隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多行業(yè)進入智能化時代，為了更好地呵護孩子成長，智能技術(shù)也應當在幼兒園發(fā)揮其作用。本篇文章將從三個角度進行分析，給幼兒園的人臉識別應用及相關(guān)的系統(tǒng)設計提供參考。

一、研究背景與意義

由于智能化的高速發(fā)展，智能設備開始普及，并進一步進入了人們的生活，目前AI人工智能的運用也愈來愈廣闊。

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)或者學校校門前安裝的人臉識別以及體溫檢測的機器設備，都運用了AI的一些技術(shù)。

除了剛剛講述的人臉識別系統(tǒng)，關(guān)于智能化硬件設備當然還有其他地方的運用，例如手機控制空調(diào)、機器人送餐、智能化客服等等。

為了將現(xiàn)代化、智能化的技術(shù)有更好的應用于教育管理事業(yè)，應當為幼兒園設計一個智能化的管理系統(tǒng)。目前，中國很多家庭都是獨生子女家庭，父母忙于工作，孩子的健康成長需要家長和長輩的關(guān)心。

了解孩子在學校的學習、健康和日常生活也很重要，為了讓孩子得到更好的呵護，家長更希望看到孩子每天在學校的狀態(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)人臉的幾何特征進行識別。現(xiàn)今如果運用AI技術(shù)來設計的話，可以從AI的深度學習方法方向出發(fā)，建立一個人臉識別的數(shù)據(jù)庫，讓及其進行深度學習，在后續(xù)進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。

使用深度學習的方法對大量的人臉圖片進行訓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)絡提取人臉的特征。由于傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡參數(shù)非常多，計算機計算時很復雜也非常耗時，但是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的神經(jīng)元智慧與上一層部分神經(jīng)元建立聯(lián)系，可以大大降低復雜度，減少計算量，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矣枰詫嵤┦褂?。

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，非常適合在學校簽到時使用。

三、需求分析

1. 業(yè)務需求

幼兒園管理系統(tǒng)主要是為幼兒園的園長、老師、學生和家長而設計的。考慮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)的設計要求通俗易懂，并且因為在設計過程中，系統(tǒng)上有一些關(guān)于教師、家長、學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)主要還實現(xiàn)了幼兒園老師對于學生的管理以及家長與老師的實時溝通交流。

主要的業(yè)務流程如下：

• 家長可以通過手機小程序獲取孩子信息、與學校管理人員內(nèi)進行實時交流、查看自家孩子的課表和食譜、實時監(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。并且可以實時的通過小程序和其他家長、老師溝通，上傳孩子的照片，實時獲取學校發(fā)布的公告。
• 學校的管理員可以在系統(tǒng)終端收到家長的反饋、學生的個人情況、到校情況和一些學習信息。對幼兒園進行管理包括學生簽到信息、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)的硬件設備包括攝像頭、大屏顯示器、電腦、監(jiān)控攝像頭、服務器和手機。

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時簽到數(shù)據(jù)同步；然后在學校內(nèi)部架構(gòu)設了服務器。

最后是終端設備，有大屏顯示器、攝像頭、監(jiān)控攝像頭，電腦和手機。其中大屏顯示器和攝像頭通過校內(nèi)局域網(wǎng)和服務器建立連接，可以實時和服務器同步數(shù)據(jù)。

電腦可以通過瀏覽器訪問到服務器，手機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，也可以綁定架設在公網(wǎng)上的服務器的IP地址與域名，通過解析域名來訪問校內(nèi)服務器的數(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、公共發(fā)布、學生信息管理、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。簽到機攝像頭在學生上學與放學期間會每隔0.2秒拍攝一張照片上傳，與人臉識別庫中預存的照片匹配。
• 人臉識別驗證：簽到機將攝像頭拍攝的照片上傳，系統(tǒng)首先對照片進行人臉檢測，人臉檢測成功后進行人臉匹配。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生所有日期的簽到照片、當前學生的編號、姓名、入校時間和離校時間等。
• 食堂管理：管理人員可以對學生午餐的食譜進行管理，為每個學生安排健康營養(yǎng)的視頻，家伙也可以通過手機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)果進行保存，查看時可以以及日期進行檢索。管理人員對食堂的各種食材進行記錄和管理，對學生的午餐繳費情況進行統(tǒng)計與管理，對于未交費的家長可以發(fā)出提示消息?？梢圆樵兗议L詳細的繳費日期與時間，并可以按時間進行檢索查看。
• 監(jiān)控管理：管理員可以實時查看校園各個監(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：管理人員可以在系統(tǒng)中設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，并且可以計算開銷，然后在規(guī)定的時間統(tǒng)計出賬單，例如是每個月或者是每個學期，但是現(xiàn)在大多數(shù)的幼兒園都應變成了按月計算的模式了。家長也可以在手機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)，會進行一次結(jié)算，由于家長在學習初會進行一次學費的統(tǒng)繳，那么每個月就會根據(jù)單據(jù)進行多退少補的操作。
• 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。
• 學生信息管理：家長登錄手機小程序賬號后可以填寫和修改學生和家長的個人信息，上傳學生簽到照片，查看簽到記錄。
• 簽到管理：管理員可以查看所有學生實時的簽到結(jié)果和以往的考勤記錄，對所有學生的簽到情況按年、月份進行匯總。每次簽到的信息都包括當時簽到照片和簽到時間。每個學生都有4種狀態(tài)包括上學，放學，請假和曠課狀態(tài)，可以實時查看學生狀態(tài)。管理員可以設置簽到制度，不同時間可以根據(jù)實際情況設計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。修改密碼是需要驗證原始密碼，如果驗證成功則可以輸入新密碼對原始密碼進行修改，修改完成后會自動退出當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計開發(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的對系統(tǒng)的用例進行介紹，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

設置管理員權(quán)限即對管理員權(quán)限進行調(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)限進行完善。

家長管理用例：當家長添加成功時，同一個班級的家長會被添加進同一個群聊，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。

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

用戶管理用例圖

2）學生實時監(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)學生查看。場景切換主要是實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。

用實時監(jiān)控例圖如圖：

實時監(jiān)控用例圖

3）簽到狀態(tài)用例圖

學生的狀態(tài)主要有上學、放學、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，用不同的顏色標明不同狀態(tài)的學生，當學生狀態(tài)變化時，顏色即時的跟著改變。

當有人曠課未來學?；蛘叻艑W后要關(guān)閉校門時還有學生未離校，管理者可以及時發(fā)現(xiàn)并進行處理。

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行按日期和班級進行群聊記錄查詢并且可以對消息和記錄進行刪除。

簽到消息是學生簽到時管理者會收到學生簽到成功的消息，管理者可以對學生的簽到記錄進行查詢和刪除操作，對于未及時簽到的即曠課的學生會給管理員提示。

家長可以通過手機端 APP 實時和其他家長群聊或者私信進行交流，也可以實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生的簽到進行管理

對學生的簽到記錄可以通過學生名字與日期進行信息查詢，對考勤信息進行刪除和匯總。

當學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行查看，對消息記錄進行刪除或者匯總。

管理員可以查看全部學生或者一個年級的全部學生或者一個班全部學生或者一個學生一定時間段的簽到記錄，使得管理者可以清楚的了解學生的到校情況。

學生主要有四個狀態(tài)請假，上學，放學，曠課，每當狀態(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）簽到提示用例圖學生簽到主要有四個狀態(tài)：上學、放學、請假和曠課

每當學生狀態(tài)發(fā)生變化時系統(tǒng)所顯示的狀態(tài)也隨著變化。

當學生曠課時，曠課學生的列表會展示給管理者，管理者可以對缺勤列表學生進行查看和管理，查看缺勤學生的個人信息和學生照片。

整理簽到提示消息給管理者，有當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、實時監(jiān)控和請假報備。

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)程序的原因和設計時應如何滿足業(yè)務需求和用戶需求。

然后對系統(tǒng)的整體架構(gòu)進行設計，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)的各個功能進行 介紹。

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