基于Arduino的智能輔助引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：為提高人員密集場所的引導(dǎo)效率，滿足特殊處置要求，以輔助引導(dǎo)和圖像溫度特征檢測作為出發(fā)點，提出并設(shè)計了基于Arduino的智能輔助引導(dǎo)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了OpenMV IDE集成開發(fā)環(huán)境、Arduino編程和多模塊集成實時響應(yīng)技術(shù)，實現(xiàn)了高精度身份識別、佩戴口罩識別及智能語音提醒、智能循跡與引導(dǎo)、自動化測溫播報以及噴灑消毒試劑等功能，有利于緩解人員密集場所的引導(dǎo)與疏散壓力，規(guī)范醫(yī)院、學(xué)校、酒店、影院等場所的人員秩序，并且具有一定的功能拓展空間。實驗結(jié)果表明，智能輔助引導(dǎo)系統(tǒng)實現(xiàn)了以醫(yī)院為應(yīng)用場景的秩序維護(hù)、口罩檢測、測溫、消毒功能，并具備提高引導(dǎo)與檢測效率的能力。該系統(tǒng)對于幫助醫(yī)護(hù)人員處置公共衛(wèi)生事件，減少不必要的人力投入和感染風(fēng)險，具有積極作用。

關(guān)鍵詞：Arduino；智能輔助引導(dǎo)系統(tǒng)；圖像識別；身份識別；溫度檢測；消毒響應(yīng)

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-00-03

0 引 言

當(dāng)今社會，公共衛(wèi)生安全越來越受到人們的重視。為了降低傳染病流行的風(fēng)險，許多公共場所如醫(yī)院、學(xué)校、影劇院、大型會議現(xiàn)場等都需要采取引導(dǎo)措施[1-4]，確保進(jìn)入場所的人員佩戴口罩、測量體溫、進(jìn)行必要的消毒等。為了有效地采取措施，在人員密集且有特殊要求的場所，往往采用人工檢測與引導(dǎo)，需要大量引導(dǎo)人員并且引導(dǎo)人員不得不進(jìn)行大量重復(fù)性的工作，導(dǎo)致人力資源的浪費，增加病毒傳播風(fēng)險[5-7]。在很多人員密集場所，由于缺少智能的信息導(dǎo)引，往往會導(dǎo)致秩序混亂，影響工作的進(jìn)度。部分醫(yī)院和醫(yī)療場所因缺乏信息采樣和整合的處理系統(tǒng)而采用人工檢測記錄的方式，易造成信息遲滯、管理混亂、效率低下、疾病傳播風(fēng)險增加。有效地進(jìn)行管理和引導(dǎo)，開發(fā)高效準(zhǔn)確的智能引導(dǎo)系統(tǒng)，可以為人員密集場所的秩序管理提供先進(jìn)的解決方案。

隨著計算機視覺、深度學(xué)習(xí)和傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能引導(dǎo)機器人、智能車等產(chǎn)品的性能和應(yīng)用場景也在不斷擴展[8]。在許多領(lǐng)域，智能引導(dǎo)車已經(jīng)開始逐漸取代傳統(tǒng)人工操作的工具，成為智慧城市建設(shè)的重要一環(huán)[9-10]。

為解決人員密集場所的智能引導(dǎo)及秩序管理問題，本文提出基于Arduino的智能輔助引導(dǎo)系統(tǒng)，在醫(yī)院、影劇院、會場等場景中可以實現(xiàn)人員的身份采集、語音播報、動態(tài)維持秩序、測溫并消毒等功能。該系統(tǒng)能夠有效減少工作人員的投入，緩解人員秩序管理壓力，有效提高人員密集場所管理和疏導(dǎo)效率。

該系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)具有一定的研究價值和實用性，并且具備多種功能拓展能力，能夠在已有基礎(chǔ)上集成具備其他功能的子模塊，可適應(yīng)場景和功能多樣，具有較大的拓展與創(chuàng)新空間。

1 系統(tǒng)組成

智能輔助引導(dǎo)系統(tǒng)包括Arduino主控模塊、檢測與信號輸入模塊、響應(yīng)與功能輸出模塊以及車體外部框架等主要部分組成，其組成框圖如圖1所示。

信號與輸入模塊包括循跡模塊、藍(lán)牙模塊、紅外測溫模塊與OpenMV攝像頭模塊，具有識別路線灰度、接受遙控信息、紅外測量溫度和獲取圖像信息并識別的功能。

響應(yīng)與功能輸出模塊包括電機模塊、語音播報模塊與自行改裝的噴霧模塊，具有維持智能引導(dǎo)系統(tǒng)運動、發(fā)聲播報與噴灑消毒功能。

Arduino主控模塊是整個系統(tǒng)的核心控制模塊，通過URAT串口通信接收輸入信號，通過編寫相應(yīng)代碼對輸入信號進(jìn)行合理處理，在指定接口輸出控制信號，控制響應(yīng)模塊實現(xiàn)對應(yīng)功能。

2 實施方案與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)實施具體方案

本文所設(shè)計的智能輔助引導(dǎo)系統(tǒng)由多個模塊組合實現(xiàn)。由OpenMV攝像頭模塊采集待檢測對象的圖像信號，經(jīng)過其內(nèi)部的分析檢測，與測溫芯片檢測的溫度信號一起被傳遞給Arduino控制主板，控制主板繼而判斷圖像的類別和范圍，根據(jù)檢測結(jié)果執(zhí)行相對應(yīng)的響應(yīng)子模塊動作；此時語音播報模塊、噴霧模塊與電機驅(qū)動模塊在Arduino主板的控制下獲取待檢測對象的信息，將響應(yīng)信號發(fā)送至各子模塊芯片控制器內(nèi)部運行，最終達(dá)到預(yù)定目標(biāo)：收到二維碼識別指令時播報體溫，并打開噴霧器消毒；實時根據(jù)檢測對象的口罩佩戴情況進(jìn)行語音提醒；實現(xiàn)智能輔助引導(dǎo)系統(tǒng)車體運動的功能。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

OpenMV口罩識別，即人臉口罩識別功能。首先需要準(zhǔn)備大量的人臉口罩圖片作為數(shù)據(jù)集，針對大量的不同數(shù)據(jù)通過高效的算法才能訓(xùn)練出一個有效的模型，這種方式叫做深度訓(xùn)練模型訓(xùn)練。

在這里利用OpenMV的IDE來采集圖片，采集200張左右的人臉圖片進(jìn)行訓(xùn)練，并且將其上傳到Edge Impulse的在線網(wǎng)站上。

將訓(xùn)練集與數(shù)據(jù)集的比例分別設(shè)置成80%和20%，即上傳的照片中80%用于訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，20%用于和鏡頭中的圖像進(jìn)行匹配。通過Edge Impulse在線網(wǎng)站訓(xùn)練模型，并且在網(wǎng)站上可以進(jìn)行Transfer Learning，大大減少了訓(xùn)練的時間，最后平臺會自己進(jìn)行準(zhǔn)確率評估。當(dāng)錯誤率在5%以下時，這個訓(xùn)練出來的模型就具有一定的實用性。

最后將訓(xùn)練好的模型和生成的main.py代碼下載到OpenMV攝像頭模塊中，接通電源模塊即可自動運行。

3 微縮系統(tǒng)實現(xiàn)及運行效果

為了初步探索智能輔助引導(dǎo)系統(tǒng)的方案可行性，本文設(shè)計了對應(yīng)的等比微縮引導(dǎo)車系統(tǒng)，并對各個功能進(jìn)行實驗和調(diào)試。通過模擬真實就醫(yī)情況下智能輔助引導(dǎo)系統(tǒng)是否可以正常行駛以及是否能實現(xiàn)掃碼測溫消毒與口罩識別功能。

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文設(shè)計的微縮系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)建模圖如圖2所示。由圖2可以看出，引導(dǎo)車系統(tǒng)分三層結(jié)構(gòu)：最底層安裝有TCRT5000循跡模塊、電機驅(qū)動模塊與供電電池部分，以降低整個引導(dǎo)車系統(tǒng)的重心，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；第二層放置Arduino主控板，并在引導(dǎo)車前方豎直安裝了MLX90614紅外測溫模塊；最上層則放置了OpenMV攝像頭模塊與XFS5152語音播報模塊，以便于實現(xiàn)二維碼掃描與口罩識別功能；與此同時，在引導(dǎo)車的側(cè)面豎直放置了自己改裝制作的噴霧消毒模塊，完成對應(yīng)消毒功能。

3.2 引導(dǎo)車系統(tǒng)行駛的運行效果

將微縮建模的智能引導(dǎo)系統(tǒng)實物化，得到如圖3所示的智能輔助引導(dǎo)系統(tǒng)實物。在真實就醫(yī)情況下，運動的大部分時間為循跡模式，即沿著確定的線路行駛，但是在一些突發(fā)情況下也要通過遠(yuǎn)端控制來實現(xiàn)想要達(dá)到的目標(biāo)。

3.2.1 智能循跡

通過改變循跡線的寬度及外在光線影響來分別進(jìn)行實驗。實驗通過在白天、晚上昏暗燈光和晚上沒有燈光三種環(huán)境中來模擬外在光線改變時對實驗結(jié)果的影響。將小車置于循跡線上，在不同條件中，模擬小車是否沿線行駛，多次實驗并對實驗成功率進(jìn)行統(tǒng)計。

測試實驗結(jié)果顯示，雖然在少數(shù)情況（5%左右）下，智能引導(dǎo)小車也會出現(xiàn)偏離循跡線所規(guī)劃的路線的現(xiàn)象，但大部分情況（95%左右）下，智能引導(dǎo)車系統(tǒng)可以在室內(nèi)環(huán)境下根據(jù)循跡線所規(guī)劃的路線正常行駛，即在偏離循跡線時可以自我修正，在到達(dá)劃定的橫向黑線時停止。

3.2.2 藍(lán)牙控制

通過按動按鍵，驅(qū)使引導(dǎo)車系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的直行、轉(zhuǎn)彎、倒車和停止等運動。通過改變控制終端與引導(dǎo)車系統(tǒng)的距離來檢驗藍(lán)牙控制的靈敏度和準(zhǔn)確性，多次實驗并對實驗成功率進(jìn)行統(tǒng)計。

實驗結(jié)果顯示，微縮引導(dǎo)車系統(tǒng)能夠接收到控制信號，并實現(xiàn)前進(jìn)后退等移動任務(wù)。

3.3 掃碼、測溫、消毒與口罩識別的運行效果

作為智能輔助引導(dǎo)系統(tǒng)，能夠進(jìn)行掃碼測溫，其中口罩識別及提醒和引導(dǎo)是系統(tǒng)工作的核心和重點。

3.3.1 掃碼、測溫與消毒工作

當(dāng)被測人員出示健康碼時，如果檢測到二維碼，系統(tǒng)會對被檢測者測溫并進(jìn)行播報，同時對被測人員的手部進(jìn)行消毒。通過改變健康碼的清晰度來檢驗掃碼的靈敏度，多次實驗并對實驗中測溫的準(zhǔn)確率以及消毒的成功率進(jìn)行統(tǒng)計。

在測試實驗中，微縮智能引導(dǎo)系統(tǒng)可以識別出示的二維碼給出相應(yīng)播報語音；在被測人員靠近時，則可以進(jìn)行測溫播報，并噴灑消毒噴霧。

3.3.2 口罩識別工作

當(dāng)被測人員佩戴口罩時，微縮引導(dǎo)車系統(tǒng)會提醒被測人員“請戴好口罩保持間距”；當(dāng)被測人員未戴口罩時，引導(dǎo)車系統(tǒng)會提醒被測人員“請戴好口罩靠近測溫”。通過改變口罩的顏色、形式來檢驗識別的準(zhǔn)確性，多次實驗并對實驗成功率進(jìn)行統(tǒng)計。

在Edge Impulse網(wǎng)站測試中，對應(yīng)測試集的正確率結(jié)果見表1所列；口罩識別的測試集樣本的特征圖如圖4所示。

3.4 測試結(jié)果與誤差原因分析

在測試過程中，少數(shù)情況下，智能引導(dǎo)車系統(tǒng)會出現(xiàn)偏離循跡線所規(guī)劃的路線、對口罩的識別情況出現(xiàn)錯誤等問題。分析是光線、循跡線顏色和目標(biāo)檢測算法自身等因素影響了系統(tǒng)的循跡功能和口罩識別功能，導(dǎo)致系統(tǒng)工作失常。同時，在口罩檢測和測溫過程中，需要人員較高程度的配合，在實際應(yīng)用的過程中可能會產(chǎn)生一些問題。

實驗結(jié)果表明，本文研究的智能輔助引導(dǎo)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)沿循跡線路正常運行，藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制按照規(guī)定的線路行駛；在行駛過程中對待測人員進(jìn)行測溫播報、口罩識別、噴灑消毒，調(diào)試過程中有較高的成功率和穩(wěn)定性，反映了系統(tǒng)各模塊算法的優(yōu)越性能，以及各模塊之間通信和協(xié)作的精確性。

4 結(jié) 語

當(dāng)今社會，智能化技術(shù)的發(fā)展帶動著各行各業(yè)的創(chuàng)新和改變。在醫(yī)療、養(yǎng)老、教育、文化、體育等多個領(lǐng)域中，智能化技術(shù)正逐漸發(fā)揮越來越重要的作用。本文以引導(dǎo)系統(tǒng)主體框架、Arduino主控模塊、OpenMV攝像頭模塊、MLX90614紅外測溫模塊、TCRT5000循跡模塊、XFS5152語音播報模塊等為硬件基礎(chǔ)，以循跡路徑識別算法、OpenMV圖像識別算法等作為軟件基礎(chǔ)，設(shè)計基于模塊集成的醫(yī)療智能輔助引導(dǎo)車，具有相對穩(wěn)定和可靠的系統(tǒng)。實驗證明，智能輔助引導(dǎo)系統(tǒng)可以維護(hù)場地的秩序，配合引導(dǎo)人員進(jìn)行登記、測溫、口罩檢測、人員引導(dǎo)和維持秩序等工作，減輕人員密集場所引導(dǎo)人員的工作壓力，降低疾病傳染概率，對降低運營和維護(hù)成本，提高工作效率，具有積極的意義。

此外，模塊化設(shè)計也使系統(tǒng)的功能可以較方便地得到拓展，比如遞送功能、搬運功能、檢測功能等，可以根據(jù)不同的需求拓展適用于多種場合的功能，從而使其具有更加廣闊的應(yīng)用空間，成為智慧城市建設(shè)的重要組成部分。

注：本文通訊作者為齊昌春。

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作者簡介：齊昌春（2002—），男，西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2020級本科，研究方向為電氣工程及其自動化。

王泓鑒（2001—），男，西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2020級本科，研究方向為電氣工程及其自動化。

占 檸（2002—），男，西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2020級本科，研究方向為電氣工程及其自動化。

羅博宇（2002—），男，西安交通大學(xué)電信學(xué)部2020級本科，研究方向為微電子。

申茂群（2003—），男，西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2020級本科，研究方向為電氣工程及其自動化。

收稿日期：2023-04-25 修回日期：2023-05-22

基金項目：陜西省西安交通大學(xué)2022年省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（XJ202210698027）；西安交通大學(xué)2022年本科教學(xué)改革研究項目（2210Y）