公共衛(wèi)生事件下著裝安全識別系統(tǒng)*

重慶第二師范學(xué)院 唐杰，涂開俊，楊宗儡，冉軍槐

一、概述

自2020年新冠疫情爆發(fā)以來，全世界開始對對疫情進(jìn)行防控。規(guī)范人們在疫情期間的著裝安全成為重中之重，對人員集中場所進(jìn)行管控成為防疫環(huán)節(jié)中的重要一環(huán)。為有效阻止疫情的傳播與蔓延，國家衛(wèi)生健康委規(guī)定大家日常出行均須佩戴口罩，但是市民自覺佩戴口罩的意識較弱，曾多次出現(xiàn)人員聚集性感染現(xiàn)象。在人員流量大的地方采用人工方式進(jìn)行人體的溫度測量和觀察人員口罩的佩戴情況效率低下，會造成人力資源浪費。因此，可以使用人臉識別技術(shù)自動識別行人的口罩佩戴情況，實現(xiàn)高效無接觸式檢測，以及采用紅外測溫對來往的行人體溫進(jìn)行測量，人員在未佩戴口罩和體溫過高的情況下不予通過。

疫情著裝安全系統(tǒng)使用MLX90614系列紅外測溫模塊進(jìn)行溫度檢測，結(jié)合STM32單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計，通過算法運(yùn)算進(jìn)行溫度測量和報警。人臉識別和口罩識別采用了openMV攝像頭模組，該攝像模組操作簡單，可以使用openMV IDE安裝面部識別固件，用對應(yīng)的命令讓單片機(jī)控制openMV模塊。門禁系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)控制閘門的開關(guān)，網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)采用低功耗EPS8266WiFi模塊，為保證低成本、高效性，可進(jìn)行相關(guān)閾值調(diào)節(jié)。

二、硬件設(shè)計

硬件分為三大功能：面部識別、溫度測量和門禁系統(tǒng)。（見圖1）

圖1 硬件設(shè)置

其中，主控單片機(jī)使用STM32F 103ZET6，人臉識別模塊使用openMV，溫度傳感器使用MLX90614測溫模塊，門禁系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)控制，網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)采用低功耗EPS8266 WiFi模塊。

（一）單片機(jī)簡介

STM32F103ZE系列是32位基于ARM的M3芯片，最高72MHz工作頻率，在存儲器的0等待周期訪問時可達(dá)1.25DMips/MHz，容量高達(dá)512k字節(jié)，具有強(qiáng)大的功能，USB、CAN、11個定時器、3個ADC、13個通信接口具有低功耗、高性價比高，便捷性好、模塊化編程等優(yōu)點。（見圖2）

圖2 單片機(jī)設(shè)置

（二）openMV模塊

openMV是一款可編程的攝像頭模組，是OpenMV國內(nèi)代理——星瞳科技的OpenMV產(chǎn)品來，只需要針對應(yīng)用場景編寫程序邏輯即可實現(xiàn)復(fù)雜的視覺處理功能，所以要實現(xiàn)面部識別相對容易。使用openMV IDE 安裝面部識別固件，可以使用對應(yīng)的命令讓單片機(jī)控制openMV模塊。openMV可以實現(xiàn)顏色識別、形狀識別、矩陣識別、機(jī)器人巡線、圓形識別、直線識別、人臉識別、眼球識別、邊緣檢測等。openMV專用的IDE下載好面部識別的固件就可以使用單片機(jī)串口控制openMV和接收數(shù)據(jù)，另外，openMV支持最高32G的外設(shè)SD卡，所以錄入人臉也可以選擇存儲到openMV本地SD卡中。

（三）溫度傳感器

MLX90614是一種紅外溫度計，用于非接觸式溫度測量。紅外測溫是根據(jù)被測物體的紅外輻射能量來確定物體的溫度，不與被測物體接觸，具有不影響被測物體溫度分布場，溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、測溫范圍廣、不受測溫上限的限制、穩(wěn)定性好等特點。MLX90614被測目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度通過IIC接口輸出，適合于汽車空調(diào)、室內(nèi)暖氣、家用電器、手持設(shè)備以及醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用等。本項目中，單片機(jī)使用IIC接收MLX90614數(shù)據(jù)后，實時在屏幕上顯示被測人溫度，并及時上傳至服務(wù)器。

（四）ESP8266 WiFi模塊

ESP8266系列模組是深圳安信可(Aithinker)公司開發(fā)的一系列基于樂鑫ESP8266EX的超低功耗的UART-WiFi模塊的模組，可以方便地進(jìn)行二次開發(fā)，接入云端服務(wù)。而且ESP8266具有GPIO、PWM、I2C、1-Wire、ADC等豐富的外圍接口有完善的AT指令固件，相較于直接使用AiThinkerIDE編程來說便捷不少，本項目主要使用ESP8266的AT指令，通過串口接收發(fā)送AT指令來控制單片機(jī)和接收單片機(jī)發(fā)出的信號，從而實現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的通信，并且也可以進(jìn)一步控制單片機(jī)的外圍設(shè)備。

（五）門禁系統(tǒng)

門禁采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動閘門，電機(jī)驅(qū)動器可根據(jù)閘門大小而定，若閘門較大，則采用大功率驅(qū)動器，反之使用小功率驅(qū)動器。門禁系統(tǒng)采用多個邏輯判斷來控制閘門開合：被測人溫度、是否佩戴口罩、是否為合法進(jìn)出人員。若進(jìn)出人員有一項不符合條件的，都不允許放入。另外，系統(tǒng)還采用IC卡閱讀器，防止因為面部識別模塊發(fā)生無法識別人員的情況，方便人員出入。

三、軟件系統(tǒng)功能與目標(biāo)

本系統(tǒng)視頻數(shù)據(jù)的采集與傳輸是openMV模塊和ESP8266WIFI模塊的主要工作，而服務(wù)器則是連接工作設(shè)備的重要樞紐，它與客戶端、openMV等設(shè)備相連接，具備信息存儲、分發(fā)控制指令和顯示實時數(shù)據(jù)等功能。本視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由客戶終端、服務(wù)器、openMV模塊和MLX90614測溫模塊構(gòu)成。首先，服務(wù)器端接收到網(wǎng)關(guān)設(shè)備ESP8266所傳輸?shù)男畔?，將openMV處理過的信息經(jīng)過調(diào)制解碼后進(jìn)行分類、邏輯判斷處理，最終形成指令信息和可視實時數(shù)據(jù)，分別再輸送給終端設(shè)備執(zhí)行和客戶端顯示。在實際的工作環(huán)節(jié)中，系統(tǒng)主要采用了特化的人臉識別技術(shù)（可識別是否佩戴口罩），系統(tǒng)的中心為服務(wù)器端，服務(wù)器同時還具備著存儲、查詢、解析和處理終端機(jī)送來的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、管理辨析人員身份和著裝信息的作用。本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 疫情人臉識別溫度安全識別系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

（一）軟件系統(tǒng)邏輯設(shè)計

軟件系統(tǒng)的功能邏輯流程如圖4所示。當(dāng)終端機(jī)采集圖像后，openMV模塊先判斷圖像中是否存在人臉，如果不存在人臉，則輸出“no face”，如果存在人臉，則先框出人臉，再判斷圖像中人臉是否佩戴口罩，對應(yīng)輸出結(jié)果“has mask”或“no mask”，同時和MLX90614測溫模塊所采集到的體溫數(shù)據(jù)一并反饋給服務(wù)器。由服務(wù)器進(jìn)行解析判定被測人員狀態(tài)是否安全，并輸出“danger”或“safe”。如果狀態(tài)為危險，顯示屏顯示“danger”，背景色變?yōu)榧t色，并顯示危險項目，體溫過高或未佩戴口罩，并發(fā)出警報。如果狀態(tài)為安全，顯示屏顯示“safe”，背景色變?yōu)榫G色。

圖4 軟件系統(tǒng)的功能邏輯流程

（二）客戶端邏輯設(shè)計

客戶端采用QT Creator軟件進(jìn)行開發(fā)，并采用QT信號與槽機(jī)制進(jìn)行事件響應(yīng)，用戶直接從客戶端界面進(jìn)入系統(tǒng)，監(jiān)控模塊與無線傳感網(wǎng)絡(luò)都嵌于STM32F103ZET6當(dāng)中，本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖5所示。

圖5 客戶端系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

四、總結(jié)

在本系統(tǒng)中，我們給人臉識別的數(shù)據(jù)提供了可選項，用戶可以通過手動選擇將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，增加數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)內(nèi)容量，或者直接儲存在openMV模塊內(nèi)，提高openMV模組的處理速率。方案內(nèi)的可視化QT界面可以節(jié)省用戶的時間和精力，操作簡單易學(xué)，大大降低了后續(xù)的推廣難度。本識別系統(tǒng)還展示了面部識別技術(shù)的使用，用于人員出入的人臉數(shù)據(jù)采集和識別，并在進(jìn)一步處理過程中，此識別記錄可用于統(tǒng)計人員流動的相關(guān)問題。