陳馨瑤 程進(jìn) 鄒小平 姜超 鄔潤杰 廖晶晶

北京信息科技大學(xué)北京市傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101

0 前言

隨著二胎以及三胎政策的全面開放，少兒撫養(yǎng)比急增，嬰兒看護(hù)本就是一件長期并且需要付出大量時間精力的事情?，F(xiàn)今，在父母們需要同時兼顧家庭和工作的情況下，嬰兒看護(hù)輔助逐漸成為了社會的關(guān)注熱點(diǎn)和重要需求。傳統(tǒng)的看護(hù)輔助以月嫂為主，但月嫂看護(hù)水平參差不齊且價格昂貴，隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，嬰兒監(jiān)控系統(tǒng)逐漸走入人們的視線中。相較于體征監(jiān)測、哭聲提醒[1-2]等寶寶監(jiān)控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)更加直觀。然而，僅僅遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控也并不能滿足人們的需求，父母們不可能一直看著監(jiān)控，但孩子的安全隱患卻是無時不有、無處不在。2009年，佘達(dá)綸等人[3]發(fā)明的嬰兒睡眠監(jiān)控系統(tǒng)利用圖像識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對嬰兒是否清醒的判斷，用以提醒家長們寶寶醒了，只是該系統(tǒng)功能較單一且沒有對于安全問題的識別；2012年，蔣亞明等人[4]設(shè)計了基于OpenCV的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過圖像識別實(shí)現(xiàn)了對寶寶的運(yùn)動監(jiān)測，但是該系統(tǒng)并沒有對寶寶不同狀態(tài)的區(qū)分與提醒。本系統(tǒng)通過圖像識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對嬰兒睡眠過程中的吐奶、張嘴睡覺、口鼻被遮擋問題的實(shí)時監(jiān)控，并且在識別到異常狀況時第一時間通知父母，使得家長們能及時知曉寶寶的情況并做出處理。本系統(tǒng)主要對以下幾個問題進(jìn)行監(jiān)控：

（1）張嘴睡覺[5]的問題：有一種病癥為兒童阻塞性睡眠呼吸暫停、低通氣綜合征，這一疾病患兒會有張嘴呼吸的表現(xiàn)，即會引起寶寶習(xí)慣性張嘴睡覺。如果該癥狀沒有得到及時的治療，不僅會影響兒童的生長發(fā)育，還將帶來因?yàn)殚L期缺氧引起的心血管方面的疾病，甚至?xí)?dǎo)致由于大腦缺氧造成學(xué)習(xí)及神經(jīng)認(rèn)知能力產(chǎn)生缺陷；

（2）吐奶問題：寶寶吐奶之后，奶水若流到耳朵里，不及時處理會導(dǎo)致中耳炎。另外，如果吐奶后被嗆到，不僅會由于嗆到中耳腔內(nèi)引起中耳炎，還會引起窒息、咳嗽，甚至可能危及生命；

（3）口鼻遮擋問題：寶寶口鼻被遮擋會增加寶寶吸入二氧化碳過多以及過熱的風(fēng)險，這樣不僅會導(dǎo)致缺氧窒息，還會引起嬰兒猝死綜合征。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

此系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1所示，系統(tǒng)硬件由微型電腦（樹莓派）、樹莓派適配攝像頭和電源3部分構(gòu)成。其中，樹莓派為主要的控制模塊；樹莓派適配的攝像頭為信息采集模塊，實(shí)時采集嬰兒的圖片，再將信息傳輸進(jìn)樹莓派的運(yùn)行系統(tǒng)中進(jìn)行軟件識別與處理；電源通過用樹莓派適配的usb轉(zhuǎn)mini接口的數(shù)據(jù)線來進(jìn)行供電。當(dāng)系統(tǒng)識別到嬰兒的異常情況時，會通過手機(jī)微信小程序給家長發(fā)送消息。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，其實(shí)物是由3D打印的外殼封裝的樹莓派與攝像頭，如圖2所示，整個外殼為長方體，尺寸為12 cm×13.5 cm×5 cm。

1.2 工作原理

本系統(tǒng)主要運(yùn)用了OpenCV[6]庫的人臉檢測和器官識別，以及Dlib[7]庫的人臉特征檢測。其中，OpenCV是一個開源的跨平臺計算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)軟件庫，它可以運(yùn)行在多種操作系統(tǒng)上，并且提供了多種語言接口。本系統(tǒng)在樹莓派上搭載了Raspberry Pi OS（Linux發(fā)行版）操作系統(tǒng)，又運(yùn)用了python語言進(jìn)行OpenCV等庫的調(diào)用以及軟件編寫。

本系統(tǒng)在視頻流中逐幀檢測人臉，判斷嬰兒的睡眠狀態(tài)，在檢測到異常后，解除視頻流對攝像頭的占用，拍取異常情況的照片，再申請企業(yè)微信應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）[8]，通過微信小程序向家長推送寶寶睡眠狀態(tài)的照片以及文字提醒消息。主要的檢測有：口鼻是否被異物遮擋、寶寶是否有吐奶現(xiàn)象、是否睜眼以及是否在睡覺時張嘴。檢測到人臉之后，首先，判斷能否檢測到口鼻，從而判斷口鼻是否被異物遮擋；其次，通過裁剪出的口部圖片中白色像素點(diǎn)占比判斷是否大于預(yù)設(shè)值0.05，從而判斷寶寶是否吐奶；然后，通過比較眼睛長寬比是否大于預(yù)設(shè)值0.2，從而判斷寶寶是否睜眼睡醒；最后，通過判斷口部長寬比是否大于0.4，從而判斷寶寶是否在睡覺時張嘴。系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示。

1.3 系統(tǒng)的場景應(yīng)用

首先，該系統(tǒng)需要利用支架安裝在嬰兒床正上方，保證能拍到嬰兒的臉部，在寶寶睡覺時打開樹莓派的開關(guān)，程序開始運(yùn)行且攝像頭開始監(jiān)控。當(dāng)寶寶口鼻被異物遮擋時，微信上就會收到 “寶寶口鼻擋住了！”的消息及寶寶此時的照片，這樣家長可以在提示下及時幫寶寶移除異物；如果寶寶吐奶，微信上就會收到“寶寶吐奶了！”的消息及寶寶此時的照片，這樣家長可以在提示下及時幫寶寶清理；如果寶寶睜眼了，微信上就會收到 “寶寶醒了！”的消息及寶寶此時的照片，這樣家長可以在提示下及時關(guān)注寶寶動態(tài)；如果寶寶在睡覺過程中張開了嘴巴，微信上就會收到 “寶寶睡覺張嘴！”的消息及寶寶此時的照片。

2 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

在系統(tǒng)工作過程中，主要是利用嬰兒的圖片來模擬嬰兒的狀態(tài)，系統(tǒng)工作實(shí)物圖如圖4所示。

首先接通系統(tǒng)電源，攝像頭開始工作，緊接著分別對系統(tǒng)識別嬰兒4種狀態(tài)的功能進(jìn)行驗(yàn)證：

（1）嬰兒口鼻被遮擋：先將嬰兒正常睡覺的圖片放置到攝像頭前，然后切換到嬰兒口鼻被遮擋的圖片，觀察手機(jī)微信小程序中是否會收到信息提示以及其對異常情況的判斷是否準(zhǔn)確，準(zhǔn)確判斷下的信息提示如圖5（a）所示；

（2）嬰兒吐奶：先將嬰兒正常睡覺的圖片放置到攝像頭前，然后切換到嬰兒吐奶的圖片，觀察手機(jī)微信小程序中是否會收到信息提示以及其對異常情況的判斷是否準(zhǔn)確，準(zhǔn)確判斷下的信息提示如圖5（b）所示；

（3）嬰兒睡醒：先將嬰兒正常睡覺的圖片放置到攝像頭前，然后切換到嬰兒睜眼的圖片，觀察手機(jī)微信小程序中是否會收到信息提示以及其對異常情況的判斷是否準(zhǔn)確，準(zhǔn)確判斷下的信息提示如圖5（c）所示；

（4）嬰兒睡覺張嘴：先將嬰兒正常睡覺的圖片放置到攝像頭前，然后切換到嬰兒睡覺張嘴的圖片，觀察手機(jī)微信小程序中是否會收到信息提示以及其對異常情況的判斷是否準(zhǔn)確，準(zhǔn)確判斷下的信息提示如圖5（d）所示。

經(jīng)過驗(yàn)證，當(dāng)嬰兒臉部正對著攝像頭時，該系統(tǒng)對于口鼻是否被異物遮擋、是否睜眼以及是否在睡覺時張嘴的判斷均準(zhǔn)確；而對于是否吐奶的判斷不太穩(wěn)定，同一張圖片的情況下白色像素的占比數(shù)據(jù)存在波動。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）本系統(tǒng)針對3種嬰兒睡眠異常狀況進(jìn)行識別與提醒：吐奶問題、口鼻被遮擋問題、張嘴睡覺問題，極大地降低了嬰兒睡眠期間的危險系數(shù)，且嬰兒醒了也會有提醒；

（2）本系統(tǒng)通過微信小程序發(fā)送嬰兒異常狀況的照片與文字提醒，不需要另外下載軟件，簡化了人機(jī)交互的流程；

（3）本系統(tǒng)的控制模塊是微型電腦——樹莓派，樹莓派功能強(qiáng)大，使得之后的功能擴(kuò)展成為可能，并且整個系統(tǒng)輕便小巧，很適合在家里安裝使用。

4 結(jié)束語

隨著“二胎”和“三胎”政策的落地，母嬰市場需求將持續(xù)增長，看護(hù)輔助系統(tǒng)的市場亟待發(fā)展，同時，老齡化的加劇和生育年齡的延遲，嬰幼兒的看護(hù)任務(wù)逐漸加重。老人們無力幫忙看護(hù)孩子，父母們又需要兼顧家庭和工作，如何切實(shí)地降低看護(hù)工作的強(qiáng)度和減少看護(hù)時間是看護(hù)輔助系統(tǒng)的開發(fā)基點(diǎn)。本系統(tǒng)區(qū)別于其他如體征監(jiān)測、遠(yuǎn)程、哭聲監(jiān)控等系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對監(jiān)控視頻流圖像的識別，實(shí)現(xiàn)了對寶寶吐奶以及睡覺張嘴等安全問題針對性的監(jiān)控，并且能通過微信小程序?qū)Σ煌惓Ｇ闆r向家長發(fā)出相應(yīng)的提醒，以便家長及時采取干預(yù)措施。目前，該系統(tǒng)對于吐奶問題的識別不是非常準(zhǔn)確，嬰兒正臉偏離攝像頭的程度與各種情況識別率之間的關(guān)系也尚不明確，接下來會從提高吐奶問題識別率與增加系統(tǒng)對嬰兒臉部未正對攝像頭情況的識別兩個方面對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。