大學(xué)生運(yùn)動(dòng)前后體溫測(cè)量系統(tǒng)研究

吳謀林，袁 通，馬嘯宸，羅 恒

（1.蘇州科技大學(xué) 體育部，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；3.南京郵電大學(xué) 海外教育學(xué)院，江蘇 南京 210023）

隨著近年來(lái)大學(xué)生身體素質(zhì)不斷下降、學(xué)生運(yùn)動(dòng)猝死事件的增加，全社會(huì)對(duì)于大學(xué)生安全運(yùn)動(dòng)的關(guān)注程度越來(lái)越高。但是目前對(duì)于大學(xué)生安全運(yùn)動(dòng)量模型的研究不多，導(dǎo)致體育工作者只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷運(yùn)動(dòng)量，缺乏嚴(yán)格、精確的數(shù)學(xué)模型給出合理運(yùn)動(dòng)量。

對(duì)于體溫的檢測(cè)，常用的方法有以下幾種：用傳統(tǒng)水銀溫度計(jì)直接測(cè)量肛溫、腋溫；用耳溫槍測(cè)量額溫、耳溫；用紅外測(cè)溫模塊測(cè)量體溫[1]；佩戴式體溫測(cè)量裝置。

傳統(tǒng)水銀溫度計(jì)是目前使用最為廣泛的體溫測(cè)量方法，具有性價(jià)比高和易消毒等優(yōu)點(diǎn)[2]。然而用水銀溫度計(jì)測(cè)溫主要是測(cè)量腋溫或肛溫，測(cè)量時(shí)一般不把體溫計(jì)放在口腔中，以免咬碎水銀溫度計(jì)，造成安全隱患。水銀溫度計(jì)測(cè)量法耗時(shí)較長(zhǎng)，操作難度大，測(cè)溫較為精準(zhǔn)。

耳溫槍測(cè)量體溫是近幾年新興的體溫測(cè)量方法[3]。耳溫槍也是紅外測(cè)溫的一種，它利用檢測(cè)鼓膜發(fā)出的紅外線獲取體溫[4]。由于耳溫槍操作簡(jiǎn)便，測(cè)量時(shí)間短，測(cè)溫精準(zhǔn)，受到了歡迎，在日常生活中也得到了較為廣泛的運(yùn)用。

紅外測(cè)溫模塊測(cè)體溫一般采用紅外體溫傳感器MLX90614，這種測(cè)溫方式利用單片機(jī)來(lái)處理溫度數(shù)據(jù)[5]，通過(guò)藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)上。這種測(cè)溫方式快速準(zhǔn)確，理論上能實(shí)現(xiàn)體溫自動(dòng)檢測(cè)。

佩戴式體溫測(cè)量裝置[6]像帽子一樣佩戴在頭部，通過(guò)傳感器接觸額頭，直接測(cè)量體溫，經(jīng)芯片處理后，通過(guò)藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)上[7-9]。

熱成像技術(shù)在國(guó)內(nèi)外深受重視，都在積極進(jìn)行研發(fā)，其中比較著名的有FLIR 公司、洛克希德·馬丁公司、IRCOE 等。Lepton 熱成像攝像頭屬于第二代熱成像儀，它運(yùn)用了紅外焦平面陣列等先進(jìn)技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)代微電子工藝，將十幾萬(wàn)個(gè)紅外探測(cè)器按照一定的規(guī)則集成在指甲蓋大小的芯片上。第二代熱成像儀不需要像單點(diǎn)式熱成像儀進(jìn)行掃描就可獲得被測(cè)物體的熱成像。第二代熱成像儀體積小、功耗低，得到廣泛運(yùn)用。

系統(tǒng)探討了一種學(xué)生運(yùn)動(dòng)前后體溫變化的測(cè)量系統(tǒng)，基于此，專業(yè)人員可以合理設(shè)計(jì)安全運(yùn)動(dòng)量模型。系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)體溫測(cè)量耗時(shí)[10]、誤差大[11]等缺點(diǎn)，使用熱成像技術(shù)[12]以及樹(shù)莓派[13]對(duì)學(xué)生體溫進(jìn)行測(cè)量，基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，可以為后續(xù)構(gòu)建大學(xué)生安全運(yùn)動(dòng)量模型提供重要的研究基礎(chǔ)。

1 硬件系統(tǒng)

1.1 硬件系統(tǒng)總框圖

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，通過(guò)Lepton 熱成像攝像頭獲取學(xué)生熱成像圖像，經(jīng)由樹(shù)莓派進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后在顯示屏上顯示出熱成像圖像和溫度值，再根據(jù)溫度值與正常體溫進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)體溫過(guò)高時(shí)發(fā)出警告。

圖1 硬件總框圖

1.2 Lepton攝像頭

系統(tǒng)選取如圖2 所示的Lepton 熱成像攝像頭。Lepton VoSPI 協(xié)議允許通過(guò)SPI 通道高效且可驗(yàn)證傳輸視頻。該協(xié)議是基于數(shù)據(jù)包的，沒(méi)有嵌入式定時(shí)信號(hào)，也不需要流量控制。主機(jī)啟動(dòng)所有事務(wù)并控制時(shí)鐘速度。數(shù)據(jù)可以靈活的速度從Lepton（從機(jī)）中拉出。圖中描繪了這種靈活性，顯示了利用大部分可用幀周期的相對(duì)較慢的時(shí)鐘以及使用突發(fā)幀數(shù)據(jù)的快速時(shí)鐘。一旦給定幀的所有數(shù)據(jù)都被讀取，主設(shè)備可以選擇停止時(shí)鐘或取消芯片選擇直到下一個(gè)可用幀?；蛘?，主設(shè)備可以簡(jiǎn)單地將時(shí)鐘和芯片選擇保持為啟用狀態(tài)，在這種情況下，Lepton 將丟棄數(shù)據(jù)包，直到下一個(gè)有效的視頻數(shù)據(jù)可用。

圖2 Lepton 相機(jī)實(shí)物圖

1.3 樹(shù)莓派

樹(shù)莓派（Raspberry Pi），由本·阿普頓和其同事在英國(guó)發(fā)明，商業(yè)版本于2012 年年初正式發(fā)售。樹(shù)莓派是一個(gè)只有手掌大小的可編程計(jì)算機(jī)，雖然體積小，但性能十分強(qiáng)大，具備筆記本電腦的基本功能，只要接上鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等外設(shè)裝備，就能進(jìn)行玩游戲、看視頻、文字處理等一系列功能。同時(shí)，由于樹(shù)莓派十分便宜、占據(jù)空間小，常被電子愛(ài)好者們用于項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)智能家居、智能小車(chē)、視頻監(jiān)控等很多創(chuàng)意。

系統(tǒng)采用的是樹(shù)莓派3B 型，采用64 位的1.2GHz 四核ARM Cortex-A53 芯片為微型電腦主板，采用SD卡作為內(nèi)存存儲(chǔ)空間，USB 端口外接鼠標(biāo)鍵盤(pán)，HDMI 接口外接顯示器。同時(shí)作為最新一代樹(shù)莓派，它還擁有Wifi 上網(wǎng)和藍(lán)牙4.1 等功能。

2 軟件系統(tǒng)概述

2.1 軟件方案設(shè)計(jì)

在確定用熱成像攝像頭測(cè)量體溫后，系統(tǒng)有兩套方案可供選擇：

方案一用Lepton 熱成像攝像頭獲取熱成像后，對(duì)圖像進(jìn)行人臉識(shí)別，以人的眼睛為特征點(diǎn)，用方框選取人臉部分。再對(duì)人臉位置進(jìn)行判斷，截取出額頭部分的圖像。然后，針對(duì)額頭部分的熱成像圖像進(jìn)行圖像處理，根據(jù)RGB 色彩查詢表，得到額頭圖像中每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度值。最后，求均值得到學(xué)生額頭部分的溫度。

方案二從SPI 端口抓取數(shù)據(jù)包，從數(shù)據(jù)包中獲取熱成像攝像頭采集的原始數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過(guò)進(jìn)制轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制溫度值。

Lepton 熱成像攝像頭獲得的熱成像圖像是偽彩色圖像，即熱成像圖像是先測(cè)得溫度數(shù)據(jù)，再通過(guò)數(shù)據(jù)繪制得到。Lepton 采用氧化釩薄膜的熱敏作用，測(cè)的溫度數(shù)值歸一化處理后再乘以256 得到對(duì)應(yīng)RGB 色彩值。所以最后產(chǎn)生的熱成像圖像只是對(duì)溫度的一個(gè)直觀表示，通過(guò)圖像處理來(lái)識(shí)別色彩溫度是本末倒置。

與此同時(shí)，經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)（如圖3 所示），最終得到的人臉的熱成像圖像色彩分布較為均勻，眼睛溫度顏色和面部顏色幾乎無(wú)差別，因此，無(wú)法通過(guò)眼睛作為特征點(diǎn)進(jìn)行人臉識(shí)別。

基于上述研究，該系統(tǒng)采用方案二，提出了一套成像和測(cè)溫的方法，軟件總流程圖如圖4 所示。首先，配置樹(shù)莓派，在樹(shù)莓派中裝入系統(tǒng)，將Lepton 熱成像攝像頭與樹(shù)莓派正確連線。測(cè)得原始數(shù)據(jù)后，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成RGB 數(shù)據(jù)，根據(jù)RGB 數(shù)值繪制出熱成像圖像。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，得到體溫?cái)?shù)據(jù)。再對(duì)體溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行判定，學(xué)生體溫過(guò)高時(shí)發(fā)出報(bào)警。

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度與人體體溫差異較大，該系統(tǒng)適用的環(huán)境溫度一般低于30 ℃，因此，選取30 ℃作為閾值，將高于30 ℃的溫度數(shù)據(jù)判定為體溫?cái)?shù)據(jù)，將低于30 ℃的溫度數(shù)據(jù)判定為環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。分離環(huán)境溫度數(shù)據(jù)和體溫?cái)?shù)據(jù)過(guò)后，對(duì)體溫?cái)?shù)據(jù)求均值，得到體溫?cái)?shù)據(jù)。最后將體溫?cái)?shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)體溫37 ℃進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)體溫高于37 ℃時(shí)，輸出高電平，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。

圖3 熱成像面部圖

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

2.2.1 樹(shù)莓派配置部分

樹(shù)莓派與熱成像的配置過(guò)程如圖5 所示，完成熱成像攝像頭與樹(shù)莓派的接線之后，先在樹(shù)莓派上搭載好NOOBS 系統(tǒng)，再通過(guò) Advanced Options 設(shè)置 SPI 和 I2C，并實(shí)現(xiàn) SPI、I2C 功能。Lepton 熱成像攝像頭通過(guò) SPI讀取測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，逐行掃描顯示熱成像。通過(guò)I2C 接口，Lepton 可以設(shè)置相機(jī)的參數(shù)。

圖4 軟件總體流程圖

圖5 樹(shù)莓派配置圖

熱成像的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖6 所示。先通過(guò)氧化釩薄膜（相當(dāng)于熱敏電阻）測(cè)得原始數(shù)據(jù)，范圍為[0，5 536]，然后從SPI 中讀取數(shù)據(jù)。Lepton 熱成像攝像頭像素為80×60，一幀圖像有60 行，每行打包成一個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包中有80 個(gè)16bit 整型數(shù)據(jù)。將每一幀圖像的數(shù)據(jù)放在一個(gè)數(shù)組中，找出每個(gè)數(shù)組中的最大值和最小值，對(duì)最大最小值求差，然后歸一化，之后乘以256 得到對(duì)應(yīng)的RGB 數(shù)值，最后根據(jù)RGB 數(shù)值繪制出熱成像圖像。

圖6 熱成像實(shí)現(xiàn)圖

2.2.2 溫度讀取部分

系統(tǒng)溫度讀取流程圖如圖7 所示。先抓取Lepton 熱成像攝像頭測(cè)得的原始數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)。之后對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，最終以30 ℃為分界值。將數(shù)值高于30 的數(shù)據(jù)歸于體溫?cái)?shù)據(jù)，低于30 的數(shù)據(jù)歸于環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。最后對(duì)體溫?cái)?shù)據(jù)求均值，得到體溫?cái)?shù)據(jù)。將體溫?cái)?shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)體溫37 ℃比較，當(dāng)溫度高于37 ℃時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，提醒及時(shí)留意學(xué)生體溫過(guò)高的情況。

圖7 溫度讀取流程圖

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

學(xué)生體溫過(guò)高預(yù)防系統(tǒng)的實(shí)物如圖8 所示，系統(tǒng)主要由顯示屏、Lepton 熱成像攝像頭、樹(shù)莓派和蜂鳴器組成。

將樹(shù)莓派與Lepton 熱成像攝像頭正確連線后，在樹(shù)莓派上安裝NOOBS 系統(tǒng)，進(jìn)入圖形界面后，通過(guò)指令，配置SPI、I2C 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，下載QT，配置熱成像攝像頭文件，最后成功實(shí)現(xiàn)成像。圖9 是色彩溫度對(duì)應(yīng)圖，表示了熱成像圖像色彩與溫度之間的關(guān)系，溫度越高，色譜越向暖色端偏移，圖像更亮；溫度越低，色譜向冷色端偏移，圖像更暗。

實(shí)現(xiàn)熱成像功能后，對(duì)體溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，先測(cè)得面部溫度，再用熱水模擬體溫過(guò)高的情況。當(dāng)Lepton 熱成像攝像頭面向熱水時(shí)，溫度過(guò)高，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。圖10 是面部測(cè)溫圖，為測(cè)量面部溫度時(shí)的實(shí)驗(yàn)照片。圖11 是體溫過(guò)高模擬圖，拍攝了用熱水模擬體溫過(guò)高時(shí)的實(shí)驗(yàn)照片。

圖8 學(xué)生體溫過(guò)高預(yù)防系統(tǒng)實(shí)物

圖9 色彩溫度對(duì)應(yīng)圖

圖10 面部測(cè)溫圖

圖11 體溫過(guò)高模擬圖

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還采集了100 組體溫?cái)?shù)據(jù)，對(duì)測(cè)量體溫的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。

3.2 結(jié)果分析

溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)進(jìn)制轉(zhuǎn)換后，在電腦上通過(guò)串口輸出，考慮到測(cè)量準(zhǔn)確性，選取嬰兒體溫作為測(cè)試對(duì)象，其中串口數(shù)據(jù)如圖12 所示。最終數(shù)據(jù)選取了100 組體溫?cái)?shù)據(jù)作樣本，發(fā)現(xiàn)體溫在34.98～35.69 ℃間波動(dòng)，均值為35.25 ℃。與測(cè)試結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，熱成像測(cè)得的體溫與真實(shí)體溫有一定誤差，誤差大致為4.7%。

圖12 串口數(shù)據(jù)

經(jīng)分析，誤差原因如下：

測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，熱成像溫度的準(zhǔn)確性與被測(cè)目標(biāo)之間的距離有關(guān)，距離越遠(yuǎn)，測(cè)得的體溫誤差越大。當(dāng)測(cè)溫距離超過(guò)1 m 時(shí)，Lepton 熱成像攝像頭無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量目標(biāo)體溫。雖然可以通過(guò)調(diào)整攝像頭焦距來(lái)延長(zhǎng)測(cè)溫距離，但隨之成像的清晰度也會(huì)下降。同時(shí)，學(xué)生體表溫度并不能完全代表體腔內(nèi)的溫度，尤其是非接觸紅外測(cè)溫時(shí)，面部溫度會(huì)有所損失，達(dá)不到37 ℃。人所處環(huán)境中空氣的濕度和溫度也會(huì)影響熱成像測(cè)溫的精準(zhǔn)度。

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)對(duì)大學(xué)生運(yùn)動(dòng)前后體溫變化進(jìn)行探究，提出一套采用熱成像攝像頭檢測(cè)學(xué)生體溫的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)采用FLIR 公司生產(chǎn)的Lepton 熱成像攝像頭和樹(shù)莓派，打破了傳統(tǒng)的接觸式測(cè)溫模式，根據(jù)人體的紅外輻射能量來(lái)確定人體溫度，具有測(cè)溫速度快、測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)精度高等優(yōu)點(diǎn)，也避免了感溫裝置貼身使用給學(xué)生帶來(lái)的不適。和其他紅外傳感器檢測(cè)的方法相比，熱成像體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用熱成像攝像頭，監(jiān)控范圍廣，有熱成像圖像作出反饋，家長(zhǎng)可實(shí)時(shí)了解學(xué)生體溫狀況和睡眠情況，設(shè)備更加先進(jìn)，測(cè)量更加精準(zhǔn)，報(bào)警更加及時(shí)。

實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)熱成像攝像頭測(cè)量體溫方案可行，學(xué)生體溫過(guò)高時(shí)發(fā)出報(bào)警，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。該設(shè)計(jì)采用的熱成像攝像頭的優(yōu)勢(shì)在于非接觸式測(cè)溫，不會(huì)對(duì)學(xué)生帶來(lái)不適，不產(chǎn)生任何輻射，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染和健康威脅。同時(shí)，熱成像攝像頭能24 h 持續(xù)測(cè)量學(xué)生體溫，可有效得到大量準(zhǔn)確的體溫?cái)?shù)據(jù)。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)還存在不足。首先，學(xué)生體表溫度受環(huán)境影響較大，通過(guò)非接觸熱成像測(cè)溫不精準(zhǔn)。其次，學(xué)生姿勢(shì)改變，面部在熱成像攝像機(jī)的拍攝死角，采集不到面部照片。針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題，解決方案為：將測(cè)量地點(diǎn)放置于室內(nèi)，一般室內(nèi)溫濕度變化不大，對(duì)熱成像測(cè)溫的影響較小。縮短熱成像攝像機(jī)與學(xué)生距離，使成像更加清晰，測(cè)量更加精準(zhǔn)。同時(shí)，由于學(xué)生體表溫度低于體腔溫度，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，編程時(shí)適當(dāng)降低報(bào)警閾值，提高報(bào)警的準(zhǔn)確率。調(diào)整測(cè)溫的角度，在經(jīng)濟(jì)允許的情況下，采用多個(gè)紅外攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)檢測(cè)，多角度拍攝，綜合采集數(shù)據(jù)并匯總。