圖書館防疫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張杰，朱楊冕，王飛鵬，游皓宇

（東南大學(xué) 成賢學(xué)院電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇南京，210000）

1 研究背景及相關(guān)技術(shù)介紹

■1.1 研究背景

傳統(tǒng)防疫時(shí)通常采用大量人力資源對(duì)場(chǎng)所人員進(jìn)行人工的體溫檢測(cè)、口罩佩戴等規(guī)范性檢查，成本較高、效率低下，并且受人的主觀性影響較大而易出現(xiàn)紕漏。繼而，在高新企業(yè)園區(qū)等一些場(chǎng)所，一些自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生來(lái)滿足運(yùn)行速度的需要，例如一體式體溫檢測(cè)儀等，它們提高了檢測(cè)便捷性，但存在著彼此獨(dú)立、不互通、操作復(fù)雜、依舊需要不少人員值守的缺陷，本質(zhì)上并沒(méi)有減少太多“人”的工作量。

關(guān)于口罩識(shí)別技術(shù)，目前主流的檢測(cè)識(shí)別方式是使用OpenCV 進(jìn)行圖像處理和目標(biāo)識(shí)別，應(yīng)用在口罩檢測(cè)上為使用閾值函數(shù)轉(zhuǎn)換黑白，檢測(cè)面部的眼鼻以判斷是否存在人臉，再檢測(cè)面部的口鼻，來(lái)判斷有沒(méi)有佩戴口罩。這樣的檢測(cè)方法存在一些弊端，首先是檢測(cè)人臉時(shí)由于口罩遮擋，很多場(chǎng)景下無(wú)法正確判斷人臉的存在，后續(xù)的口罩檢測(cè)自然是無(wú)法實(shí)現(xiàn)。其次，OpenCV 處理圖像時(shí)會(huì)先通過(guò)閾值進(jìn)行黑白處理，遇到暗光場(chǎng)景和偏轉(zhuǎn)角度的場(chǎng)景，黑白處理結(jié)果不盡如人意，檢測(cè)的準(zhǔn)確率偏低。最后，由于需要多批次檢測(cè)人臉的眼口鼻，程序執(zhí)行的效率很低，對(duì)性能要求還更高。

■1.2 YOLOv5

Yolov5 是一種基于PyTorch 實(shí)現(xiàn)的輕量級(jí)深度學(xué)習(xí)框架，用于實(shí)現(xiàn)快速、高效的實(shí)時(shí)圖像分析。它可用于檢測(cè)、識(shí)別和分割一系列像素和特定場(chǎng)景的物體。與早期的YOLO系列相比，Yolov5 的優(yōu)勢(shì)在于更快的速度、更少的硬件要求以及更容易地訓(xùn)練過(guò)程。Yolov5 的最初版本是Yolov4，它使用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為CSPDarkNet53 架構(gòu)，可以達(dá)到更高的準(zhǔn)確性和可擴(kuò)展性。不僅能夠?qū)^大物體進(jìn)行檢測(cè)，而且還能檢測(cè)出更小的物體，更準(zhǔn)確地定位物體，并支持多類物體檢測(cè)。Yolov5 的檢測(cè)能力在小物體和速度的關(guān)系上優(yōu)于Yolov4。此外，Yolov5 還支持梯度檢測(cè)，可以提高模型性能，并讓模型更加準(zhǔn)確。梯度檢測(cè)的好處在于，它可以幫助查找樣本中的差異，從而提高檢測(cè)準(zhǔn)確性?？傊琘olov5 是一種在Yolo 系列中最新的圖像檢測(cè)框架，它比其他框架更快，也更精確，降低了硬件要求，并具有可擴(kuò)展的特點(diǎn)以及強(qiáng)大的抗攻擊性。

2 系統(tǒng)總體方案

■2.1 門禁防疫管理的設(shè)計(jì)思路

為了同時(shí)保證入館效率與防疫力度，本項(xiàng)目將傳統(tǒng)入館方式（身份識(shí)別入館）與各項(xiàng)防疫措施（口罩識(shí)別、體溫測(cè)量、消殺）結(jié)合在一起，用戶在刷卡識(shí)別身份的同時(shí)，會(huì)同時(shí)對(duì)用戶進(jìn)行口罩識(shí)別檢測(cè)與體溫測(cè)量，滿足上述三條件后，門禁系統(tǒng)即可自動(dòng)開(kāi)閘。為了進(jìn)一步加大防護(hù)力度，用戶可以在通過(guò)閘門后進(jìn)行自動(dòng)消殺。門禁防疫管理框架圖如圖1所示。

圖1 門禁防疫管理框架圖

■2.2 室內(nèi)防疫管理的設(shè)計(jì)思路

用戶在進(jìn)入室內(nèi)后，室內(nèi)攝像頭可以實(shí)時(shí)進(jìn)行多人的口罩識(shí)別檢測(cè)，同時(shí)圖書館內(nèi)座位上配備的紅外測(cè)溫實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶的體溫，上述兩條件異常時(shí)，系統(tǒng)可以直接將用戶的位置信息報(bào)告給管理員，管理員即可方便快速地找出并提醒異常人員。室內(nèi)防疫管理框架圖如圖2 所示。

圖2 室內(nèi)防疫管理框架圖

3 硬件實(shí)現(xiàn)

■3.1 主控單片機(jī)

主控單片機(jī)選擇STM32F103ZET6 系統(tǒng)板，該系統(tǒng)板具有一鍵下載功能，能夠避免多次設(shè)置B0 與B1 的問(wèn)題，僅通過(guò)一根USB 線即可實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)。同時(shí)該單片機(jī)擁有5 個(gè)UART 通信接口、3 個(gè)SPI 接口以及2 個(gè)IC 接口，滿足本項(xiàng)目多個(gè)模塊之間的互聯(lián)。

■3.2 身份識(shí)別

身份識(shí)別部分采用M4255-HA IC 卡RFID 讀寫模塊，具有命令模式、自動(dòng)讀卡號(hào)、自動(dòng)讀塊數(shù)據(jù)、自動(dòng)讀卡號(hào)與塊數(shù)據(jù)的工作模式，可以實(shí)現(xiàn)讀卡號(hào)、讀寫扇區(qū)數(shù)據(jù)塊、扇區(qū)加密、增減值等。同時(shí)，該模塊的讀寫IC 卡距離可達(dá)6cm，滿足日常的身份識(shí)別刷卡的要求。

■3.3 紅外測(cè)溫

門禁紅外測(cè)溫部分采用的是MLX90614 型號(hào)的紅外測(cè)溫模塊，而室內(nèi)紅外測(cè)溫部分采用的則是MLX90640 型號(hào)的紅外測(cè)溫模塊。MLX90614 紅外測(cè)溫模塊與MLX90640 紅外測(cè)溫模塊同樣采用I2C 通信，MLX90640紅外測(cè)溫模塊相較于MLX90614 紅外測(cè)溫模塊的工作距離更大，因此更適用于室內(nèi)的紅外測(cè)溫。

■3.4 門禁閘門

門禁閘門部分采用MG996舵機(jī)180°型號(hào)，操作簡(jiǎn)單快捷，可通過(guò)主控單片機(jī)可自由控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，從而達(dá)到開(kāi)閘與關(guān)閘的功能。

■3.5 硬件電路

各模塊的電路連接設(shè)計(jì)與門禁硬件框架如圖3、4 所示。

圖3 電路連接設(shè)計(jì)圖

圖4 門禁硬件框架圖

4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

■4.1 門禁防疫管理

圖書館門禁防疫管理是由身份識(shí)別、口罩識(shí)別、紅外測(cè)溫、舵機(jī)開(kāi)閘與自動(dòng)消殺五部分組成。

4.1.1 身份識(shí)別模塊

身份識(shí)別部分采用M4255-HA IC 卡RFID 讀寫模塊，該模塊使用RS-232C 接口和外部設(shè)備進(jìn)行通信，支持多種指令集，內(nèi)置存儲(chǔ)器和CPU 芯片，具有命令模式、自動(dòng)讀卡號(hào)、自動(dòng)讀塊數(shù)據(jù)、自動(dòng)讀卡號(hào)與塊數(shù)據(jù)的工作模式。該模塊工作時(shí)，檢測(cè)出IC 卡號(hào)并與代碼中已存正確卡號(hào)進(jìn)行對(duì)比，卡號(hào)對(duì)比正確后，該模塊向主控STM32F103ZET6 發(fā)送數(shù)據(jù)“1”，即代表該身份識(shí)別正確；反之，卡號(hào)對(duì)比錯(cuò)誤，該模塊向主控STM32F103ZET6 發(fā)送數(shù)據(jù)“0”，并由主控控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

4.1.2 門禁口罩檢測(cè)模塊

口罩檢測(cè)部分主要使用YOLOv5 進(jìn)行視頻流的目標(biāo)檢測(cè)，YOLOv5 是一種單階段目標(biāo)檢測(cè)算法，該算法在YOLOv4 的基礎(chǔ)上修改，速度、準(zhǔn)確率和模型大小等方面都有所提升，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以自適應(yīng)地調(diào)整檢測(cè)框的大小和形狀，從而更好地適應(yīng)不同形狀和尺寸的物體，同時(shí)降低了網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算復(fù)雜度。首先收集佩戴口罩和未佩戴口罩的圖片制作數(shù)據(jù)集并訓(xùn)練權(quán)重，然后用訓(xùn)練出的權(quán)重調(diào)用YOLOv5的檢測(cè)輸入圖片或視頻流，YOLOv5 會(huì)對(duì)每一幀進(jìn)行人及口罩的目標(biāo)預(yù)測(cè)，輸出擬合度高的目標(biāo)，檢測(cè)到未佩戴口罩的行為后，保存照片，最后將是否佩戴口罩結(jié)果通過(guò)串口直接發(fā)送給下位機(jī)，以提供信息判斷是否開(kāi)門。GUI 界面使用pyqt5 語(yǔ)法，利用qtdesigner 設(shè)計(jì)界面，將界面按鈕與功能函數(shù)整合。

4.1.3 門禁紅外測(cè)溫模塊

紅外測(cè)溫部分采用的是MLX90614 型號(hào)的紅外測(cè)溫模塊，該模塊采用非接觸式紅外測(cè)量技術(shù)，可以在不接觸到被測(cè)物體的情況下，通過(guò)紅外輻射信號(hào)來(lái)檢測(cè)目標(biāo)物體的溫度。并且可以通過(guò)I2C 總線實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)輸出，響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)與MLX90614 紅外測(cè)溫模塊之間通信的方式是“類I2C”通信，單片機(jī)接收到MLX90614 發(fā)送出的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)特定處理后即可得到檢測(cè)目標(biāo)的溫度信息，自己設(shè)定一個(gè)溫度合格范圍，若超出這個(gè)范圍，即進(jìn)行報(bào)警提示溫度過(guò)高，若溫度處于正常范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)的溫度變量置1，表示溫度正常，溫度條件滿足。

當(dāng)上述三部分皆向主控發(fā)送數(shù)據(jù)“1”時(shí)，滿足舵機(jī)開(kāi)閘條件，此時(shí)主控STM32F103ZET6 控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)90°，使進(jìn)館人員通過(guò)門禁。

4.1.4 自動(dòng)消殺模塊

自動(dòng)消殺部分由一個(gè)繼電器、霧化器驅(qū)動(dòng)電路和霧化片組成。當(dāng)進(jìn)館人員順利通過(guò)門禁后，紅外感應(yīng)器SR602 在檢測(cè)到人體時(shí)向主控STM32F103ZET6 發(fā)送數(shù)據(jù)“1”，此時(shí)主控來(lái)控制繼電器，繼電器在接收到主控輸出的信號(hào)時(shí)常開(kāi)端閉合，霧化片回路閉合則開(kāi)始工作噴霧，在這個(gè)回路中，繼電器相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)，在主控中可通過(guò)延時(shí)來(lái)控制噴霧時(shí)間并設(shè)定一個(gè)封鎖時(shí)間，避免對(duì)同一目標(biāo)重復(fù)工作，噴霧消毒液選用酒精。

■4.2 室內(nèi)防疫管理

圖書館室內(nèi)防疫管理是由口罩識(shí)別、座位管理、紅外測(cè)溫與管理員提醒四部分組成。

4.2.1 室內(nèi)口罩檢測(cè)模塊

室內(nèi)口罩檢測(cè)部分同樣使用YOLOv5 進(jìn)行視頻流的目標(biāo)檢測(cè)，但與門禁口罩檢測(cè)部分不同的是，室內(nèi)口罩檢測(cè)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)多人口罩的佩戴情況，首先收集佩戴口罩和未佩戴口罩的圖片制作數(shù)據(jù)集并訓(xùn)練權(quán)重，然后用訓(xùn)練出的權(quán)重調(diào)用YOLOv5 的檢測(cè)輸入圖片或視頻流，YOLOv5 會(huì)對(duì)每一幀進(jìn)行人及口罩的目標(biāo)預(yù)測(cè)，輸出擬合度高的目標(biāo)，檢測(cè)到未佩戴口罩的行為后，保存照片，最后圖室內(nèi)部分調(diào)用郵箱發(fā)送函數(shù)，將圖片和提醒發(fā)送到預(yù)先設(shè)定的郵箱和微信公眾號(hào)完成提醒功能。GUI 界面使用pyqt5 語(yǔ)法，利用qtdesigner 設(shè)計(jì)界面，將界面按鈕與功能函數(shù)整合。如圖5 所示。

圖5 室內(nèi)口罩識(shí)別頁(yè)面

4.2.2 座位管理模塊

座位管理部分采用目標(biāo)間的距離檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)座位的間隔管理，從而避免人員距離過(guò)近，YOLOv5 檢測(cè)要檢測(cè)的視頻流中的所有人，然后再計(jì)算所有檢測(cè)到的人之間的相互“距離”，和現(xiàn)實(shí)生活中用“m”這樣的單位衡量距離 不一樣的是，在計(jì)算機(jī)中，簡(jiǎn)單的方法是用檢測(cè)到的兩個(gè)人的質(zhì)心，也就是檢測(cè)到的目標(biāo)框的中心之間相隔的像素值作為計(jì)算機(jī)中的“距離”來(lái)衡量視頻中的人之間的距離是否超過(guò)安全距離。

座位管理部分具體構(gòu)建步驟：

基于以上口罩目標(biāo)檢測(cè)算法來(lái)檢測(cè)視頻流中的所有人，得到目標(biāo)的位置信息并通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)所得到的矩形框的四個(gè)邊角位置坐標(biāo)來(lái)計(jì)算其質(zhì)心位置，然后將所有目標(biāo)的質(zhì)心位置保存于數(shù)組中；利用itertools 模塊提供的組合生成函數(shù)combinations 函數(shù)使所有目標(biāo)質(zhì)心進(jìn)行兩兩組合且不帶重復(fù)，然后計(jì)算所有檢測(cè)到的人質(zhì)心之間的相互距離；自己設(shè)置安全距離，計(jì)算每?jī)蓚€(gè)目標(biāo)之間的距離后，檢測(cè)兩個(gè)人之間的距離是否小于N 個(gè)像素，小于則處于安全距離，反之則不處于，并將兩個(gè)處于危險(xiǎn)距離的目標(biāo)使用紅線進(jìn)行連接并顯示High Risk 以便于觀看,如圖6 所示。

圖6 座位管理頁(yè)面圖

4.2.3 室內(nèi)紅外測(cè)溫模塊

室內(nèi)紅外測(cè)溫部分采用的是基于MLX90640 傳感器的紅外測(cè)溫模塊，是一款高分辨率紅外陣列傳感器，可以提供32×24 個(gè)測(cè)量像素，其工作溫度范圍為-40℃～+85℃，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式、高精度的溫度測(cè)量。該傳感器采用了先進(jìn)的非接觸式紅外技術(shù)，可以在快速移動(dòng)的對(duì)象上準(zhǔn)確測(cè)量溫度，同時(shí)也適用于低溫和高溫環(huán)境。它通過(guò)UART 通信與電腦進(jìn)行連接通信，將畫面中檢測(cè)到的最高溫度顯示出來(lái)，便于人員觀察。若畫面中沒(méi)有人體，則直接輸出所測(cè)環(huán)境溫度，若檢測(cè)到人體存在，就進(jìn)行一定的溫度補(bǔ)償，使所得數(shù)據(jù)更加合理化。

■4.2.4 管理員提醒模塊

管理員提醒部分采用郵箱提醒與微信公眾號(hào)提醒兩種方式，算法會(huì)對(duì)每一幀進(jìn)行人及口罩的目標(biāo)預(yù)測(cè)，輸出擬合度高的目標(biāo)，檢測(cè)到未佩戴口罩的行為后，保存照片。在設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的狀態(tài)下，調(diào)用已保存的未佩戴口罩照片通過(guò)郵箱發(fā)送函數(shù)，將圖片和提醒發(fā)送到預(yù)先設(shè)定的郵箱完成提醒管理員的功能；或者通過(guò)調(diào)用掛載的微信公眾號(hào)向管理員推送違規(guī)信息。以便管理員作出及時(shí)糾正。如圖7 所示。

圖7 管理員提醒頁(yè)面圖

門禁防疫管理軟件流程如圖8 所示，室內(nèi)防疫管理軟件流程如圖9 所示。

圖8 門禁防疫管理軟件流程圖

圖9 室內(nèi)防疫管理軟件流程圖

5 系統(tǒng)測(cè)試

■5.1 門禁防疫管理測(cè)試

為測(cè)試門禁防疫管理系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果與檢測(cè)準(zhǔn)確性，分為以下四種情景來(lái)進(jìn)行測(cè)試。情景1：入館人員身份識(shí)別錯(cuò)誤，情景2：入館人員未佩戴口罩，情景3：入館人員體溫異常，情景4：紅外檢測(cè)到人員通過(guò)閘機(jī)后，對(duì)人員進(jìn)行自動(dòng)消殺。每種情景采取多人以及80 次以上的測(cè)試，從而提高測(cè)試的準(zhǔn)確性，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 門禁防疫管理測(cè)試數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，門禁防疫管理系統(tǒng)能夠正確識(shí)別進(jìn)館人員身份，并能對(duì)進(jìn)館人員的口罩佩戴情況與體溫情況進(jìn)行精準(zhǔn)地判斷與測(cè)量。同時(shí)，可以成功實(shí)現(xiàn)消殺的功能。

■5.2 室內(nèi)防疫管理系統(tǒng)測(cè)試

為測(cè)試室內(nèi)防疫管理系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果與檢測(cè)準(zhǔn)確性，分為以下四種情景來(lái)進(jìn)行測(cè)試。情景1：室內(nèi)人員未佩戴口罩，情景2：室內(nèi)人員體溫異常，情景3：室內(nèi)人員距離過(guò)近，情景4：以上三種異常情況發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)提醒管理員。每種情景采取多人以及80 次以上的測(cè)試，從而提高測(cè)試的準(zhǔn)確性，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 室內(nèi)防疫管理測(cè)試數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，室內(nèi)防疫管理系統(tǒng)能夠有效地對(duì)圖書館內(nèi)部人員進(jìn)行口罩檢測(cè)、能夠正確判斷出人員間距以及正確測(cè)量出館內(nèi)人員體溫。同時(shí)，可以將人員未佩戴口罩、人員距離過(guò)近、體溫異常情況通過(guò)郵箱與微信公眾號(hào)的方式上報(bào)給管理人員，從而成功地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提醒管理員的功能。

綜上所述，本系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果高效準(zhǔn)確、科學(xué)合理、符合實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)目的在于實(shí)現(xiàn)圖書館防疫一體化、智能化、多功能化與高效化的管理，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景可分為圖書館門禁防疫管理與圖書館室內(nèi)防疫管理兩部分。可為圖書館在門禁處提供身份識(shí)別、口罩識(shí)別、紅外測(cè)溫、沖卡報(bào)警、自動(dòng)消殺的功能，也可在館內(nèi)提供座位管理、口罩與體溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)告的功能，是一個(gè)智能化、多功能化與高效化的綜合系統(tǒng)。本系統(tǒng)創(chuàng)新性地把口罩檢測(cè)和體溫檢測(cè)納入門禁系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)式的疫情防控門禁；同時(shí)在室內(nèi)實(shí)時(shí)進(jìn)行口罩檢測(cè)同時(shí)進(jìn)行距離監(jiān)測(cè)和體溫監(jiān)測(cè)，大大提高了室內(nèi)的防疫效率。

本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）本發(fā)明創(chuàng)新性地將多種模塊相結(jié)合，極大地降低了人工成本，節(jié)省了人力資源，在不干擾館內(nèi)人員正?；顒?dòng)的情況下，極大增強(qiáng)了對(duì)于疫情的防控力度，保證了入館效率；

（2）本發(fā)明的口罩識(shí)別采用YOLOv5 方案，識(shí)別的準(zhǔn)確率得到了顯著提升，性能占用相比OpenCV 更低。同時(shí)，YOLOv5 具有良好的兼容性，可以多平臺(tái)部署，以及適配CUDA 等GPU 加速工具，使效果得到進(jìn)一步優(yōu)化；

（3）室內(nèi)的實(shí)時(shí)的體溫檢測(cè)與口罩的多人檢測(cè)解決了巡查人員有監(jiān)管盲區(qū)的問(wèn)題，大幅降低館內(nèi)人員傳染病交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)節(jié)省了大量的人力資源成本；

（4）檢測(cè)到違規(guī)行為實(shí)時(shí)進(jìn)行記錄與位置上報(bào)，方便管理人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處置與處罰證據(jù)的留存。