云端可視化測溫圖像采集系統(tǒng)設計

劉仲鵬，程偉龍，馬鑫爍

(保定學院，河北 保定 071000)

0 引言

2019年新冠肺炎在全球肆虐，經(jīng)過人們共同的努力，疫情得到了嚴格的控制，但是疫情防控依然不能松懈。隨著復工復產(chǎn)的有序進行，測溫是防控疫情的必要措施，所以迫切需要簡單且價格適中的體溫檢測設備，助力疫情防控。本文將OneNET可視化云端技術與下位機結(jié)合，連接多種信息采集傳感器，構成遠程測溫系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)原理及方法

1.1 系統(tǒng)設計架構

整套系統(tǒng)由云平臺上位機，Nodemcu及ESP32-CAM 下位機組成。下位機包含傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊，多臺下位機之間組成分布式網(wǎng)絡[1]。系統(tǒng)采用Nodemcu作為傳感器節(jié)點的處理器模塊，主要負責傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)存儲及處理和多任務處理，并負責組網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳遞和指令交換等。傳感器選擇紅外測溫、GPS、溫濕度、人體紅外感應等[2]，主要負責人體溫度、面部圖像、人流量、設備位置信息以及環(huán)境溫濕度信息的采集。無線通信模塊采用WiFi HTTP技術，該技術具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、兼容性好、實現(xiàn)成本低以及組網(wǎng)方便的優(yōu)點，非常適合低速率傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡。

系統(tǒng)的工作原理為處理器驅(qū)動外設采集數(shù)據(jù)，利用WiFi遠程傳輸數(shù)據(jù)到云平臺。一個云平臺可以連接多臺設備，需要時，可以在每個通道口放置一臺設備，設備連接網(wǎng)絡后自動采集數(shù)據(jù)并上傳云平臺，管理員在控制室通過云平臺即可獲得連接平臺的所有設備信息，一旦設備感知被測人員出現(xiàn)異樣，自動封鎖通道，并向云平臺發(fā)出報警信息，等待工作人員進一步處理。云端可視化測溫圖像采集系統(tǒng)大大地減少了人力，降低成本的同時，精準測量體溫，為防疫人員減輕了負擔，更保障了人流通道通過的安全性[3]。

1.2 系統(tǒng)功能簡介

系統(tǒng)采用遠程采集數(shù)據(jù)，多終端收集數(shù)據(jù)的形式可以在每個通道口放置一個設備，設備采集數(shù)據(jù)，負責人則在控制室，一旦出現(xiàn)異樣，設備自動封鎖通道并報警，等待工作人員進一步處理。具體實現(xiàn)的功能如下：

(1)紅外檢測是否有人進入通道，進入則觸發(fā)語音模塊提醒，提示通過人員正視攝像頭進行人臉識別。

(2)檢測到人臉后，自動觸發(fā)拍照，同時啟動紅外測溫模塊進行測溫，將體溫數(shù)據(jù)顯示到設備自帶顯示屏上，并上傳OneNET云端。

(3)溫度高于規(guī)定值37.3 ℃，觸發(fā)報警，提示燈亮紅燈，并且進行語音播報予以提醒，隨后通道關閉，設備會將異常情況上報云端，等待工作人員進一步處理。

(4)溫度低于規(guī)定值37.3 ℃，打開閘門放行。

(5)由攝像頭記錄設備所在范圍的實時狀況并傳輸?shù)娇刂贫恕?/p>

1.3 系統(tǒng)創(chuàng)新特點

系統(tǒng)在解決方案、裝置設計以及功能上展現(xiàn)了極大的創(chuàng)新性。

(1)突破了傳統(tǒng)的測溫多人化，實現(xiàn)了人機交互，減少了人員投入，一個人，一個云平臺，多臺設備，就能夠?qū)崿F(xiàn)精準測溫。

(2)代替了傳統(tǒng)接觸式測溫，能夠有效避免交叉感染的情況，降低感染風險。

(3)在技術上采用Nodemcu以及ESP32-CAM(帶有板載攝像頭)作為系統(tǒng)的主核心模塊，同時外接DFPLayer mini、功放模塊、OLED顯示屏、GY-906紅外溫度傳感器、避障傳感器和RGB提示燈等模塊進行輔助，利用WiFi無線通信將下位機采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機OneNET云平臺上，實現(xiàn)了遠程測溫采集報警。測溫、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、做出判斷、進行相應結(jié)果的動作、數(shù)據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析等一系列的行為都是在裝置自主的情況下進行的，市面上其他產(chǎn)品難以做到。

(4)通過攝像頭可以實現(xiàn)工作全程的可視化，方便管理員監(jiān)控和管理。

(5)利用了OneNET云端服務平臺，既能對上傳的圖像、溫度信息進行儲存，又能對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，自動形成相應的圖表，包括人員體溫變化圖、人員流動數(shù)量變化圖，進而能夠清晰地得到人員的體溫變化以及人流量信息。

(6)一個OneNET云平臺可以連接多臺裝備，云平臺通過不同的ID號碼來區(qū)分不同的裝置。管理員可以通過不同區(qū)域設備上傳到云平臺的信息所生成的各種統(tǒng)計表格，對每片區(qū)域制定相應的管理措施，例如采取分流管控、人員調(diào)動等，有的放矢，遏制疫情的傳播擴散。

1.4 系統(tǒng)總體流程設計

系統(tǒng)工作時，人體紅外傳感器監(jiān)測通道人員進入情況，當有人進入時，語音系統(tǒng)提醒被測人員正視攝像頭，進行人臉識別和抓拍。同時GY-906紅外溫度傳感器進行測溫，設備顯示屏顯示被測人員體溫，并根據(jù)體溫情況亮紅(或綠)燈，關閉(或開啟)通道，出現(xiàn)異常由語音系統(tǒng)播放警告提示信息并上報云平臺。裝置通過Nodemcu處理器將人臉圖像、體溫、時間、設備位置等信息上傳云平臺，云平臺對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，生成體溫變化圖、人流量圖、設備分布圖等相關圖表，幫助管理人員清晰地了解到各區(qū)域的數(shù)據(jù)信息，從而采取精準的措施進行防疫工作。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)整體設計

下位機使用Nodemcu模塊連接到WiFi網(wǎng)絡，將被測人員體溫、人臉圖像、人流量、設備位置信息等數(shù)據(jù)上傳到上位機，同時通過ESP32-CAM視頻監(jiān)控模塊進行實時視頻監(jiān)控并將視頻數(shù)據(jù)上傳到上位機。上位機采用OneNET云端的可視化View2.0技術以及ESP32-CAM內(nèi)網(wǎng)穿透跨域通信技術，對接收到的信息進行處理整合，并實時顯示，結(jié)合Mysql數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)信息的存儲、查詢、校驗等功能。系統(tǒng)精準監(jiān)測人員體溫變化，并且生成所有被測人員的數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖表，整體設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設計

2.2 系統(tǒng)詳細硬件設計

2.2.1 信息采集模塊設計

信息采集模塊中的傳感器主要包括：人體紅外傳感器模塊(LM393)、GY-906-BCC熱電堆紅外測溫模塊、ESP32-CAM攝像頭開發(fā)板。人體紅外傳感器用于監(jiān)測是否有人進入通道，當有人進入時，與其配合的語音模塊提示被測人員將面部正視攝像頭，進行人臉識別并拍照；同時提示被測人員將手腕置于傳感器上方，通過紅外測溫模塊測量體溫。此模塊通過不同傳感器實時收集體溫、圖像等數(shù)據(jù)信息。各種傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器參數(shù)

采集到的相應信息需要上傳云平臺，進行數(shù)據(jù)的存儲和統(tǒng)計。此過程通過Nodemcu無線通信模塊進行信息處理，并通過WiFi傳輸至匯聚節(jié)點。使用無線通信模塊的選擇主要考慮以下方面：由于系統(tǒng)廣泛應用于人流量較大的場所，相應的設備需求量較大，因此節(jié)點的硬件設計成本必須低。并且數(shù)據(jù)量越大，云端的數(shù)據(jù)統(tǒng)計作用也就越大。此外，裝置的體積相對較小，多個傳感器模塊用于數(shù)據(jù)收集、傳輸和處理，供電部分必須保證各功能模塊的正常持續(xù)工作，需要用到充電模塊外接移動電源為裝置進行供電。

2.2.2 信息傳輸模塊設計

信息傳輸模塊主要分為兩個部分，Nodemcu模塊和ESP32-CAM攝像頭開發(fā)板[2]。Nodemcu模塊主要負責將溫度、人流量、設備位置坐標等數(shù)據(jù)上傳到云平臺；ESP32-CAM攝像頭開發(fā)板主要負責實時視頻監(jiān)控，并接收Nodemcu的拍照指令，進行人臉抓拍，上傳到云平臺。

2.2.3 信息顯示及語音提示模塊設計

信息顯示模塊主要包含OLED顯示屏、RGB燈、Dfplayer mini、功放模塊(D類PAM8403)、揚聲器(34 W)。OLED顯示屏顯示紅外測溫模塊測量的人員體溫，若溫度正常，提示燈亮綠燈，通道開啟，語音播報提示“請通過”；若溫度高于37.3 ℃或者不正常時，提示燈亮紅燈，關閉通道，同時語音系統(tǒng)播報警告并通知管理人員進一步處理。語音提示功能由Dfplayer mini驅(qū)動功放模塊，通過揚聲器播放事先儲存在Dfplayer mini模塊中的聲音片段來實現(xiàn)。

2.2.4 上位機云端的設計

本裝置利用OneNET云平臺作為上位機，存儲、統(tǒng)計、分析數(shù)據(jù)信息，保障防疫工作的高效精準實施。云平臺可視化界面能夠清晰識別人臉信息以及溫度信息，接入測溫設備的數(shù)量和人員通過時觸發(fā)機器進行測溫的次數(shù)，以及被測溫人員在當天某個時段的體溫變化。系統(tǒng)可實時視頻顯示不同時段不同情況下人體的檢測溫度，實現(xiàn)GPS實時監(jiān)控。

(1)測溫檢測界面。當系統(tǒng)檢測到人臉后，自動觸發(fā)拍照，并將照片上傳OneNET云端，實時監(jiān)測通過人員的體溫數(shù)據(jù)及抓拍圖像。

(2)接入設備信息顯示界面。顯示接入設備ID、用戶ID等信息，以及實時接入的設備數(shù)量，管理人員可以通過設備ID選擇設備，對不同地點的防疫安全情況進行監(jiān)測。

(3)體溫變化顯示界面。系統(tǒng)利用紅外測溫模塊測溫，并將測溫數(shù)據(jù)顯示后臺顯示屏，同時上傳到OneNET云端，以便記錄檢測人員健康情況；可以統(tǒng)計測溫人員不同時間的體溫變化。

(4)遠程測溫監(jiān)控流量統(tǒng)計。統(tǒng)計不同地點的出入口人流量情況，顯示每個出口在某個時間段通過的人數(shù)，人流量基數(shù)大則采取一定措施控制流量，減少人員流動。

(5)GPS實時監(jiān)控。使用GPS模塊實時監(jiān)控，將位置坐標上傳云端，通過地圖位置定位，可以在控制臺看到不同地點設備的分布情況。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)設計采用開源電子原型平臺的軟件開發(fā)環(huán)境，主機安裝Arduino IDE開源編譯工具編譯在開發(fā)板中執(zhí)行的程序。

3.2 終端信息采集功能軟件開發(fā)

ESP32-CAM攝像頭驅(qū)動采用模塊方式實現(xiàn)，遵循內(nèi)核的模塊化編程思想。模塊啟動前將程序傳輸?shù)侥K中，由程序驅(qū)動模塊進行自動化的工作，然后通過連接云平臺服務器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化查看。在該程序驅(qū)動中有一個重要的“httpd_uri_t stream_uri”結(jié)構體，其內(nèi)包含了開啟一個Web服務端，資源訪問路徑的重要參數(shù)，用以向云平臺傳輸數(shù)據(jù)

httpd_uri_tstream_uri={

.uri ="/stream"，

.method =HTTP_GET，

.handler =stream_handler，

.user_ctx =NULL

}；

當應用程序需要檢測人體溫度時，調(diào)用ESP8266 OneNET程序中Loop()主函數(shù)實現(xiàn)，并在OLED顯示屏上顯示和語音播報，然后運行PostData函數(shù)連接WiFi，并且通過D8Function()函數(shù)將數(shù)據(jù)上傳到OneNET云端。以下是Loop()函數(shù)的具體實現(xiàn)。

client.connect(host，tcpPort)； u8g2.setFont(u8g2_font_inr27_mf)；

u8g2.setCursor(10，45)； digitalWrite(D6，LOW)；

digitalWrite(D7，LOW)；

if(digitalRead(D8)==0){

url1=Serial.read()； if((mlx.readObjectTempC()+1.5)<=37){

val=(mlx.readObjectTempC()+1.5)；

u8g2.print(val)；u8g2.sendBuffer()；

digitalWrite(D7，HIGH)；

delay(1500)；

mp3_play(2)； delay(1000)；

}

else{

digitalWrite(D6，HIGH)；

u8g2.print(val)； u8g2.sendBuffer()；

mp3_play(3)； delay(3000)；

}

}

4 結(jié)語

本文研究和設計的云端可視化測溫采集報警系統(tǒng)具有遠程測溫、人臉識別、語音播報、警示燈提示等功能，對于企業(yè)、小區(qū)物業(yè)、學校、街道社區(qū)、醫(yī)院、市場、商場等場所尤其適用。設備可以記錄人流量信息，并且生成體溫統(tǒng)計圖使疫情防控措施更加高效，方便管理人員對當日發(fā)熱情況進行分析和處理，為流感以及疫情的預防提供幫助，減少交叉感染的風險，更可以為疫情溯源提供有力的參考資料。