基于非接觸式的紅外智能測溫系統(tǒng)

關(guān)爽，蔣志豪，陳茜，徐紀(jì)明，劉夢平，胡安正(通訊作者)

（湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖北襄陽，441053）

0 引言

在流行傳染病防控常態(tài)化的大趨勢下，我國人口基數(shù)大，且老齡化程度嚴(yán)重，新冠疾病對于老年人又有極高致死率。同時人口流動量大、部分地區(qū)居住密集度高等一系列問題給防控常態(tài)化帶來了很大的阻礙。目前國內(nèi)現(xiàn)有的疫情防控措施主要存在以下問題：風(fēng)險較大的測量方式；密切接觸者排查過慢等。介于以上弊端，本文通過以下形式來處理：利用AI人臉識別紅外測溫檢測設(shè)施，將用戶的體溫數(shù)據(jù)和位置信息關(guān)聯(lián)，當(dāng)該地確診感染者后，可以統(tǒng)計到過該地區(qū)的人員，找到密切接觸者。利用AI測溫和大數(shù)據(jù)技術(shù)，對疫情傳播路線和密切接觸者進(jìn)行精準(zhǔn)排查，疫情防控工作將會更加及時、準(zhǔn)確和嚴(yán)密，疫情防控的社會成本也將大幅降低。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖1 系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)主要由超聲波測量被測對象距紅外熱像測溫儀的最佳距離，然后由紅外傳感器MLX90612將測量的結(jié)果傳給STM32單片機。由OLED液晶顯示屏顯示出被測對象的體溫，同時設(shè)置一個閾值，若體溫高于這個閾值，蜂鳴器會報警，同時攝像頭會抓拍檢測對象，上傳到數(shù)據(jù)庫中心。通過紅外熱成像儀對檢測對象進(jìn)行體溫檢測并將檢測對象的面部狀態(tài)信息拍攝下來，將信息保存下來，實時上傳至連接的云端數(shù)據(jù)庫中，各個檢測設(shè)備所在場所的管理人員可以隨時通過云端后臺查看當(dāng)前場所錄入的數(shù)據(jù)信息。當(dāng)數(shù)據(jù)信息上傳至云端后，后臺系統(tǒng)會自動對各場所錄入信息進(jìn)行集中處理分析，然后對各場所給予相應(yīng)風(fēng)險等級，個人用戶可以通過個人用戶端查看到各場所的風(fēng)險等級再決定是否前往該場所。當(dāng)發(fā)現(xiàn)聚集地大量人群體溫異常時，會在后臺預(yù)警，同時根據(jù)體溫異常人員的面部狀態(tài)信息，結(jié)合大數(shù)據(jù)初步判斷異常原因，面部狀態(tài)信息也可以更快的幫助工作人員定位到每個人的位置。

2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

■2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 微處理器STM32F10332RCT6

本系統(tǒng)選用的微型處理器為STM32系列的F103RCT6，STM32F103RCT6是一種嵌入式-微控制器的集成電路(IC)，芯體規(guī)格是32位，速度是72MHz，程序存儲器容量是256KB，程序存儲器類型是FLASH，RAM容量是48K。兼容IIC、SPI等多種通信模式，其硬件原理圖如圖2所示。

2.1.2 非接觸式紅外傳感器MLX90612

非接觸式紅外測溫是依據(jù)被測物體的紅外輻射能量來計算出物體的溫度,具有溫度分辨率高、響應(yīng)速率快、穩(wěn)定性好等特點。MLX90612與單片機之間通過SMBus通信，由于單片機無SMBus接口，所以需要通過單片機的I/O口來模擬SMBus進(jìn)行串行通信。其工作原理為利用物體往外輻射紅外光，通過測量紅外光來計算物體溫度，傳感器輸出的溫度信號經(jīng)過內(nèi)部低噪聲的運算放大器放大后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號通過可編程FIR及IIR低通數(shù)字濾波器處理后輸出,輸出結(jié)果存儲在其內(nèi)部RAM存儲單元中[1]。

2.1.3 超聲波測距模塊

超聲波測距模塊主要采用HC-SR04模塊，其工作原理為超聲波模塊HC-SR04利用IO觸發(fā)測距，模塊自動發(fā)送8個40Khz的方波，檢測是否有信號返回，若有信號返回則IO輸出一高電平，測試距離就等于高電平時間×聲速。測得當(dāng)前障礙距離，然后傳輸?shù)絊TM32F103RCT6單片機里面，然后STM32F103RCT6單片機作為核心處理器，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并通過OLED液晶顯示屏顯示當(dāng)前測得的距離值。HC-SR04超聲波測距系統(tǒng)最大測量距離可達(dá)5.5m左右，其精度可精確到0.5%左右。在測量時，將檢測對象放先安排到最佳檢測位置，當(dāng)檢測對象的體溫超過設(shè)置閾值時，蜂鳴器會報警，OLED液晶顯示屏?xí)@示異常，同時上傳數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫。

圖2

圖3

■2.2 數(shù)據(jù)上傳實現(xiàn)

2.2.1 主要思想

本系統(tǒng)設(shè)計在軟件編程的過程中主要使用VC6.0+opencv、MATLAB、mdk4.0等軟件。由于紅外傳感器因為環(huán)境溫度、光強等一系列因素的影響，所采集的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，且偏差較大，因此我們對所采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，其方法為先定義一個有效采集值區(qū)間以及濾波數(shù)組，采集獲得有效值，賦值給濾波數(shù)組，通過不斷的滑動數(shù)據(jù)過濾掉噪聲。最終通過對溫度數(shù)據(jù)的加權(quán)濾波、均值濾波，實現(xiàn)傳感器測得的體溫數(shù)據(jù)與實際體溫數(shù)據(jù)只具有較小的誤差，實現(xiàn)遠(yuǎn)程對人體體溫數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)測量。

圖4 數(shù)據(jù)上傳流程

2.2.2 實現(xiàn)方法

系統(tǒng)上電之后OLED進(jìn)行初始化并且清屏，需要顯示時給OLED設(shè)置坐標(biāo)（頁地址、行地址），然后通過硬件IIC給OLED寫數(shù)據(jù)（需要有一個開始信號），循環(huán)寫入直至所有所有數(shù)據(jù)都寫完。OLED液晶顯示屏采用IIC協(xié)議與STM32F103連接，此時只需四個引腳（VCC、GND、SDA、SCL）即可實現(xiàn)通信，其通信協(xié)議時序圖如圖5所示。

圖5

超聲波模塊的硬件定義為TRIG 與ECHO為PA10與PA9，首先對需要使用的IO口、定時器進(jìn)行初始化，開啟定時器，通過獲取定時器的計數(shù)值來推算出距離。

此時，紅外溫度傳感器一直對范圍內(nèi)同行人員進(jìn)行溫度測量，使用者可通過按鍵操作對紅外溫度傳感器進(jìn)行控制，同時記錄鏈接用戶數(shù)據(jù)并通過物聯(lián)網(wǎng)模塊上傳服務(wù)器端。

數(shù)據(jù)上傳流程主要為當(dāng)檢測對象在預(yù)定位置測量體溫后，讀取紅外溫度傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行體溫數(shù)據(jù)校準(zhǔn)[2]，并檢測網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)建上報云端的Payload，最后將數(shù)據(jù)上報到云端。檢測體溫數(shù)據(jù)低于正常人體溫度范圍（34-41℃）時，則上報數(shù)據(jù)0，高于正常人體溫度范圍時，則上報數(shù)據(jù)1；檢測人體體溫位于37.3-41℃范圍之間，則上報數(shù)據(jù)2。

3 結(jié)束語

基于非接觸式的的紅外智能測溫系統(tǒng)是在傳統(tǒng)紅外測溫儀的基礎(chǔ)上，新增了人臉識別的模塊，當(dāng)通行人員進(jìn)行紅外體溫檢測時，可智能去除口罩，對其前額、面部皮膚溫度進(jìn)行同時測量，通過攝像頭抓取受檢人的面部狀態(tài)信息并上傳至后臺數(shù)據(jù)庫。整個測量過程是非接觸式，可以提高測量效率以及避免接觸感染，是一種精準(zhǔn)的高可靠性無感知測量模式[3]。對體溫超出設(shè)定正常溫度范圍的受檢人員，終端會發(fā)出異常警報，并顯示其體溫，同時根據(jù)其面部狀態(tài)信息結(jié)合大數(shù)據(jù)分析其身體可能存在的問題，為人員篩查降低難度[4]。產(chǎn)品設(shè)計遵照經(jīng)濟(jì)實用、安全可靠的設(shè)計原則，為體溫檢測、疾控篩查提供的人臉識別+體溫檢測的管理系統(tǒng)。系統(tǒng)未來還可以應(yīng)用于門禁系統(tǒng)中，為通行管理提供更加可靠的方式。