基于STM32的智能抗疫情通行系統(tǒng)

付佳怡 李 森 何會(huì)遠(yuǎn) 田洪海 楊林波

（河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000）

1 技術(shù)研究背景

目前，海外疫情呈上升趨勢(shì)，而中國(guó)對(duì)外反進(jìn)口壓力持續(xù)加大，國(guó)內(nèi)疫情形勢(shì)的復(fù)雜性也在增加。2022年，我國(guó)個(gè)別省份出現(xiàn)了大規(guī)模繼發(fā)病例，意味在整個(gè)防控全鏈條大數(shù)據(jù)管理中，如果某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)管控力度薄弱或管理盲區(qū)，就會(huì)增加疫情傳播的風(fēng)險(xiǎn)。然而在發(fā)展和防控并行的情況下，客觀問題凸顯，人力資源短缺，大量通行點(diǎn)無人看守，出現(xiàn)感染者和密接者。

對(duì)機(jī)場(chǎng)、火車站和地鐵站等人員密集的綜合交通樞紐以及學(xué)校、娛樂園區(qū)等公共場(chǎng)所來說，在出入口需要逐個(gè)進(jìn)行人體測(cè)溫、健康碼檢測(cè)等初步篩查，由于上述公共場(chǎng)所通常有較多通道和出入口，因此為了保障公共場(chǎng)所的安全性，有必要對(duì)各個(gè)人流口逐個(gè)排查進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，以減少盲區(qū)。

2 技術(shù)研究目標(biāo)

2.1 利用DS18B20實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)

選用DS18B20測(cè)溫的原因是低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它通過編程就可以控制測(cè)溫，當(dāng)讀寫時(shí)序時(shí)，僅需要1根Wire總線就可以傳遞信息；其測(cè)溫需要經(jīng)過以下3個(gè)步驟：1）初始化定時(shí)。首先，主機(jī)將發(fā)出480 μs～960 μs的低電平脈沖。其次，跳過高電平總線，并在隨后的480 μs內(nèi)檢測(cè)總線的高、低電平，如果一直出現(xiàn)高電平且沒有低電平，就表示總線沒有設(shè)備響應(yīng)，如果出現(xiàn)低電平，就表明總線上已經(jīng)有一個(gè)設(shè)備作出響應(yīng)。2） 寫時(shí)序。寫周期時(shí)長(zhǎng)最少為60 μs，最長(zhǎng)不超過120 μs，寫時(shí)序包括寫1時(shí)序和寫0時(shí)序。當(dāng)寫入時(shí)間序列0時(shí)，主機(jī)輸出低電平，延時(shí)60 μs，然后釋放總線，延時(shí)2 μs[1]，具體操作如下。

當(dāng)寫入時(shí)間序列1時(shí)，主機(jī)輸出低電平，延時(shí)2 μs，然后釋放總線，延時(shí)60 μs。

3）讀時(shí)序。主機(jī)輸出低電平延時(shí)2 μs,主機(jī)切換到輸人模式延時(shí)12 μs,讀取1-Wire總線當(dāng)前的電平,再延時(shí)50 μs,具體操作如下。

完成以上步驟后，就可以得出溫度測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.2利用OpenCV進(jìn)行口罩佩戴識(shí)別

不能直接獲取戴口罩的照片對(duì)OpenCV進(jìn)行訓(xùn)練，其原因是在一整張照片中，其他部位（例如手、肩膀以及動(dòng)作等）對(duì)OpenCV來說都是噪聲，臉和口罩所占比例卻非常小，如果直接拿這種照片去進(jìn)行訓(xùn)練，那么它不但會(huì)增加CPU的計(jì)算量，而且還會(huì)干擾模型，因此在進(jìn)行訓(xùn)練前要先對(duì)照片進(jìn)行裁剪處理，裁剪出僅有面部和口罩的照片[2]，具體操作如下。

通過上一步的裁減來采集不同人戴口罩和不戴口罩的面部形態(tài)，在圖像中通過分類器比對(duì)找到匹配的數(shù)據(jù)后，對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行畫框并輸出。當(dāng)全臉未帶口罩時(shí)，opencv顯示器識(shí)別出鼻子和人臉，使用紅色框圖（紅色框圖是對(duì)識(shí)別對(duì)比的說明，由opencv顯示器進(jìn)行識(shí)別，顏色也會(huì)顯示在顯示器中）進(jìn)行表示，為未戴口罩狀態(tài)；當(dāng)佩戴口罩時(shí)，顯示器將會(huì)識(shí)別佩戴口罩的人臉，其無法識(shí)別鼻子和人臉，用綠色框圖表示，具體識(shí)別流程如圖1所示。

圖1 攝像頭識(shí)別流程

雖然照片訓(xùn)練成功，但是OpenCV的引腳十分有限，即便官方網(wǎng)站自帶各種庫，還是無法實(shí)現(xiàn)大部分功能，因此基于該智能檢測(cè)，采用STM32與OpenCV之間實(shí)現(xiàn)串口通信；將OpenCV作為傳感器，STM32作為主控制芯片，以控制攝像識(shí)別，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率。

2.3 利用顏色檢測(cè)模塊判斷健康碼的顏色

在進(jìn)行測(cè)試前，首先進(jìn)行白平衡校準(zhǔn)，白平衡校準(zhǔn)是為后續(xù)系統(tǒng)的顏色識(shí)別檢測(cè)作準(zhǔn)備。在該裝置中，調(diào)整白平衡的具體步驟和方法如下：每次操作時(shí)，在模塊前放置一個(gè)白色物塊進(jìn)行第一次識(shí)別，然后再識(shí)別其他顏色，通過白平衡校準(zhǔn)得到的R值、G值和B值均為255。白平衡結(jié)束后，分別按照上述方法掃描紅色、黃色和綠色健康碼進(jìn)行測(cè)試，就可計(jì)算所需的3個(gè)參數(shù)。如圖2所示，當(dāng)校準(zhǔn)結(jié)束、TCS230開始識(shí)別顏色時(shí)，就用這3個(gè)參數(shù)對(duì)所測(cè)顏色的R、G和B進(jìn)行調(diào)整。通過R、G和B這3個(gè)值就可以得出投射到TCS230傳感器上的光的顏色，即能在小誤差范圍內(nèi)識(shí)別通行者的健康碼是否符合要求[3]。

圖2 進(jìn)行白平衡校準(zhǔn)

通過上述分析，系統(tǒng)針對(duì)健康碼顏色識(shí)別設(shè)計(jì)了1個(gè)以STM32作為主控制芯片控制TCS230運(yùn)行的裝置。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷以及用途廣泛的特點(diǎn)，并且能夠與主控芯片通信，通過串口的方式實(shí)時(shí)傳送識(shí)別結(jié)果。在子程序中設(shè)置循環(huán)語句，檢測(cè)是否需要進(jìn)行白平衡調(diào)整。如果系統(tǒng)需要進(jìn)行調(diào)整，則跳出循環(huán)，執(zhí)行白平衡程序；如果不需要，則進(jìn)入下一循環(huán)，以檢測(cè)系統(tǒng)是否需要顏色識(shí)別。如果需要顏色識(shí)別，系統(tǒng)就跳出循環(huán)執(zhí)行顏色識(shí)別子程序，直至識(shí)別完成。

3 工作原理和方案設(shè)想

3.1 工作原理

溫度檢測(cè)選用DS18B20，其探頭對(duì)準(zhǔn)手腕或額頭，與程序預(yù)定值進(jìn)行對(duì)比，超標(biāo)則紅燈亮，合格則綠燈亮；選用TCS230來識(shí)別顏色，辨別健康碼是否符合要求，如果是綠色，那么綠燈亮；如果是紅色或黃色，那么紅燈亮；將嵌入ARM Cortex-M3系列的STM32F1系列的芯片作為主控制芯片；通過OpenCV識(shí)別系統(tǒng)來判斷出行人是否佩戴口罩；主控制芯片控制上述模塊的正常運(yùn)行，如果全部滿足以上要求，就亮綠燈；如果有一項(xiàng)不達(dá)標(biāo)，就亮紅燈，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警警告不允許通行。通過這種方式對(duì)過往行人進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)智能化的抗疫通行系統(tǒng)。

3.2 模塊介紹

3.2.1 TCS230模塊介紹

TCS230是TAOS公司開發(fā)的可編程的彩色光頻轉(zhuǎn)換器，這是業(yè)界首個(gè)具有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感器，它在一個(gè)CMOS電路上集成了1個(gè)可配置的硅光電二極管和1個(gè)電流頻率轉(zhuǎn)換器，同時(shí)在1個(gè)芯片上集成了紅、綠和藍(lán)（RGB）3種濾光器。濾波器不同則投射的入射光也不同，由于不同的光有不同的顏色方波，因此可以通過控制引腳S0、S1來調(diào)節(jié)，以滿足不同的要求。S0、S1、S2和S3的可用組合形式見表1。

表1 高低電平時(shí)顏色識(shí)別

3.2.2 DS18B20溫度識(shí)別模塊

模塊內(nèi)部主要由64位ROM和便箋式儲(chǔ)存器構(gòu)成，其內(nèi)部存儲(chǔ)器包括1個(gè)上電狀態(tài)的暫存器和1個(gè)存取器E2PROM，見表2。中間結(jié)果暫存器包括8個(gè)連續(xù)的字節(jié)，Byte1和Byte2分別為測(cè)得溫度的低8位和高8位；Byte3、Byte4和Byte5對(duì)應(yīng)的字節(jié)可以保存在只讀存儲(chǔ)器中，存放高溫度報(bào)警TH、低溫度報(bào)警TL和配置寄存器的值，以確保系統(tǒng)故障后不會(huì)丟失數(shù)據(jù)[4]。

表2 便箋式存儲(chǔ)器標(biāo)識(shí)

DS18B20在執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換后，將溫度值與報(bào)警觸發(fā)值進(jìn)行比較，如果測(cè)量的溫度小于或等于TL值（或者大于或等于TH值），則在DS18B20內(nèi)部形成報(bào)警條件。因此，使單片機(jī)和DS18B20測(cè)溫傳感器相互組合，再結(jié)合相關(guān)的電路模塊就可以制作電子溫度計(jì)，直接測(cè)量各個(gè)部位的溫度，從而直觀、準(zhǔn)確地得到所測(cè)部位的溫度。在實(shí)際應(yīng)用中，電子體溫計(jì)不僅易于操作，而且測(cè)量結(jié)果直觀、準(zhǔn)確。因此，將溫度傳感器與單片機(jī)相結(jié)合制成的電子溫度計(jì)在日常生活中有廣闊的市場(chǎng)[5]。

3.2.3 OLED顯示屏

與LCD顯示屏相比，OLED的功耗低，更適合小型系統(tǒng)，由于發(fā)光材料的不同，因此OLED在不同的環(huán)境下都具有良好的顯示效果。模塊電源支持3.3 V或5.0 V，不需要修改模塊電路。OLED屏幕具有多個(gè)控制指令，可以控制OLED的亮度、對(duì)比度和開關(guān)升壓電路等指令，操作便捷，功能豐富，可顯示漢字、ASCII碼以及圖案等。

綜合上述研究，抗疫通行系統(tǒng)的執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 方案流程圖

4 結(jié)語

該文所介紹的智能抗疫通行系統(tǒng)可以檢測(cè)所處環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)，且檢測(cè)的數(shù)據(jù)可以通過OLED平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示，該產(chǎn)品操作簡(jiǎn)單，只要熟悉幾個(gè)基本操作就可以進(jìn)行操控。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，傳遞信息迅速，能夠適應(yīng)所有環(huán)境，不會(huì)受人為因素的限制。與傳統(tǒng)的檢測(cè)方式相比，基于STM32的智能抗疫通行檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)無論是在大規(guī)模檢測(cè)中還是定期安全檢測(cè)中都能檢測(cè)出其突出的優(yōu)勢(shì)。該產(chǎn)品可以實(shí)時(shí)檢測(cè)疫情時(shí)代下各數(shù)據(jù)情況，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，盡可能保障人民生命安全，減少不必要的損失，這種防控工作還可以有效保證疫情防控人員的健康，避免交叉感染。