智能化兒童防性侵預(yù)警裝置設(shè)計(jì)研究

徐筱竹，張海晴，胡棟輝，戴英明，馮永平

（廣州大學(xué)，廣州 510006）

本文設(shè)計(jì)研究的智能化兒童防性侵預(yù)警裝置其根本為可穿戴防身器材，防身器材是指公民為了實(shí)現(xiàn)私力救濟(jì)，通過一些手段在短距離內(nèi)抗衡暴力襲擊，暫時(shí)性的造成進(jìn)攻方行為障礙和身體傷害的防御器材[1]。但囿于該設(shè)計(jì)所防護(hù)的對(duì)象為兒童，筆者不得不考慮參考市場(chǎng)上常見的防身器材并進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使其具備記錄犯罪行為證據(jù)，及時(shí)預(yù)警家長，警方迅速到場(chǎng)等功能，實(shí)現(xiàn)防止兒童性侵害的作用。

1 設(shè)計(jì)零件考慮

所設(shè)計(jì)的智能化兒童防性侵預(yù)警裝置主要為達(dá)到以下目的。

（1）記錄下犯罪分子的言行，使其無處可辯，減少因證據(jù)不足而造成無端釋放或存在誤判的情況。

（2）能為兒童的人身安全提高保障力度，幫助兒童健康成長，將兒童、家長和警方3方連接，避免遭受不法分子的侵害。

針對(duì)目的（1），據(jù)2020世界衛(wèi)生組織的一項(xiàng)調(diào)查顯示，在18歲前，每5個(gè)女孩中有1個(gè)和每13個(gè)男孩中就有1個(gè)受到性侵害[2]。我國的性侵兒童案件也頗多，且“女童保護(hù)”統(tǒng)計(jì)的2020年性侵兒童案例報(bào)告顯示，熟人作案占比為74.04%，陌生人作案占比25.96%[3]。那么由于多數(shù)為熟人作案及兒童對(duì)性行為意義的不理解使得該類案件難以發(fā)現(xiàn)或經(jīng)過很長時(shí)間才案發(fā)，這會(huì)導(dǎo)致該類兒童性侵案件開展偵查取證工作難度大，認(rèn)定難，從而難以提起公訴并判決[4]。故而首先考慮到設(shè)計(jì)零件為攝像頭。

針對(duì)目的（2），要將兒童、家長和警方3方連接，首先需要1個(gè)能夠?qū)?方連接的媒介，鑒于當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展，考慮將軟件App用作媒介。選定媒介后，需要考慮對(duì)應(yīng)功能的零件，其一是定位器，通過定位器可以確定兒童的位置；其二是傳感器，傳感器需具備測(cè)心率、測(cè)聲音和測(cè)距的作用，方能結(jié)合算法做到預(yù)警；其三是選定通知警方的方式，事發(fā)突然孩子未必具有及時(shí)報(bào)警的觀念和時(shí)間，因此App需具有一鍵報(bào)警的功能，可將定位及預(yù)設(shè)的短信內(nèi)容發(fā)送至12110加電話區(qū)號(hào)后3位[5]。

還有一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)是將上述零件一體化，使其完備為一個(gè)實(shí)用性強(qiáng)且便利的裝置。

2 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)防身裝置理念和零件考慮，提出智能化兒童防性侵預(yù)警裝置的設(shè)計(jì)原則為以下幾點(diǎn)。

（1）裝置可適用于多種場(chǎng)景，不影響兒童的日常生活。

（2）充分考慮兒童遇害前后的預(yù)警及救治功能。

（3）對(duì)算法進(jìn)行貼合現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)，避免算法誤測(cè)導(dǎo)致多次重復(fù)預(yù)警。

3 攝像頭的選擇

攝像頭選擇需要滿足以下要求。

（1）滿足支持遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（2）兒童方無須聯(lián)網(wǎng)，流量消耗不大。

（3）圖傳清晰，不會(huì)有卡頓的現(xiàn)象發(fā)生。

在對(duì)比市面上的產(chǎn)品后，選定一款直徑為2.8 mm的圓形可吸附攝像頭，且其具有清晰度1080 p和支持4G款遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。經(jīng)過數(shù)據(jù)測(cè)試，該攝像頭可通過軟件圖傳畫面。

4 定位器的選擇

定位器具備定位和錄音功能，錄音可作證據(jù)，定位用于發(fā)送至警方。

在對(duì)比市面上的產(chǎn)品后，盡可能地選擇了一款3 mm×2 mm×1.7 mm的定位器，使其能夠配備于所使用的開發(fā)板上。通過該定位器提供的定位，可在實(shí)際測(cè)試中將定位發(fā)至12110。

5 傳感器的選擇

傳感器是該裝置中較為重要的一環(huán)。本裝置中為考慮充分，計(jì)劃配備心率傳感器、聲音傳感器和激光測(cè)距傳感器，使其能夠滿足應(yīng)對(duì)兒童遇險(xiǎn)時(shí)的各種情況。譬如陌生人作案導(dǎo)致的兒童生理性緊張而使得心率增加；被誘騙兒童進(jìn)入陌生環(huán)境的異常聲音，如兒童哭聲和尖叫聲或不法分子布置環(huán)境的異常動(dòng)靜；不法分子作案前對(duì)兒童的不合理接近而導(dǎo)致的距離過近。

故而，鑒于單一的傳感器很難同時(shí)滿足這些情況，筆者考慮綜合這3類傳感器。

首先是心率傳感器。傳統(tǒng)的脈搏測(cè)量方法易對(duì)監(jiān)測(cè)人的活動(dòng)有所限制，不符合本裝置的要求，筆者考慮使用光電容積法。光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成的透光率不同來進(jìn)行脈搏測(cè)量。而今，對(duì)于非接觸式心率的測(cè)量具有大量研究和應(yīng)用價(jià)值，相關(guān)的研究也為此加以佐證。如陳天舒[6]應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)差算法提高心率測(cè)量的準(zhǔn)確性，胡軍鋒和鄭彬[7]應(yīng)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型提高檢測(cè)精度等。由此，選定該方法作為心率測(cè)量方式是較為合適的，并且，在查找文獻(xiàn)時(shí)亦發(fā)現(xiàn)了其與可穿戴設(shè)備的結(jié)合，進(jìn)一步提供依據(jù)。

其次，聲音傳感器的作用相當(dāng)于一個(gè)話筒（麥克風(fēng)）。傳感器內(nèi)置一個(gè)對(duì)聲音敏感的電容式駐極體話筒。聲波使話筒內(nèi)的駐極體薄膜振動(dòng)，導(dǎo)致電容的變化，而產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)變化的微小電壓。這一電壓隨后被轉(zhuǎn)化成0～5 V的電壓，經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D）轉(zhuǎn)換被數(shù)據(jù)采集器接收，并傳送給開發(fā)板。

最后，激光測(cè)距傳感器筆者選定TOF10120測(cè)距傳感器。其屬于雙向測(cè)距技術(shù)，利用數(shù)據(jù)信號(hào)在一對(duì)收發(fā)機(jī)之間往返的飛行時(shí)間來測(cè)量2點(diǎn)間的距離。將發(fā)射端發(fā)出數(shù)據(jù)信號(hào)和接收端接收到應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間間隔記為Tt，接收端收到發(fā)射端的數(shù)據(jù)信號(hào)和發(fā)出應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間間隔記為Tr，信號(hào)在這對(duì)收發(fā)機(jī)之間的單向飛行時(shí)間為，則2點(diǎn)間的距離d=c×Tf，其中c表示電磁波傳播速度。

6 一體化設(shè)計(jì)方案

首先根據(jù)所考慮的零件設(shè)計(jì)實(shí)物載體圖，根據(jù)所購置的具體零件尺寸，利用SolidWorks軟件進(jìn)行3D建模，構(gòu)建好模型后找廠家進(jìn)行工藝生產(chǎn)，其次再將元器件安裝進(jìn)模具，最后對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試。3D建模圖如圖1所示。

圖1 裝置3D建模圖

此外，這里對(duì)裝置承載體增加說明。裝置的承載體也是實(shí)現(xiàn)一體化的重要考慮，該承載體需滿足以下3個(gè)條件。

（1）足夠輕便，不影響兒童的日常生活。

（2）不具有危險(xiǎn)系數(shù)，不易被歹徒察覺。

（3）需具有固定性，保持?jǐn)z像頭的穩(wěn)定向外。

筆者最后之所以選定而今的承載體是因?yàn)槠渑c項(xiàng)鏈形似，在日常生活中佩戴不易被察覺異常，且不若手鏈等飾品存在易掉落的情況。

7 算法設(shè)計(jì)

算法將綜合心率、聲音和距離3個(gè)指標(biāo)設(shè)置安全參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)危險(xiǎn)系數(shù)超過正常值便會(huì)連接到家長方的App進(jìn)行預(yù)警提醒，家長進(jìn)而對(duì)情況做出二次判斷，一定程度上降低誤判的可能性，保護(hù)兒童人身安全。

首先從心率考慮，在安靜的情況下，正常的心率范圍是60～100次/min。再參考對(duì)于聲音分貝的劃分表，并通過以上因素設(shè)計(jì)出危險(xiǎn)評(píng)估的算法，具體有以下4組警報(bào)情況。

（1）心率小于55 bmp或大于105 bmp會(huì)警報(bào)。

（2）聲音分貝大于100 dB會(huì)警報(bào)。

（3）激光測(cè)距小于50 cm且大于30 cm時(shí)，心率小于58 bmp或者大于102 bmp，聲音分貝大于95 dB會(huì)警報(bào)（這3個(gè)條件要同時(shí)滿足）。

（4）激光測(cè)距小于30 cm時(shí)，心率小于60 bmp或者大于100 bmp，聲音分貝大于90 dB會(huì)警報(bào)（這3個(gè)條件要同時(shí)滿足）。

接著設(shè)定測(cè)試數(shù)據(jù)，設(shè)定距離數(shù)據(jù)時(shí)，使用同一個(gè)物體進(jìn)行激光測(cè)距；設(shè)定聲音分貝數(shù)據(jù)時(shí)，測(cè)試實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的聲音；設(shè)定心率數(shù)據(jù)時(shí)，測(cè)試同一個(gè)人在不同情境下的心率值。

測(cè)試時(shí)使用單片機(jī)Arduino UNO將心率傳感器和距離傳感器所獲得的心率數(shù)據(jù)和距離數(shù)據(jù)通過IIC接口傳回Arduino UNO，分別獲得心率參數(shù)和距離參數(shù)，聲音傳感器是使用Arduino UNO讀取聲音傳感器輸出端的電壓，通過電壓大小與分貝的關(guān)系進(jìn)行換算得出分貝參數(shù)，最后將這些參數(shù)導(dǎo)入算法軟件當(dāng)中。

分別用心率傳感器、聲音傳感器和激光測(cè)距傳感器測(cè)得的10組數(shù)據(jù)并通過CodeBlocks輸出的結(jié)果見表1。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果

收到警報(bào)后，家長可以通過攝像頭的App及定位器查看情況，而后進(jìn)一步判斷危險(xiǎn)情況。

由測(cè)試結(jié)果可看出，測(cè)試數(shù)據(jù)按照設(shè)計(jì)預(yù)期輸出了結(jié)果，那么具體在實(shí)際中會(huì)有怎樣的優(yōu)勢(shì)呢？詳見下節(jié)的對(duì)比分析。

8 設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)

通過上文筆者已經(jīng)初步完成了裝置雛形的設(shè)置及算法設(shè)計(jì)，因此考慮將其與目前市面上常見的2種裝置進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步體現(xiàn)該裝置的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)。

產(chǎn)品A：可GPS實(shí)時(shí)定位和電話短信通知，雙擊快速救援，無須手機(jī)。

產(chǎn)品B：鎖扣佩戴，可定位和一鍵撥號(hào)及具有高清通話和手機(jī)聽音的功能。

通過對(duì)實(shí)際案件情況的收集，筆者選定其中一例作為情境測(cè)試3個(gè)裝置應(yīng)對(duì)實(shí)際情況的防護(hù)效果。具體情境如下。

9歲兒童寧寧（化名）放學(xué)后跑到鄰居（即不法分子）家找他的孫女玩，玩了一會(huì)兒后鄰居要求寧寧單獨(dú)留下，說要出幾道題單獨(dú)考她而后卻將其帶入臥室打開電視讓寧寧看，實(shí)則播放黃片并將寧寧抱進(jìn)懷里。

在此情境下，會(huì)出現(xiàn)以下情況反應(yīng)：①女童出現(xiàn)異常的心率波動(dòng)；②環(huán)境音出現(xiàn)異常增高；③與兒童間存在非正常的社交距離。

再分別觀測(cè)3個(gè)設(shè)備所能夠提供的防護(hù)功能。

產(chǎn)品A：第一，如果該兒童具備安全教育意識(shí)，會(huì)在第一時(shí)間按下設(shè)備快速救援，但是存在無法將產(chǎn)品從包內(nèi)拿出的機(jī)會(huì)；第二，如果該兒童不具備安全教育意識(shí)且鄰居為熟人，將很難在孩童遇害前對(duì)其進(jìn)行解救，且事后兒童也可能受到鄰居恐嚇閉口不談，使得該事件失去取證機(jī)會(huì)。

產(chǎn)品B：第一，如果該兒童具備安全教育意識(shí)，可使用一鍵撥號(hào)的功能聯(lián)系家人，且鑒于是按鈕外形不易被犯罪分子所察覺，因此可以在孩童遇害前對(duì)其進(jìn)行解救；第二，如果該兒童不具備安全教育意識(shí)且鄰居為熟人，即使該設(shè)備具備聽音功能，也無法保證家長能夠在那一時(shí)刻進(jìn)行聽音且極有可能因?yàn)槭鞘烊耍议L也放松警惕，故而難以在孩童遇害前對(duì)其進(jìn)行解救。

智能化兒童防性侵預(yù)警裝置：無論兒童是否具備安全教育意識(shí)，在出現(xiàn)上文提及的3個(gè)反應(yīng)時(shí)，該設(shè)備便會(huì)向家長方發(fā)出預(yù)警提醒，家長可在第一時(shí)間將定位發(fā)至警方，同時(shí)因距離近也可迅速抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，在孩童遇害前對(duì)其進(jìn)行解救。

由以上對(duì)比分析可看出，產(chǎn)品A與產(chǎn)品B的使用均有可能因不法分子是熟人而放松對(duì)孩子的防護(hù)力，而本文所設(shè)計(jì)的裝置效果最優(yōu)，具有相當(dāng)?shù)墓叫?，依照?shù)據(jù)算法支持，隨時(shí)對(duì)家長方進(jìn)行預(yù)警提醒，防止案件的發(fā)生，保護(hù)兒童。

9 結(jié)束語

我國對(duì)兒童性侵害的防護(hù)目前仍存在漏洞，無論是對(duì)不法分子的犯罪證據(jù)認(rèn)定方面，還是人們對(duì)于該事件所產(chǎn)生的抵觸羞愧心理，即所謂的認(rèn)為家丑不可外揚(yáng)。因此，針對(duì)兒童防性侵的裝置設(shè)計(jì)很有必要。本文所設(shè)計(jì)的智能化兒童防性侵預(yù)警裝置已初具雛形且通過與市面上常見的產(chǎn)品進(jìn)行情境下的對(duì)比分析證明該裝置能滿足防護(hù)要求且效果優(yōu)越，故而未來在現(xiàn)有裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化是很有展望性的。