臉識別簽到比對，可以選擇收集相冊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)期間會每隔0.2秒拍攝一張照片上傳，與人臉識別庫中預(yù)存的照片匹配。人臉識別驗(yàn)證：簽到機(jī)將攝像頭拍攝的照片上傳，系統(tǒng)首先對照片進(jìn)行人臉檢測，人臉檢測成功后進(jìn)行人臉匹配。匹配成功就將照片和簽到時間保存。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、姓名、入校時間和離校時間等。食堂管理：管理人員可以對學(xué)生午餐的食譜進(jìn)行管理，為每個學(xué)生安排健康營養(yǎng)的視頻，家伙也可以通過手機(jī)端小程序查看自己孩子的食譜。管理員對食堂飯菜的每個菜的檢測結(jié)果進(jìn)行保存，查看時可以以及日期進(jìn)行檢索。管理人員對食堂的各種食材進(jìn)行記錄和管理，對學(xué)生的午餐繳費(fèi)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與管理，對于未交費(fèi)的家長可以發(fā)出提示消息�？梢圆樵兗议L詳細(xì)的繳費(fèi)日期與時間，并可以按時間進(jìn)行檢索查看。監(jiān)控管理：管理員可以實(shí)時查看校園各個監(jiān)控范圍內(nèi)的動態(tài)，家長亦可以通過手機(jī)端的小程序?qū)崟r查看孩子所在班級的監(jiān)控視頻以及食堂等一些公共場所的監(jiān)控。便于管理人員的管理和家長的監(jiān)督。收退費(fèi)：管理人員可以在系統(tǒng)中設(shè)置每個月的出勤日期，孩子在幼兒園出勤每日的消耗和開支都會記錄在系統(tǒng)中，管理員可以查看系統(tǒng)中每個孩子每個月的出勤日期，并且可以計(jì)算開銷，然后在規(guī)定的時間統(tǒng)計(jì)出賬單，例如是每個月或者是每個學(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。家長也可以在手機(jī)端小程序中看到每個月的開銷。根據(jù)每個月開銷的單據(jù)，會進(jìn)行一次結(jié)算，由于家長在學(xué)習(xí)初會進(jìn)行一次學(xué)費(fèi)的統(tǒng)繳，那么每個月就會根據(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和家長圈發(fā)布公告，家長可以在小程序看到公告。學(xué)生信息管理：家長登錄手機(jī)小程序賬號后可以填寫和修改學(xué)生和家長的個人信息，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)時的簽到結(jié)果和以往的考勤記錄，對所有學(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)時簽到照片和簽到時間。每個學(xué)生都有4種狀態(tài)包括上學(xué)，放學(xué)，請假和曠課狀態(tài)，可以實(shí)時查看學(xué)生狀態(tài)。管理員可以設(shè)置簽到制度，不同時間可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)出不同的簽到時間范圍。有需要的話還可以添加新的簽到時間。賬號管理：管理員和家長可以根據(jù)自己的賬號和密碼賬號，登錄進(jìn)去以后可以修改自己個人信息與登錄密碼。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原始密碼進(jìn)行修改，修改完成后會自動退出當(dāng)前登錄賬號返回到登錄頁面。
基于人臉識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描述用戶、用戶的需求以及系統(tǒng)的各個功能質(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
接下來通過用例圖詳細(xì)的對系統(tǒng)的用例進(jìn)行介紹，明確各個板塊之間的聯(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)限即對管理員權(quán)限進(jìn)行調(diào)整。修改改賬號密碼，又該是需要輸入原密碼確保本人操作，修改密碼成功后會自動退出賬號返回至登錄頁面。
修改管理員自己的基本信息包括聯(lián)系電話、用戶名或編號等。添加管理員，添加時需要對管理員的真是姓名、聯(lián)系電話和權(quán)限進(jìn)行完善。
家長管理用例：當(dāng)家長添加成功時，同一個班級的家長會被添加進(jìn)同一個群聊，在同一個群聊里的家長會互加好友顯示在其他家長的好友列表里面。
家長可以用手機(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。可以在群聊里或私信里和其他家長交流。
用戶管理用例圖
2）學(xué)生實(shí)時監(jiān)控用例圖
查看監(jiān)控時可以依據(jù)班級查看或者依據(jù)學(xué)生查看。場景切換主要是實(shí)時建立校園一些公共地方，如食堂、操場和教室。
管理者可以查看各個監(jiān)控視頻，學(xué)生家長可以監(jiān)控孩子所在班級以及食堂和操場等公共場合。
用實(shí)時監(jiān)控例圖如圖：
實(shí)時監(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)、請假和曠課四種狀態(tài)。管理員可以清晰直觀的看到各個狀態(tài)的人員變動，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，顏色即時的跟著改變。
當(dāng)有人曠課未來學(xué)校或者放學(xué)后要關(guān)閉校門時還有學(xué)生未離校，管理者可以及時發(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群聊消息進(jìn)行按日期和班級進(jìn)行群聊記錄查詢并且可以對消息和記錄進(jìn)行刪除。
簽到消息是學(xué)生簽到時管理者會收到學(xué)生簽到成功的消息，管理者可以對學(xué)生的簽到記錄進(jìn)行查詢和刪除操作，對于未及時簽到的即曠課的學(xué)生會給管理員提示。
家長可以通過手機(jī)端 APP 實(shí)時和其他家長群聊或者私信進(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學(xué)生的簽到進(jìn)行管理
對學(xué)生的簽到記錄可以通過學(xué)生名字與日期進(jìn)行信息查詢，對考勤信息進(jìn)行刪除和匯總。
當(dāng)學(xué)生未及時到校遲到或者曠課時管理員會有消息提示，管理員可以對消息進(jìn)行查看，對消息記錄進(jìn)行刪除或者匯總。
管理員可以查看全部學(xué)生或者一個年級的全部學(xué)生或者一個班全部學(xué)生或者一個學(xué)生一定時間段的簽到記錄，使得管理者可以清楚的了解學(xué)生的到校情況。
學(xué)生主要有四個狀態(tài)請假，上學(xué)，放學(xué)，曠課，每當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化會即時反饋給管理者。
用例圖如圖：
簽到管理用例圖
6）簽到提示用例圖學(xué)生簽到主要有四個狀態(tài)：上學(xué)、放學(xué)、請假和曠課
每當(dāng)學(xué)生狀態(tài)發(fā)生變化時系統(tǒng)所顯示的狀態(tài)也隨著變化。
當(dāng)學(xué)生曠課時，曠課學(xué)生的列表會展示給管理者，管理者可以對缺勤列表學(xué)生進(jìn)行查看和管理，查看缺勤學(xué)生的個人信息和學(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
家長對孩子簽到監(jiān)督用例圖又分為入校用例、離校用例、實(shí)時監(jiān)控和請假報(bào)備。
考勤監(jiān)督用例圖如圖：
考勤監(jiān)督用例圖
六、總結(jié)
本章主要從三個方面對基于人臉識別的幼兒園管理系統(tǒng)進(jìn)行了需求分析，從用戶對系統(tǒng)的期望，開發(fā)程序的原因和設(shè)計(jì)時應(yīng)如何滿足業(yè)務(wù)需求和用戶需求。
然后對系統(tǒng)的整體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，闡述基于人臉識別的幼兒園管理系統(tǒng)的主要功能，對系統(tǒng)的各個功能進(jìn)行 介紹。
用UML用例圖對系統(tǒng)的幾個重要模塊進(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。
