物聯(lián)網(wǎng)一體化疫情檢測系統(tǒng)設(shè)計

王哲磊，梁廣宇，袁 滿，潘越豐，錢濤杰

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，天津 300222)

0 引言

隨著我國抗疫工作取得初步成果，各行各業(yè)開始積極恢復(fù)工作和生產(chǎn)，因此，對于火車站、機場、地鐵站、學(xué)校機構(gòu)、事業(yè)單位等場所的人員出入管理和防疫檢查顯得尤為重要。但在日常的人員出入管理中，存在體溫記錄不準確、測量精度不高、身份登記和認證操作繁瑣、工作人員不到位、檢疫過程復(fù)雜等問題。針對這些問題，本文致力于研究一種疫情下的身份識別和一體化檢測系統(tǒng)，用于學(xué)校、機場、火車站、商場、公園等人員流動性大的公共場所，對人員進出時的身份信息進行人臉識別及身份信息的采集，同時解決測溫、消毒等繁瑣的防疫檢測問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)一體化疫情檢測系統(tǒng)采用STM32系列單片機作為主控芯片，使用OpenMV視覺模塊、MLX90614紅外測溫傳感器、USART串口屏等外設(shè)，實現(xiàn)非接觸溫度測量與身份識別功能。通過OpenMV機器視覺模塊結(jié)合LBP(Local Binary Pattern)處理算法，使用MLX90614紅外測溫傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給主控芯片，并由主控芯片依據(jù)預(yù)設(shè)程序處理、判斷數(shù)據(jù)，執(zhí)行溫度測量與身份識別功能，將信息利用串口屏進行人機交互，同時用語音播報模塊進行報警及相關(guān)操作提示。系統(tǒng)可自動對進出門禁的人員進行身份識別、體溫檢測、消毒殺菌、異常預(yù)警等操作，同時完成相關(guān)數(shù)據(jù)上傳云端處理，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行云端設(shè)備和云下設(shè)備上傳下發(fā)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 系統(tǒng)實現(xiàn)原理

用戶首先在系統(tǒng)中輸入人臉信息，系統(tǒng)可以自動檢測身份信息并判斷是否佩戴口罩。同時，非接觸式測溫模塊對人體進行體溫測量。如果溫度高于正常值，系統(tǒng)將語音報警并上傳到云端進行錄音；當(dāng)體溫正常并戴上口罩時，系統(tǒng)會自動對進出的人進行酒精消毒，然后打開門禁。

2.1 非接觸測溫方法設(shè)計

非接觸測溫使用的是紅外測溫器，由光電探測器、光學(xué)系統(tǒng)、信號放大器等部分組成[2]。MLX90614系列溫度測量模塊采用81101熱電元件作為紅外檢測部分，通信采用SMBus(System Management Bus)協(xié)議。輸出是被測物體溫度(To)和傳感器自身溫度(Ta)綜合作用的結(jié)果。在理想情況下，熱電元件的輸出電壓為：

Vir=A(To4-Ta4)

(1)

其中，溫度的單位為開爾文，A為元件的靈敏度常數(shù)。目標溫度和環(huán)境溫度由集成熱電偶81101測量。81101熱電元件發(fā)出的2個溫度信號由內(nèi)部設(shè)備MLX90302上高性能、低噪聲的穩(wěn)態(tài)放大器放大，然后由17位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)字信號處理單元(DSP)輸出。使用時，SMBus編程可以修改模塊EEPROM中的預(yù)設(shè)值，并根據(jù)應(yīng)用需求進行配置，讀取EEPROM中的配置信息和RAM中的溫度等數(shù)據(jù)。

2.2 面部身份識別方法設(shè)計

身份識別通過對面部信息的采集與比對完成。由于每個人都具有獨一無二的生物學(xué)特征，其表現(xiàn)在面部上也各不相同，因此對于面部信息采集可通過LBP(Local Binary Pattern)方法對圖像進行處理，采集不同的面部特征信息，并保存在儲存介質(zhì)內(nèi)，以供之后處理。

3 硬件設(shè)計

3.1 主控模塊

為了實現(xiàn)該設(shè)備的預(yù)期功能，需要選擇一種高性能、多資源、低成本的MCU作為主控芯片。通過比較現(xiàn)有消費市場產(chǎn)品的優(yōu)缺點，選擇STM32系列單片機作為主控芯片。

3.2 非接觸溫度測量模塊

非接觸式溫度傳感器的物理原理是基于物體因其溫度而發(fā)射電磁波的物理現(xiàn)象。由熱引起的電磁波輻射也稱為熱輻射。光譜上的熱輻射范圍一般是一部分紫外線、全部可見光和紅外輻射，其中紅外輻射對人體有顯著的熱效應(yīng)[1]。因此在比對消費市場上現(xiàn)有的紅外測溫傳感器后，筆者發(fā)現(xiàn)MLX90614紅外溫度傳感器具有工作溫度范圍極寬、測量值分辨率高、性能可靠且成本可控的優(yōu)點，采用其作為無接觸溫度測量模塊的核心。經(jīng)實測，該傳感器效果穩(wěn)定，性能可靠。

3.3 身份識別模塊

OpenMV機器視覺模塊作為開源、低成本的機器視覺模塊，它以STM32系列單片機為核心，提供了Python編程接口的OpenMV擁有豐富的第三方支持，易于開發(fā)且功能強大。性能足以滿足需求，成本低且易于使用。

3.4 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

ESP8266具有完整的獨立Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)功能，可以獨立使用，也可以作為其他MCU主機的從機運行。當(dāng)ESP8266獨立應(yīng)用時，能夠直接從外接Flash中啟動。內(nèi)置的高速緩沖存儲器用于提高系統(tǒng)性能，并且優(yōu)化存儲系統(tǒng)。此外，ESP8266只需通過SPI/SDIO接口或UART接口即可作為Wi-Fi適配器，應(yīng)用到基于任何微控制器的設(shè)計中。并且ESP8266集成了天線開關(guān)、射頻、功率放大器、低噪聲放大器、濾波器和電源管理模塊，可滿足系統(tǒng)設(shè)計需求。

位于新疆維吾爾自治區(qū)南部皮山縣境內(nèi)的皮山河流域土質(zhì)松軟、水土流失嚴重、植被稀疏單一，河道兩岸岸坡穩(wěn)定性較差，存在防洪安全隱患；本文針對皮山河流域現(xiàn)狀，結(jié)合該工程生態(tài)護岸治理實踐，對土工石籠袋技術(shù)的應(yīng)用進行探討。

3.5 電源模塊

在電源供電上采用12 V可充電電池進行供電，由于不同的模塊需要不同電壓，因此使用一種可靠的電源降壓及穩(wěn)壓方案是不可缺少的。

采用DC-DC降壓或穩(wěn)壓模塊方案，附加濾波電路抑制干擾，由于單片機功耗較小，采用LDO線性電源。經(jīng)實驗，該方案效果穩(wěn)定，性能可靠。

4 軟件設(shè)計

軟件主體由5大部分組成：測溫部分、人機交互部分、身份識別部分、物聯(lián)網(wǎng)部分、消毒滅菌部分。

4.1 測溫部分

測溫探頭會循環(huán)檢測目標區(qū)域的當(dāng)前溫度，并通過SMBus協(xié)議將溫度數(shù)據(jù)傳遞至協(xié)控芯片，協(xié)控芯片將數(shù)據(jù)通過串口通信協(xié)議回傳至主控芯片處理。

4.2 人機交互部分

串口屏?xí)h(huán)檢測是否有按鍵被觸發(fā)，當(dāng)檢測到有按鍵被按下，則通過串口通信協(xié)議回傳被按鍵信息至主控芯片；同時，循環(huán)顯示來自主控芯片發(fā)來的待顯示數(shù)據(jù)。

4.3 身份識別部分

主控芯片會實時處理來自攝像頭的畫面，檢測是否存在面部，當(dāng)檢測到面部的存在時會捕獲當(dāng)前面部的特征值，檢測是否佩戴了口罩并與本地儲存介質(zhì)中的已有特征值比對，若連續(xù)7 s沒有比對成功則認為身份不符已知任何人，發(fā)出警報；反之則識別成功。若接收到來自串口屏的身份采集學(xué)習(xí)請求，則在一定時間(小于10 min)內(nèi)采集特征值并儲存在本地儲存介質(zhì)。

4.4 物聯(lián)網(wǎng)部分

采用TCP協(xié)議，將Android App和檢測門的主控連接到云端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳下發(fā)，將人員身份信息、通過人數(shù)和體溫數(shù)據(jù)進行云端存儲和處理。

4.5 自動消毒部分

在自動消毒設(shè)備中，消毒劑采用75%乙醇消毒，并根據(jù)病毒的理化性質(zhì)和對紫外線的敏感性，對人手進行紫外線照射，以提高消毒效果。通過設(shè)置雙手消毒時間，防止出入人員未完成消毒即撤出雙手。當(dāng)出入人員按步驟完成消毒殺菌流程時，指示燈顯示綠色，門禁系統(tǒng)開啟閘機設(shè)備；當(dāng)未完成消殺步驟或系統(tǒng)檢測發(fā)生故障時，指示燈顯示紅色。

5 系統(tǒng)測試及結(jié)果

5.1 測試條件及方案

測試條件：室溫15℃、無陽光直射、周圍5 m內(nèi)無其他熱源或冷源。室內(nèi)條件下，攝像頭不處于強逆光下，無正面強光照。

對于測溫功能，測量目標為1組1位測試人員與1瓶水，一共5組，組與組之間無相同對象。測量距離為5～10 cm。設(shè)：以市售測溫槍對上述目標的測量溫度為實際真實溫度。測量內(nèi)容為：目標溫度以及測量溫度與實際真實溫度偏差絕對值。

對于身份識別功能，測試目標為3個測試人員，一共3組，組與組之間無相同對象。每組測試開始前事先存儲該組中2位測試人員的特征值。測試內(nèi)容為：是否成功檢測到口罩；是否識別已知面部特征值的身份；是否可以發(fā)出身份不符警報；是否成功采集學(xué)習(xí)特征值并識別。

對于面部識別，允許在每30 s內(nèi)出現(xiàn)不多于5次的錯誤識別，不視作識別失敗。

5.2 測試結(jié)果

測溫功能測試結(jié)果如表1所示。

表1 測溫功能對人體的測量結(jié)果 單位：℃

身份識別功能測試結(jié)果如表2所示。

表2 身份識別功能測試結(jié)果

經(jīng)測量，在室內(nèi)正常使用無其他干擾源的情況下，有較好的測量識別精確度，性能穩(wěn)定，運行可靠。

6 結(jié)語

本文設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)一體化疫情檢測系統(tǒng)，針對公共場所的進出人員，可自動完成人員身份識別、體溫檢測，消毒殺菌處理及人員信息云端存儲上報，對體溫異常情況進行報警處理；降低檢測和消毒人員的投入，減少防疫工作人員的風(fēng)險。可廣泛應(yīng)用于企事業(yè)單位、學(xué)校、機場火車站、商場、公園等人員流動性大的場所。本系統(tǒng)不僅能夠滿足疫情期間的防疫需要，并且在今后重大傳染疾病的預(yù)防控制上，提供了一種有效解決方法。