針對新冠病毒感染的自適應(yīng)調(diào)光防疫門禁系統(tǒng)

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一款基于OpenMV和STM32的綜合健康管理和門禁系統(tǒng)，旨在應(yīng)對當(dāng)前全球范圍內(nèi)的公共衛(wèi)生和安全挑戰(zhàn)。系統(tǒng)通過圖像識別和傳感器數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)口罩識別、人體體溫監(jiān)測以及RFID驗(yàn)證等功能。OpenMV將口罩信息通過UART協(xié)議傳輸給STM32C8T6核心MCU，MCU根據(jù)綜合信息驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制門禁系統(tǒng)。當(dāng)檢測到體溫過高的人員時(shí)，MCU發(fā)送拍照標(biāo)志位給OpenMV，進(jìn)行拍照記錄，并通過ESP8266傳遞給服務(wù)器，之后通過TCP/IP協(xié)議傳輸?shù)绞謾C(jī)APP。同時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境光照水平由PID算法計(jì)算補(bǔ)光值，并通過PWM波進(jìn)行補(bǔ)光調(diào)節(jié)。通過雙紅外對射管統(tǒng)計(jì)人數(shù)，利用JQ8900N芯片驅(qū)動(dòng)喇叭進(jìn)行語音播報(bào)。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)健康管理和安全門禁控制，提高公共場所的安全性和衛(wèi)生管理水平。

關(guān)鍵詞：OpenMV；STM32；門禁系統(tǒng)；口罩識別；人體體溫監(jiān)測；RFID；PID；雙紅外對射；語音播報(bào)

中圖分類號：TP272 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-0-05

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.038

0 引 言

近年來，人們在特殊時(shí)期越來越重視門禁系統(tǒng)的健康安全管理功能，以確保個(gè)人安全[1]。通過整合先進(jìn)的技術(shù)，例如圖像識別、傳感器數(shù)據(jù)分析和無線通信等，能夠?qū)崿F(xiàn)檢測新冠病毒癥狀的智能系統(tǒng)，從而在一定程度上預(yù)防病毒的擴(kuò)散。這些系統(tǒng)在減少傳染病的傳播和增強(qiáng)公共衛(wèi)生保護(hù)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

盡管許多現(xiàn)有系統(tǒng)具備了基本的人員健康監(jiān)測和門禁控制功能，但它們往往缺乏完善的環(huán)境調(diào)節(jié)功能，如根據(jù)環(huán)境光照進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)光，從而提高圖像識別的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)。例如，文獻(xiàn)[2]所描述的安檢門雖然配備了口罩檢測和體溫測量功能，但不能夠根據(jù)環(huán)境變化自動(dòng)補(bǔ)光。同樣，文獻(xiàn)[3]中的防疫門禁系統(tǒng)能夠進(jìn)行口罩檢測，但無法實(shí)現(xiàn)測溫和調(diào)光補(bǔ)光功能。

本系統(tǒng)利用多種傳感器和傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了綜合性的防疫門禁系統(tǒng)，本系統(tǒng)具備口罩檢測、自適應(yīng)環(huán)境補(bǔ)光、紅外測溫、通過人數(shù)計(jì)算、語音播報(bào)、安卓APP圖像顯示以及RFID（Radio Frequency Identification， RFID）驗(yàn)證等功能。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

首先，該門禁系統(tǒng)應(yīng)具備口罩佩戴檢測功能，并具有一定的對抗環(huán)境干擾的能力，以確保通過系統(tǒng)的人員都佩戴口罩，防止因不佩戴口罩而發(fā)生的病毒傳播。其次，系統(tǒng)應(yīng)配備非接觸式溫度測量裝置[4]，以便在不接觸的情況下測量通過人員的體溫。這樣，系統(tǒng)能夠檢測出發(fā)熱人員，并記錄其特征，且能夠在類似安卓APP的終端查看，對追蹤發(fā)熱人員提供幫助。此外，門禁系統(tǒng)應(yīng)能對通過的人員進(jìn)行語音播報(bào)提醒，以便了解他們下一步的動(dòng)作。

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用OV5640攝像頭進(jìn)行圖像采集，在OpenMV（Open Machine Vision）集成的STM32H743II芯片上實(shí)現(xiàn)圖像處理，通過UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter Protocol）協(xié)議將口罩佩戴信息和圖像信息傳輸給STM32C8T6核心MCU（Microcontroller Unit）[5]，其中，MCU采用ST-link（STMicroelectronics）經(jīng)SWD（Serial Wire Debug）接口進(jìn)行調(diào)試與編程。系統(tǒng)使用MLX90614紅外測溫傳感器檢測體溫，并通過ESP8266將拍照記錄傳輸?shù)奖镜胤?wù)器。服務(wù)器通過TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）協(xié)議與手機(jī)APP通信，傳輸拍照記錄。光照度自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊通過線性擬合和PID（Proportional Integral Derivative Control）算法實(shí)現(xiàn)光照度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)[6]，雙紅外對射管用于統(tǒng)計(jì)人數(shù)，JQ8900N芯片驅(qū)動(dòng)喇叭進(jìn)行語音播報(bào)。整體器件連接設(shè)計(jì)如圖1所示。

以上各個(gè)器件相互配合，使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)綜合健康管理與門禁功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由圖像采集與處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸與控制模塊、人體溫度檢測與拍照模塊、服務(wù)器與手機(jī)APP通信模塊、光照度自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊以及人數(shù)統(tǒng)計(jì)與語音播報(bào)模塊組成。系統(tǒng)模塊組成如圖2所示。

2.1 圖像采集與處理模塊

設(shè)計(jì)圖像采集與處理模塊時(shí)，需要考慮攝像頭的選擇、接口設(shè)計(jì)以及圖像處理算法的支持。

攝像頭應(yīng)具有高分辨率、良好的圖像質(zhì)量和強(qiáng)大的適應(yīng)性。因此選擇OV5640攝像頭，它具備高分辨率和優(yōu)秀的圖像質(zhì)量，適用于人員識別和圖像處理。

模塊與主控單元（STM32H743II芯片和STM32C8T6核心）之間的數(shù)據(jù)交換采用UART協(xié)議。圖像數(shù)據(jù)和處理結(jié)果能被傳輸給主控MCU，實(shí)現(xiàn)模塊間的數(shù)據(jù)交互。

圖像采集與處理模塊的硬件設(shè)計(jì)應(yīng)支持各種圖像處理算法，因此選擇STM32H743II芯片，它具備強(qiáng)大的處理能力和豐富的圖像處理算法庫，支持實(shí)時(shí)圖像處理和分析。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸與控制模塊

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸與控制模塊主要考慮各模塊間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議、核心MCU對電機(jī)的控制。

對于2個(gè)芯片之間的通信采用UART協(xié)議，MCU的

2個(gè)UART串口通信模塊集成到數(shù)據(jù)傳輸與控制模塊中[7]，負(fù)責(zé)從OpenMV的STM32H743II芯片向核心MCU傳輸口罩佩戴和相關(guān)圖像信息，同時(shí)向ESP8266模塊發(fā)送圖像信息，核心MCU接收口罩佩戴和圖像信息，并接收RFID模塊的信息以及人體體溫傳感器數(shù)據(jù)。通過UART協(xié)議，圖像信息從STM32C8T6傳輸至ESP8266模塊，然后ESP8266模塊將圖像信息發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，供手機(jī)APP查看。

最后，STM32C8T6通過GPIO引腳連接電機(jī)[8]。根據(jù)口罩信息、體溫信息和RFID刷卡信息，MCU控制相應(yīng)的GPIO（General Purpose Input/Output）引腳驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而控制門的開啟或關(guān)閉。

2.3 人體溫度檢測與拍照模塊

人體溫度檢測與拍照模塊用于檢測人員的體溫。它通過紅外傳感器測量人體的熱量輻射，并將測得的溫度數(shù)據(jù)傳輸給MCU進(jìn)行處理。

使用UART協(xié)議實(shí)現(xiàn)MCU（STM32C8T6核心）與OpenMV（STM32H743II芯片）之間的通信。MCU向OpenMV發(fā)送拍照標(biāo)志位，用于觸發(fā)拍照記錄的開始。

OpenMV接收到MCU發(fā)送的拍照標(biāo)志位后，執(zhí)行拍照操作，并將拍照記錄轉(zhuǎn)為JPEG流傳輸?shù)組CU中，再由ESP8266轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器中存儲，最后通過TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)到安卓APP。

2.4 人數(shù)統(tǒng)計(jì)與語音播報(bào)模塊

使用雙紅外對射管作為人數(shù)統(tǒng)計(jì)傳感器。這種傳感器由一對發(fā)射器和接收器組成，可以通過檢測人體通過時(shí)的阻斷情況來實(shí)現(xiàn)人數(shù)統(tǒng)計(jì)。當(dāng)有人通過時(shí)，紅外光束會(huì)被阻斷，傳感器將檢測到信號變化，并統(tǒng)計(jì)通過的人數(shù)以統(tǒng)計(jì)通過系統(tǒng)的人流量。

使用JQ8900N芯片驅(qū)動(dòng)喇叭進(jìn)行語音播報(bào)。JQ8900N是一種集成語音解碼和功放功能的芯片，可以通過外部喇叭播放音頻文件。該芯片可連接MCU，以控制播放內(nèi)容和音量等參數(shù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 OpenMV軟件設(shè)計(jì)

在OpenMV上，需要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的圖像處理算法，用于口罩佩戴檢測和異常人員拍照。在實(shí)現(xiàn)這些算法的過程中，需要使用OpenMV IDE（Open Machine Vision Integrated Development Environment）進(jìn)行開發(fā)，使用Micropython語言編程。由于需要建立口罩檢測模型，因此需要用Edge Impulse平臺進(jìn)行機(jī)器模型的訓(xùn)練。

在初始化攝像頭、UART以及圖像分辨率和顏色模式后，加載Haar（Haar-like）特征來識別眼部（口罩佩戴后的主要識別區(qū)域）。然后對采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理，利用Haar特征判斷人臉，并運(yùn)行口罩檢測模型。同時(shí)，將圖像亮度和處理結(jié)果發(fā)送給MCU，在接收到MCU的判定狀態(tài)后，如果檢測到異常人員，會(huì)拍照并發(fā)送到MCU。如果無異常，則重新開始人臉檢測。OpenMV算法流程如圖3

所示。

3.2 STM32軟件設(shè)計(jì)

在STM32核心MCU上，需要實(shí)現(xiàn)對應(yīng)器件控制邏輯和信息傳輸邏輯[8-9]。系統(tǒng)初始化后，接收到OpenMV找到人臉標(biāo)志后對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與判斷，存儲標(biāo)志位的數(shù)組發(fā)生變化，如果體溫異常，則對OpenMV發(fā)送拍照標(biāo)志對其進(jìn)行拍照記錄，將圖像信息通過UART協(xié)議轉(zhuǎn)到MCU，再由ESP8266發(fā)送到服務(wù)器并對存儲標(biāo)志的數(shù)組復(fù)位；若體溫正常但RFID驗(yàn)證失敗或未戴口罩，則進(jìn)行語音播報(bào)并不對標(biāo)志位復(fù)位；若三項(xiàng)指標(biāo)均正常，則開啟電機(jī)，人員進(jìn)入。主函數(shù)算法流程如圖4所示。

3.3 PID自適應(yīng)調(diào)光

PID算法即比例-積分-微分控制算法，是一種常用的控制算法，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。PID算法通過對系統(tǒng)的誤差進(jìn)行反饋控制，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)輸出的精確調(diào)節(jié)。通過OpenMV得到的亮度作為現(xiàn)實(shí)值，設(shè)計(jì)PID控制器并計(jì)算輸出的PWM占空比，不斷調(diào)節(jié)LED的亮度值達(dá)到OpenMV最適合的檢測模型亮度[10]。

e（t）（誤差值）和u（t）（輸出量）的關(guān)系：

（1）

式中：KP為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)，其均為調(diào)適參數(shù)，需手動(dòng)調(diào)整。

由式（1）可以得到輸出值為誤差值的比例增益、積分增益、微分增益的總和。由線性擬合得到的最佳亮度值與OpenMV得到的亮度值進(jìn)行相減得到誤差值e（t），經(jīng)過比例增益、積分增益、微分增益后得到輸出的PWM占空比值u（t），WS2812BLED根據(jù)該值調(diào)光，隨后改變OpenMV得到亮度值，形成自反饋系統(tǒng)并不斷接近目標(biāo)值。系統(tǒng)PID工作算法流程如圖5示。

4 系統(tǒng)集成與測試

為全面測試本系統(tǒng)的綜合性能，需要從多方面進(jìn)行考量。首先，需要評估本系統(tǒng)的口罩檢測算法以及PID調(diào)光性能；其次，通過模擬人體溫度檢驗(yàn)系統(tǒng)的體溫監(jiān)測精度和可靠性，同時(shí)確認(rèn)在檢測到體溫過高時(shí)是否能準(zhǔn)確執(zhí)行拍照記錄功能以及評估ESP8266的數(shù)據(jù)傳輸能力，TCP/IP協(xié)議的通信穩(wěn)定性[11]及手機(jī)APP的接收與處理能力[12]。接著，使用多種RFID標(biāo)簽測試系統(tǒng)的RFID驗(yàn)證功能，測試系統(tǒng)的人數(shù)統(tǒng)計(jì)與語音播報(bào)功能的準(zhǔn)確性。最后，對系統(tǒng)進(jìn)行整體

測試。

4.1 口罩檢測算法與PID調(diào)光測試

OpenMV由灰度均值得到的亮度水平作為亮度參考標(biāo)準(zhǔn)，首先采用程序處理方法對圖像的采集進(jìn)行提亮或者減亮操作，將結(jié)果保存到SD卡中，后導(dǎo)出并對其進(jìn)行線性擬合，得到最佳識別亮度約為144。將其作為PID的目標(biāo)值，取5種平常肉眼觀察到的黑暗、微光、較暗、正常與較高的亮度水平作為調(diào)光前的亮度進(jìn)行100次測試。測試結(jié)果見表1所列。

由表2中的測量數(shù)據(jù)得到，本系統(tǒng)的口罩檢測算法能夠準(zhǔn)確檢測行人是否佩戴口罩，且能夠準(zhǔn)確調(diào)光。

4.2 體溫監(jiān)測性能與異常人員拍照傳輸測試

通過與醫(yī)用紅外測溫槍的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，在不同環(huán)境溫度下進(jìn)行了溫度對比測試。在同一熱源，同一時(shí)間進(jìn)行了100次測量，獲取系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)。同時(shí)，還進(jìn)行了模擬異常人員嘗試通過系統(tǒng)的測試。在額頭上貼上40 ℃以上的熱源，一次不戴口罩，一次戴上口罩，每種情況測試30次。系統(tǒng)在測試過程中，都會(huì)拍照并將圖片發(fā)送至服務(wù)器，再轉(zhuǎn)發(fā)到安卓APP。

由表2中的測量數(shù)據(jù)得到，本系統(tǒng)的體溫檢測性能較好，對異常人員的拍照傳輸較為穩(wěn)定。

4.3 RFID驗(yàn)證、人數(shù)統(tǒng)計(jì)與語音播報(bào)測試

利用成功寫入的RFID進(jìn)行50次驗(yàn)證，通過率為100%；利用未寫入的RFID進(jìn)行50次驗(yàn)證，使用紅外對射管進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計(jì)，采用連續(xù)不規(guī)則的出入測試模式。在系統(tǒng)安裝完成后進(jìn)行語音播報(bào)測試，在正常通過、溫度異常報(bào)警、RFID驗(yàn)證失敗狀態(tài)下進(jìn)行播報(bào)測試。

RFID驗(yàn)證測試中寫入的RFID均通過，未寫入的RFID均能成功攔截，人數(shù)統(tǒng)計(jì)測試成功率為99.5%，語音播報(bào)測試中所有狀態(tài)語音均能成功播報(bào)。測試結(jié)果見表3

所列。

由表3中的數(shù)據(jù)得到本系統(tǒng)的RFID驗(yàn)證模塊、人數(shù)統(tǒng)計(jì)模塊與語音播報(bào)模塊均能夠較好發(fā)揮性能。

4.4 系統(tǒng)整體測試

用2個(gè)桌子間的空隙模擬進(jìn)出通道，通道左右安裝紅外對射管記錄進(jìn)出人員。將所需模塊集成在MCU上，外接電源供電板，盒子內(nèi)有WiFi模塊、語音芯片和喇叭。測試口罩的OpenMV、紅外非接觸溫度計(jì)、光照傳感器和WS2812BLED裝在伸縮桿上，系統(tǒng)集成實(shí)物如圖6示。

集成后對所有功能進(jìn)行模擬使用時(shí)的測試，系統(tǒng)各功能能夠配合執(zhí)行，測試結(jié)果見表4所列。圖7為APP所示異常人員照片。

由表4中的數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)集成后依然能夠很好地完成既定功能，可以有效保障環(huán)境安全。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)集成了多種傳感器和功能模塊，成功實(shí)現(xiàn)了針對病毒擴(kuò)散期間場所管理的智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)融合圖像處理、語音識別、人數(shù)統(tǒng)計(jì)等技術(shù)，可以自動(dòng)檢測是否佩戴口罩，并測量體溫、統(tǒng)計(jì)人數(shù)和調(diào)節(jié)光照，大大減少了人工操作的不確定性，降低了病毒傳播風(fēng)險(xiǎn)，提升了公共衛(wèi)生安全和工作效率。系統(tǒng)的實(shí)用性和前景在于其可減輕人力負(fù)擔(dān)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益和醫(yī)療前沿技術(shù)的應(yīng)用。

總體而言，本系統(tǒng)具有巨大的應(yīng)用潛力和發(fā)展空間，它為防止病毒擴(kuò)散提供了有效的技術(shù)支持，并為智能化管理和監(jiān)控領(lǐng)域的研究提供了有價(jià)值的參考。相信經(jīng)過不斷實(shí)踐和探索，本系統(tǒng)會(huì)不斷完善和發(fā)展，為社會(huì)帶來更大貢獻(xiàn)。

注：本文通訊作者為周旋。

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收稿日期：2023-05-27 修回日期：2023-06-30

基金項(xiàng)目：吉首大學(xué)校級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（JDCX2022759）

作者簡介：朱金林（2003—），男，本科，就讀于吉首大學(xué)，研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ獭?/p>

彭心怡（2003—），女，本科，就讀于吉首大學(xué)，研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ獭?/p>

周 旋（1990—），女，碩士，吉首大學(xué)通信與電子工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)樾畔⑴c通信工程。