重慶第二師范學(xué)院 唐杰，涂開(kāi)俊，楊宗儡，冉軍槐

一、概述

自2020年新冠疫情爆發(fā)以來(lái)，全世界開(kāi)始對(duì)對(duì)疫情進(jìn)行防控。規(guī)范人們?cè)谝咔槠陂g的著裝安全成為重中之重，對(duì)人員集中場(chǎng)所進(jìn)行管控成為防疫環(huán)節(jié)中的重要一環(huán)。為有效阻止疫情的傳播與蔓延，國(guó)家衛(wèi)生健康委規(guī)定大家日常出行均須佩戴口罩，但是市民自覺(jué)佩戴口罩的意識(shí)較弱，曾多次出現(xiàn)人員聚集性感染現(xiàn)象。在人員流量大的地方采用人工方式進(jìn)行人體的溫度測(cè)量和觀(guān)察人員口罩的佩戴情況效率低下，會(huì)造成人力資源浪費(fèi)。因此，可以使用人臉識(shí)別技術(shù)自動(dòng)識(shí)別行人的口罩佩戴情況，實(shí)現(xiàn)高效無(wú)接觸式檢測(cè)，以及采用紅外測(cè)溫對(duì)來(lái)往的行人體溫進(jìn)行測(cè)量，人員在未佩戴口罩和體溫過(guò)高的情況下不予通過(guò)。

疫情著裝安全系統(tǒng)使用MLX90614系列紅外測(cè)溫模塊進(jìn)行溫度檢測(cè)，結(jié)合STM32單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)算法運(yùn)算進(jìn)行溫度測(cè)量和報(bào)警。人臉識(shí)別和口罩識(shí)別采用了openMV攝像頭模組，該攝像模組操作簡(jiǎn)單，可以使用openMV IDE安裝面部識(shí)別固件，用對(duì)應(yīng)的命令讓單片機(jī)控制openMV模塊。門(mén)禁系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)控制閘門(mén)的開(kāi)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)采用低功耗EPS8266WiFi模塊，為保證低成本、高效性，可進(jìn)行相關(guān)閾值調(diào)節(jié)。

二、硬件設(shè)計(jì)

硬件分為三大功能：面部識(shí)別、溫度測(cè)量和門(mén)禁系統(tǒng)。（見(jiàn)圖1）

圖1 硬件設(shè)置

其中，主控單片機(jī)使用STM32F 103ZET6，人臉識(shí)別模塊使用openMV，溫度傳感器使用MLX90614測(cè)溫模塊，門(mén)禁系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)控制，網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)采用低功耗EPS8266 WiFi模塊。

（一）單片機(jī)簡(jiǎn)介

STM32F103ZE系列是32位基于A(yíng)RM的M3芯片，最高72MHz工作頻率，在存儲(chǔ)器的0等待周期訪(fǎng)問(wèn)時(shí)可達(dá)1.25DMips/MHz，容量高達(dá)512k字節(jié)，具有強(qiáng)大的功能，USB、CAN、11個(gè)定時(shí)器、3個(gè)ADC、13個(gè)通信接口具有低功耗、高性?xún)r(jià)比高，便捷性好、模塊化編程等優(yōu)點(diǎn)。（見(jiàn)圖2）

圖2 單片機(jī)設(shè)置

（二）openMV模塊

openMV是一款可編程的攝像頭模組，是OpenMV國(guó)內(nèi)代理——星瞳科技的OpenMV產(chǎn)品來(lái)，只需要針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景編寫(xiě)程序邏輯即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的視覺(jué)處理功能，所以要實(shí)現(xiàn)面部識(shí)別相對(duì)容易。使用openMV IDE 安裝面部識(shí)別固件，可以使用對(duì)應(yīng)的命令讓單片機(jī)控制openMV模塊。openMV可以實(shí)現(xiàn)顏色識(shí)別、形狀識(shí)別、矩陣識(shí)別、機(jī)器人巡線(xiàn)、圓形識(shí)別、直線(xiàn)識(shí)別、人臉識(shí)別、眼球識(shí)別、邊緣檢測(cè)等。openMV專(zhuān)用的IDE下載好面部識(shí)別的固件就可以使用單片機(jī)串口控制openMV和接收數(shù)據(jù)，另外，openMV支持最高32G的外設(shè)SD卡，所以錄入人臉也可以選擇存儲(chǔ)到openMV本地SD卡中。

（三）溫度傳感器

MLX90614是一種紅外溫度計(jì)，用于非接觸式溫度測(cè)量。紅外測(cè)溫是根據(jù)被測(cè)物體的紅外輻射能量來(lái)確定物體的溫度，不與被測(cè)物體接觸，具有不影響被測(cè)物體溫度分布場(chǎng)，溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、測(cè)溫范圍廣、不受測(cè)溫上限的限制、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。MLX90614被測(cè)目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度通過(guò)IIC接口輸出，適合于汽車(chē)空調(diào)、室內(nèi)暖氣、家用電器、手持設(shè)備以及醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用等。本項(xiàng)目中，單片機(jī)使用IIC接收MLX90614數(shù)據(jù)后，實(shí)時(shí)在屏幕上顯示被測(cè)人溫度，并及時(shí)上傳至服務(wù)器。

（四）ESP8266 WiFi模塊

ESP8266系列模組是深圳安信可(Aithinker)公司開(kāi)發(fā)的一系列基于樂(lè)鑫ESP8266EX的超低功耗的UART-WiFi模塊的模組，可以方便地進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，接入云端服務(wù)。而且ESP8266具有GPIO、PWM、I2C、1-Wire、ADC等豐富的外圍接口有完善的AT指令固件，相較于直接使用AiThinkerIDE編程來(lái)說(shuō)便捷不少，本項(xiàng)目主要使用ESP8266的AT指令，通過(guò)串口接收發(fā)送AT指令來(lái)控制單片機(jī)和接收單片機(jī)發(fā)出的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的通信，并且也可以進(jìn)一步控制單片機(jī)的外圍設(shè)備。

（五）門(mén)禁系統(tǒng)

門(mén)禁采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)閘門(mén)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可根據(jù)閘門(mén)大小而定，若閘門(mén)較大，則采用大功率驅(qū)動(dòng)器，反之使用小功率驅(qū)動(dòng)器。門(mén)禁系統(tǒng)采用多個(gè)邏輯判斷來(lái)控制閘門(mén)開(kāi)合：被測(cè)人溫度、是否佩戴口罩、是否為合法進(jìn)出人員。若進(jìn)出人員有一項(xiàng)不符合條件的，都不允許放入。另外，系統(tǒng)還采用IC卡閱讀器，防止因?yàn)槊娌孔R(shí)別模塊發(fā)生無(wú)法識(shí)別人員的情況，方便人員出入。

三、軟件系統(tǒng)功能與目標(biāo)

本系統(tǒng)視頻數(shù)據(jù)的采集與傳輸是openMV模塊和ESP8266WIFI模塊的主要工作，而服務(wù)器則是連接工作設(shè)備的重要樞紐，它與客戶(hù)端、openMV等設(shè)備相連接，具備信息存儲(chǔ)、分發(fā)控制指令和顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等功能。本視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由客戶(hù)終端、服務(wù)器、openMV模塊和MLX90614測(cè)溫模塊構(gòu)成。首先，服務(wù)器端接收到網(wǎng)關(guān)設(shè)備ESP8266所傳輸?shù)男畔?，將openMV處理過(guò)的信息經(jīng)過(guò)調(diào)制解碼后進(jìn)行分類(lèi)、邏輯判斷處理，最終形成指令信息和可視實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，分別再輸送給終端設(shè)備執(zhí)行和客戶(hù)端顯示。在實(shí)際的工作環(huán)節(jié)中，系統(tǒng)主要采用了特化的人臉識(shí)別技術(shù)（可識(shí)別是否佩戴口罩），系統(tǒng)的中心為服務(wù)器端，服務(wù)器同時(shí)還具備著存儲(chǔ)、查詢(xún)、解析和處理終端機(jī)送來(lái)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、管理辨析人員身份和著裝信息的作用。本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 疫情人臉識(shí)別溫度安全識(shí)別系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

（一）軟件系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的功能邏輯流程如圖4所示。當(dāng)終端機(jī)采集圖像后，openMV模塊先判斷圖像中是否存在人臉，如果不存在人臉，則輸出“no face”，如果存在人臉，則先框出人臉，再判斷圖像中人臉是否佩戴口罩，對(duì)應(yīng)輸出結(jié)果“has mask”或“no mask”，同時(shí)和MLX90614測(cè)溫模塊所采集到的體溫?cái)?shù)據(jù)一并反饋給服務(wù)器。由服務(wù)器進(jìn)行解析判定被測(cè)人員狀態(tài)是否安全，并輸出“danger”或“safe”。如果狀態(tài)為危險(xiǎn)，顯示屏顯示“danger”，背景色變?yōu)榧t色，并顯示危險(xiǎn)項(xiàng)目，體溫過(guò)高或未佩戴口罩，并發(fā)出警報(bào)。如果狀態(tài)為安全，顯示屏顯示“safe”，背景色變?yōu)榫G色。

圖4 軟件系統(tǒng)的功能邏輯流程

（二）客戶(hù)端邏輯設(shè)計(jì)

客戶(hù)端采用QT Creator軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并采用QT信號(hào)與槽機(jī)制進(jìn)行事件響應(yīng)，用戶(hù)直接從客戶(hù)端界面進(jìn)入系統(tǒng)，監(jiān)控模塊與無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)都嵌于STM32F103ZET6當(dāng)中，本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5 客戶(hù)端系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

四、總結(jié)

在本系統(tǒng)中，我們給人臉識(shí)別的數(shù)據(jù)提供了可選項(xiàng)，用戶(hù)可以通過(guò)手動(dòng)選擇將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，增加數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)內(nèi)容量，或者直接儲(chǔ)存在openMV模塊內(nèi)，提高openMV模組的處理速率。方案內(nèi)的可視化QT界面可以節(jié)省用戶(hù)的時(shí)間和精力，操作簡(jiǎn)單易學(xué)，大大降低了后續(xù)的推廣難度。本識(shí)別系統(tǒng)還展示了面部識(shí)別技術(shù)的使用，用于人員出入的人臉數(shù)據(jù)采集和識(shí)別，并在進(jìn)一步處理過(guò)程中，此識(shí)別記錄可用于統(tǒng)計(jì)人員流動(dòng)的相關(guān)問(wèn)題。