智能溫檢及防疫宣傳機(jī)器人設(shè)計

劉仲鵬 王雙鳳

摘要：隨著人們對疫情防控的高度重視，科技“抗疫”逐漸成為發(fā)展趨勢。為了滿足疫情下對溫度快速測量及防疫知識宣講的需求，文章基于OneNET平臺，從人體溫度采集、人臉追蹤、語音交互等硬件設(shè)計進(jìn)行了分析和研究，設(shè)計了智能溫檢及防疫宣傳機(jī)器人。實驗證明，該機(jī)器人能夠應(yīng)用到人流量大的公共場所溫度檢測及防疫知識宣講工作中，可以實時準(zhǔn)確采集人體體溫，隨時隨地進(jìn)行防疫知識宣傳，有效減少宣講時人與人之間的接觸。

關(guān)鍵詞：人體測溫；防疫宣傳；語音交互；人臉追蹤

中圖分類號：中圖分類號 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：文獻(xiàn)標(biāo)志碼

0 引言

本文將 OneNET 云平臺與下位機(jī)結(jié)合，連接信息采集傳感器及語音傳感器，實現(xiàn)遠(yuǎn)程測溫及防疫知識宣講等功能。

1 系統(tǒng)原理及方法

1.1 系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

整套系統(tǒng)由云平臺上位機(jī)及下位機(jī)結(jié)合而成。下位機(jī)包含主控模塊、感知模塊、語音交互模塊、驅(qū)動模塊、監(jiān)控模塊和無線通信模塊。本系統(tǒng)采用Arduino Mage2560作為主控模塊，實現(xiàn)控制舵機(jī)、藍(lán)牙、人體紅外等傳感器能夠正常運行。感知模塊選擇人體紅外感知傳感器、紅外測溫傳感器 和小幻熊AI視覺模塊［1］，主要負(fù)責(zé)對周圍人體感知及測量人體體溫。語音交互模塊選擇語音識別模塊、MP3模塊，主要負(fù)責(zé)播放防疫資料音頻。本系統(tǒng)采用當(dāng)前較為先進(jìn)的ROS系統(tǒng)作為機(jī)器人的底盤驅(qū)動系統(tǒng)［2］，適合于運輸空間有限、運行通道窄的環(huán)境，主要負(fù)責(zé)機(jī)器人的移動、精確定位和高精度軌跡控制。監(jiān)控模塊由樹莓派3外接ts832S圖傳模塊構(gòu)成，采用VNC遠(yuǎn)程屏幕傳遞技術(shù)，主要負(fù)責(zé)對周圍環(huán)境的實時監(jiān)控。無線通信模塊采用WiFi無線技術(shù)。該技術(shù)具有傳輸速度快、可靠性高、實現(xiàn)成本低、覆蓋范圍廣以及組網(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(luò)。

本系統(tǒng)工作原理為處理器驅(qū)動外設(shè)采集數(shù)據(jù)，利用藍(lán)牙傳輸體溫數(shù)據(jù)。智能溫檢及防疫宣傳機(jī)器人實現(xiàn)了代替人工宣講的目的，有效減少了宣講時人與人之間的接觸，同時精準(zhǔn)測量體溫大大減少了人力，實現(xiàn)更有效的疫情防控。

1.2 系統(tǒng)功能簡介

本系統(tǒng)由云平臺和硬件結(jié)合而成，通過電腦建立當(dāng)前地形的二維地圖，根據(jù)指令自動導(dǎo)航；通過語音識別編碼設(shè)有的指令，播放每個指令對應(yīng)的防疫資料音頻，能夠通過控制屏幕的角度，實現(xiàn)用戶的臉部追蹤，進(jìn)而實現(xiàn)機(jī)器人代替人工宣講的目的，同時采用紅外測溫傳感器測量人的體溫［3］，通過藍(lán)牙模塊將體溫數(shù)據(jù)上傳到顯示屏及OneNET云平臺。

具體實現(xiàn)的功能如下：（1）體溫監(jiān)測，異常報警。GY-906紅外溫度傳感器對用戶進(jìn)行測溫，如果體溫超過規(guī)定值37.3℃，屏幕會彈出警告頁面并通過藍(lán)牙模塊將用戶的體溫數(shù)據(jù)上傳到屏幕上。（2）人臉識別，屏隨人轉(zhuǎn)。智能溫檢及防疫宣傳機(jī)器人可以通過人臉識別模塊檢測用戶的位置，從而調(diào)整舵機(jī)來控制屏幕的角度，使屏幕能夠直觀地呈現(xiàn)在用戶面前。（3）語音交互，實時交流。用戶可以說出指令，機(jī)器人通過語音識別指令，播放其對應(yīng)的防疫資料音頻，實現(xiàn)通過語音對話播放關(guān)于防疫的視頻資料，用戶也可點擊屏幕上面的防疫指令按鈕進(jìn)行播放。（4）自主運動，自動避障。智能溫檢及防疫宣傳機(jī)器人能夠進(jìn)行自動避障，準(zhǔn)確有效地規(guī)避障礙物。（5）雷達(dá)建圖，自主導(dǎo)航。智能溫檢及防疫宣傳機(jī)器人能夠?qū)崟r掃描周圍環(huán)境并將數(shù)據(jù)上傳至電腦。

1.3 系統(tǒng)創(chuàng)新特點

本設(shè)計具有自動避障、實時監(jiān)測體溫、遠(yuǎn)程控制、后端數(shù)據(jù)庫存儲、語音交互和人臉追蹤等功能。

（1）本設(shè)計裝備的底盤具有可二維平面無死角自由漂移的高精度移動功能，可通過單獨控制輪子的速度和轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)車的直行、橫行、斜行、原地旋轉(zhuǎn)等運動。

（2）本設(shè)計能夠隨時隨地檢測周邊用戶的體溫。如果體溫異常，屏幕會彈出警告提醒，能夠在疫情的大背景下實現(xiàn)體溫檢測，最大程度地保障了用戶的身體健康。

（3）本設(shè)計可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸實現(xiàn)對體溫數(shù)據(jù)的檢測并上傳到OneNET云平臺，也可以遠(yuǎn)距離實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的提取。

（4）本設(shè)計具有后端數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)，高度安全。

（5）本設(shè)計可建立地圖和自主導(dǎo)航，適用于各種生活應(yīng)用場景，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶的臉部追蹤，從而控制屏幕的角度，增強和用戶的互動性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)下位機(jī)使用Arduino Mage2560開發(fā)板進(jìn)行信息處理。紅外測溫模塊將檢測到的溫度數(shù)據(jù)傳給Arduino Mage2560開發(fā)板。開發(fā)板將數(shù)據(jù)上傳至App，同時會判斷體溫是否過高。如果體溫高于規(guī)定值37.3℃，屏幕會進(jìn)行報警提示。另外，搭配語音識別模塊檢測用戶指令，根據(jù)用戶發(fā)出的不同指令控制MP3語音播放模塊和顯示屏播放不同的防疫宣傳音頻。此設(shè)計為方便用戶操作，還提供了人臉追蹤功能，開發(fā)板通過小幻熊AI視覺模塊監(jiān)測人臉信息，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動，從而使得屏幕始終面向用戶，更好地向用戶宣傳防疫知識。系統(tǒng)使用小車底盤驅(qū)動，通過ROS建圖使小車在指定區(qū)域范圍自動移動，進(jìn)行防疫宣傳與溫檢。

上位機(jī)使用OneNET云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示與系統(tǒng)的控制。通過ESP8266 WiFi模塊將系統(tǒng)連接至OneNET云平臺，隨時隨地控制系統(tǒng)移動并獲取溫檢數(shù)據(jù)，減少人員接觸，降低傳播風(fēng)險。系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1所示。

2.2 各模塊硬件設(shè)計

2.2.1 信息采集模塊設(shè)計

系統(tǒng)所使用的核心模塊主要包括：紅外測溫模塊（GY-906-BCC）、MP3語音播放模塊（DY-SV5W）、語音識別模塊（LD3320）、小幻熊AI視覺模塊、ESP8266 WiFi模塊。紅外測溫模塊用于測量被檢人員的體溫，將數(shù)據(jù)實時上傳到App；小幻熊AI視覺模塊和人臉識別模塊用于實時監(jiān)測、收集人臉信息?？刂瓢鍘佣鏅C(jī)模塊來調(diào)整屏幕角度，使屏幕始終面向用戶。語音識別模塊監(jiān)測用戶的語音指令，從而配合MP3語音播放模塊播放不同的防疫宣傳音頻。

體溫數(shù)據(jù)的顯示以及系統(tǒng)的部分移動控制在OneNET云平臺上進(jìn)行，因而信息傳輸很重要。若要做到連接穩(wěn)定并且能夠經(jīng)受大數(shù)據(jù)量的考驗，連接系統(tǒng)下位機(jī)與上位機(jī)的WiFi模塊的選擇非常重要，要選擇一款功耗低、性能穩(wěn)定的WiFi模塊，以滿足系統(tǒng)信息傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2.2.2 語音交互與防疫音視頻播放模塊設(shè)計

語音交互模塊包括語音識別模塊與MP3語音播放模塊，語音識別模塊可以接收人們的語音指令，同時采用口令模式，使用特定的口令控制可以避免在嘈雜的環(huán)境中誤操作的情況發(fā)生。MP3語音播放模塊內(nèi)置SD卡，用來存儲所需的音頻，在接收到特定的指令后進(jìn)行防疫相關(guān)音頻的播放。以下是語音交互過程代碼具體實現(xiàn)。

void ProcessInt（void）

{

u8 nAsrResCount=0;

ucRegVal = WE.LD_ReadReg（0x2B）;

WE.LD_WriteReg（0x29，0） ;

WE.LD_WriteReg（0x02，0） ;

if（（ucRegVal & 0x10）&&WE.LD_ReadReg（0xb2）==0x21&&WE.LD_ReadReg（0xbf）==0x35）

{

nAsrResCount = WE.LD_ReadReg（0xba）;

if（nAsrResCount>0 && nAsrResCount<=4）

{

nAsrStatus=LD_ASR_FOUNDOK;

}

else

{

nAsrStatus=LD_ASR_FOUNDZERO;

}

}

else

{

nAsrStatus=LD_ASR_FOUNDZERO;

}

WE.LD_WriteReg（0x2b，0）;

WE.LD_WriteReg（0x1C，0）;

WE.LD_WriteReg（0x29，0）;

WE.LD_WriteReg（0x02，0）;

WE.LD_WriteReg（0x2B，0）;

WE.LD_WriteReg（0xBA，0）;

WE.LD_WriteReg（0xBC，0）;

WE.LD_WriteReg（0x08，1）;

WE.LD_WriteReg（0x08，0）;

}

2.2.3 驅(qū)動模塊設(shè)計

智能溫檢及防疫宣傳機(jī)器人的底盤驅(qū)動系統(tǒng)搭建了一個類似的小型服務(wù)器用作電腦和機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)傳送中轉(zhuǎn)站，在Ubuntu16 系統(tǒng)上設(shè)立腳本程序，可遠(yuǎn)程登錄機(jī)器人身體上的路由器，通過機(jī)器人底盤上的激光雷達(dá)掃描記憶當(dāng)前周圍環(huán)境。當(dāng)周圍的二維平面地圖建立完成后可以通過電腦進(jìn)行節(jié)點搭建。智能溫檢及防疫宣傳機(jī)器人能夠自動規(guī)劃導(dǎo)航路線，實現(xiàn)自主導(dǎo)航到達(dá)目標(biāo)地址。

2.2.4 信息傳輸模塊設(shè)計

信息傳輸模塊選用具有超低功耗并且價格低的ESP8266 WiFi模塊。它是一款具有超低功耗的UART-WiFi 透傳模塊，擁有業(yè)內(nèi)極具競爭力的封裝尺寸和超低能耗技術(shù)，性能穩(wěn)定，通過ESP8266 WiFi模塊將體溫數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺，實現(xiàn)文件數(shù)據(jù)的匯總顯示，可通過云平臺實現(xiàn)遠(yuǎn)程的控制，減少人員非必要接觸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)設(shè)計采用開源電子原型平臺的軟件開發(fā)環(huán)境，需要安裝Arduino IDE開源編譯的工具，使用該工具編譯并燒錄代碼到Aduino Mage2560開發(fā)板。

3.2 設(shè)備云App設(shè)計

為方便溫檢人員隨時隨地進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測以及系統(tǒng)控制，該系統(tǒng)提供了設(shè)備云App，可安裝在手機(jī)上，使得溫檢人員對系統(tǒng)的使用更加方便快捷，如若發(fā)現(xiàn)體溫異常，也可第一時間接到消息并做出相應(yīng)處理。

該應(yīng)用內(nèi)部界面會同步PC端的界面，只需登錄賬戶，便可進(jìn)行與PC端相同的操作，獲取實時的溫檢數(shù)據(jù)。

3.3 上位機(jī)云端的設(shè)計

本裝置利用OneNET云平臺作為上位機(jī)，用來統(tǒng)計、分析體溫數(shù)據(jù)信息。云平臺可視化界面能夠清晰地看到人們的體溫信息、接入測溫設(shè)備的數(shù)量等信息。本系統(tǒng)還可以進(jìn)行系統(tǒng)的移動控制，如果不需要系統(tǒng)按規(guī)劃地圖運行，可以使用云平臺遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

（1）體溫顯示界面。OneNET云平臺會根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)實時顯示體溫數(shù)據(jù)［4］，生成統(tǒng)計圖，方便溫檢人員觀看及數(shù)據(jù)分析，同時如果發(fā)生體溫異常，也可及時發(fā)現(xiàn)、及時處理。

（2）接入設(shè)備信息顯示界面。顯示接入設(shè)備的ID、用戶ID以及實時接入的設(shè)備數(shù)量等信息，溫檢人員可以通過設(shè)備ID選擇不同的設(shè)備對不同地點的防疫安全情況進(jìn)行監(jiān)測。

（3）在云平臺和手機(jī)端都可以通過調(diào)用Loop（）函數(shù)實現(xiàn)按鍵控制城市防疫宣傳及測溫助手機(jī)器人完成操控。以下是Loop（）函數(shù)的具體實現(xiàn)。

while （client.available（））//available（）表示是否可以獲取到數(shù)據(jù)

{

char val = client.read（）;

if（val=='a'）

{

digitalWrite（D1， HIGH）;

digitalWrite（D2， HIGH）;

Serial.println（"＼n 前進(jìn)"）;

}

if（val=='b'）

{

digitalWrite（D1， LOW）;

digitalWrite（D2， LOW）;

digitalWrite（D3， LOW）;

digitalWrite（D4， LOW）;

Serial.println（"＼n 停"）;

}

if（val=='c'）

{

digitalWrite（D3， HIGH）;

digitalWrite（D4， HIGH）;

Serial.println（"＼n 后退"）;

}

if（val=='d'）

{

digitalWrite（D1， LOW）;

digitalWrite（D2， LOW）;

digitalWrite（D3， LOW）;

digitalWrite（D4， LOW）;

Serial.println（"＼n 停"）;

}

if（val=='e'）

{

Serial.println（"＼n 左轉(zhuǎn)"）;

digitalWrite（D2， HIGH）;

}

if（val=='f'）

{

digitalWrite（D1， LOW）;

digitalWrite（D2， LOW）;

digitalWrite（D3， LOW）;

digitalWrite（D4， LOW）;

Serial.println（"＼n 停"）;

}

if（val=='h'）

{

digitalWrite（D1， HIGH）;

Serial.println（"＼n 右轉(zhuǎn)"）;

}

if（val=='g'）

{

digitalWrite（D1， LOW）;

digitalWrite（D2， LOW）;

digitalWrite（D3， LOW）;

digitalWrite（D4， LOW）;

Serial.println（"＼n 停"）;

}

if（val=='j'）

{

digitalWrite（D3， HIGH）;

Serial.println（"＼n 后退右轉(zhuǎn)"）;

}

if（val=='k'）

{

digitalWrite（D1， LOW）;

digitalWrite（D2， LOW）;

digitalWrite（D3， LOW）;

digitalWrite（D4， LOW）;

Serial.println（"＼n 停"）;

}

if（val=='l'）

{

digitalWrite（D4， HIGH）;

}

if（val=='m'）

{

digitalWrite（D1， LOW）;

digitalWrite（D2， LOW）;

digitalWrite（D3， LOW）;

digitalWrite（D4， LOW）;

Serial.println（"＼n 停"）;

}

if（val=='o'）

{

digitalWrite（D5， HIGH）;

delay（500）;

digitalWrite（D5， LOW）;

}

if（val=='p'）

{

digitalWrite（D8， HIGH）;

delay（500）;

digitalWrite（D5， LOW）;

digitalWrite（D6， LOW）;

digitalWrite（D8， LOW）;

}

if（val=='r'）

{

digitalWrite（D6， HIGH）;

delay（500）;

digitalWrite（D6， LOW）;

}

if（val=='s'）

{

digitalWrite（D8， HIGH）;

delay（500）;

digitalWrite（D5， LOW）;

digitalWrite（D6， LOW）;

digitalWrite（D8， LOW）;

}

if（val=='t'）

{

digitalWrite（D7， HIGH）;

}

if（val=='u'）

{

digitalWrite（D7， LOW）;

}

if（val=='v'）

{

digitalWrite（D8， HIGH）;

delay（500）;

digitalWrite（D8， LOW）;

}

if（val=='w'）

{

digitalWrite（D8， HIGH）;

delay（500）;

digitalWrite（D8， LOW）;

digitalWrite（D5， LOW）;

digitalWrite（D6， LOW）;

}

uint8_t c = client.read（）;

Serial.write（c）;

}

if （Serial.available（））

{

delay（50）;

size_t counti = Serial.available（）;

uint8_t sbuf［counti］;

Serial.readBytes（sbuf， counti）;

delay（50）;

client.write（sbuf， counti）;

}

4 結(jié)語

本系統(tǒng)基于OneNET平臺，結(jié)合傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)，設(shè)計了智能溫檢及防疫宣傳機(jī)器人，具有實時監(jiān)測體溫、語音交互、人臉追蹤、自動避障和遠(yuǎn)程控制等功能，但技術(shù)仍有不完善之處。本系統(tǒng)可應(yīng)用于不同的生活場景，如校園社區(qū)、商場、街道市場、高鐵站、火車站等公共場所。

參考文獻(xiàn)

［1］邱來奇.基于ROS的移動機(jī)器人設(shè)計及路徑規(guī)劃研究［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2020.

［2］曹潤強.紅外測溫儀的設(shè)計［J］.攀枝花學(xué)院學(xué)報，2006（6）：87-89.

［3］錢浩.VNC圖像傳輸關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.重慶：重慶郵電大學(xué)，2017.

［4］柳剛，黃竹鄰，周昊，等.非接觸式紅外測溫儀的研制［J］.光電子科技與信息，2005（5）：69-72.

（編輯 王永超）

Design of intelligent temperature inspection and epidemic prevention propaganda robot

Liu Zhongpeng， Wang? Shuangfeng

（Baoding College， Baoding 071000， China）

Abstract：? Based on OneNET platform， combined with sensor technology and wireless communication technology， this paper analyzes and studies the hardware design of human temperature collection， face tracking， voice interaction and cloud platform design， and designs an intelligent temperature detection and epidemic prevention propaganda robot. The robot has been designed and verified by hardware， and the test results are good. It can be applied to temperature detection and epidemic prevention knowledge propaganda in public places with dense human flow， and can collect human body temperature in real time and accurately. Propaganda of epidemic prevention knowledge can be carried out anytime and anywhere， so as to effectively reduce the contact between people during propaganda.

Key words： human body temperature measurement; epidemic prevention publicity; voice interaction; face tracking