王哲磊，梁廣宇，袁 滿，潘越豐，錢(qián)濤杰

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，天津 300222)

0 引言

隨著我國(guó)抗疫工作取得初步成果，各行各業(yè)開(kāi)始積極恢復(fù)工作和生產(chǎn)，因此，對(duì)于火車(chē)站、機(jī)場(chǎng)、地鐵站、學(xué)校機(jī)構(gòu)、事業(yè)單位等場(chǎng)所的人員出入管理和防疫檢查顯得尤為重要。但在日常的人員出入管理中，存在體溫記錄不準(zhǔn)確、測(cè)量精度不高、身份登記和認(rèn)證操作繁瑣、工作人員不到位、檢疫過(guò)程復(fù)雜等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，本文致力于研究一種疫情下的身份識(shí)別和一體化檢測(cè)系統(tǒng)，用于學(xué)校、機(jī)場(chǎng)、火車(chē)站、商場(chǎng)、公園等人員流動(dòng)性大的公共場(chǎng)所，對(duì)人員進(jìn)出時(shí)的身份信息進(jìn)行人臉識(shí)別及身份信息的采集，同時(shí)解決測(cè)溫、消毒等繁瑣的防疫檢測(cè)問(wèn)題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)一體化疫情檢測(cè)系統(tǒng)采用STM32系列單片機(jī)作為主控芯片，使用OpenMV視覺(jué)模塊、MLX90614紅外測(cè)溫傳感器、USART串口屏等外設(shè)，實(shí)現(xiàn)非接觸溫度測(cè)量與身份識(shí)別功能。通過(guò)OpenMV機(jī)器視覺(jué)模塊結(jié)合LBP(Local Binary Pattern)處理算法，使用MLX90614紅外測(cè)溫傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給主控芯片，并由主控芯片依據(jù)預(yù)設(shè)程序處理、判斷數(shù)據(jù)，執(zhí)行溫度測(cè)量與身份識(shí)別功能，將信息利用串口屏進(jìn)行人機(jī)交互，同時(shí)用語(yǔ)音播報(bào)模塊進(jìn)行報(bào)警及相關(guān)操作提示。系統(tǒng)可自動(dòng)對(duì)進(jìn)出門(mén)禁的人員進(jìn)行身份識(shí)別、體溫檢測(cè)、消毒殺菌、異常預(yù)警等操作，同時(shí)完成相關(guān)數(shù)據(jù)上傳云端處理，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行云端設(shè)備和云下設(shè)備上傳下發(fā)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

用戶首先在系統(tǒng)中輸入人臉信息，系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)身份信息并判斷是否佩戴口罩。同時(shí)，非接觸式測(cè)溫模塊對(duì)人體進(jìn)行體溫測(cè)量。如果溫度高于正常值，系統(tǒng)將語(yǔ)音報(bào)警并上傳到云端進(jìn)行錄音；當(dāng)體溫正常并戴上口罩時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)進(jìn)出的人進(jìn)行酒精消毒，然后打開(kāi)門(mén)禁。

2.1 非接觸測(cè)溫方法設(shè)計(jì)

非接觸測(cè)溫使用的是紅外測(cè)溫器，由光電探測(cè)器、光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)放大器等部分組成[2]。MLX90614系列溫度測(cè)量模塊采用81101熱電元件作為紅外檢測(cè)部分，通信采用SMBus(System Management Bus)協(xié)議。輸出是被測(cè)物體溫度(To)和傳感器自身溫度(Ta)綜合作用的結(jié)果。在理想情況下，熱電元件的輸出電壓為：

Vir=A(To4-Ta4)

(1)

其中，溫度的單位為開(kāi)爾文，A為元件的靈敏度常數(shù)。目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度由集成熱電偶81101測(cè)量。81101熱電元件發(fā)出的2個(gè)溫度信號(hào)由內(nèi)部設(shè)備MLX90302上高性能、低噪聲的穩(wěn)態(tài)放大器放大，然后由17位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)字信號(hào)處理單元(DSP)輸出。使用時(shí)，SMBus編程可以修改模塊EEPROM中的預(yù)設(shè)值，并根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行配置，讀取EEPROM中的配置信息和RAM中的溫度等數(shù)據(jù)。

2.2 面部身份識(shí)別方法設(shè)計(jì)

身份識(shí)別通過(guò)對(duì)面部信息的采集與比對(duì)完成。由于每個(gè)人都具有獨(dú)一無(wú)二的生物學(xué)特征，其表現(xiàn)在面部上也各不相同，因此對(duì)于面部信息采集可通過(guò)LBP(Local Binary Pattern)方法對(duì)圖像進(jìn)行處理，采集不同的面部特征信息，并保存在儲(chǔ)存介質(zhì)內(nèi)，以供之后處理。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊

為了實(shí)現(xiàn)該設(shè)備的預(yù)期功能，需要選擇一種高性能、多資源、低成本的MCU作為主控芯片。通過(guò)比較現(xiàn)有消費(fèi)市場(chǎng)產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇STM32系列單片機(jī)作為主控芯片。

3.2 非接觸溫度測(cè)量模塊

非接觸式溫度傳感器的物理原理是基于物體因其溫度而發(fā)射電磁波的物理現(xiàn)象。由熱引起的電磁波輻射也稱(chēng)為熱輻射。光譜上的熱輻射范圍一般是一部分紫外線、全部可見(jiàn)光和紅外輻射，其中紅外輻射對(duì)人體有顯著的熱效應(yīng)[1]。因此在比對(duì)消費(fèi)市場(chǎng)上現(xiàn)有的紅外測(cè)溫傳感器后，筆者發(fā)現(xiàn)MLX90614紅外溫度傳感器具有工作溫度范圍極寬、測(cè)量值分辨率高、性能可靠且成本可控的優(yōu)點(diǎn)，采用其作為無(wú)接觸溫度測(cè)量模塊的核心。經(jīng)實(shí)測(cè)，該傳感器效果穩(wěn)定，性能可靠。

3.3 身份識(shí)別模塊

OpenMV機(jī)器視覺(jué)模塊作為開(kāi)源、低成本的機(jī)器視覺(jué)模塊，它以STM32系列單片機(jī)為核心，提供了Python編程接口的OpenMV擁有豐富的第三方支持，易于開(kāi)發(fā)且功能強(qiáng)大。性能足以滿足需求，成本低且易于使用。

3.4 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

ESP8266具有完整的獨(dú)立Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)功能，可以獨(dú)立使用，也可以作為其他MCU主機(jī)的從機(jī)運(yùn)行。當(dāng)ESP8266獨(dú)立應(yīng)用時(shí)，能夠直接從外接Flash中啟動(dòng)。內(nèi)置的高速緩沖存儲(chǔ)器用于提高系統(tǒng)性能，并且優(yōu)化存儲(chǔ)系統(tǒng)。此外，ESP8266只需通過(guò)SPI/SDIO接口或UART接口即可作為Wi-Fi適配器，應(yīng)用到基于任何微控制器的設(shè)計(jì)中。并且ESP8266集成了天線開(kāi)關(guān)、射頻、功率放大器、低噪聲放大器、濾波器和電源管理模塊，可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

位于新疆維吾爾自治區(qū)南部皮山縣境內(nèi)的皮山河流域土質(zhì)松軟、水土流失嚴(yán)重、植被稀疏單一，河道兩岸岸坡穩(wěn)定性較差，存在防洪安全隱患；本文針對(duì)皮山河流域現(xiàn)狀，結(jié)合該工程生態(tài)護(hù)岸治理實(shí)踐，對(duì)土工石籠袋技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探討。

3.5 電源模塊

在電源供電上采用12 V可充電電池進(jìn)行供電，由于不同的模塊需要不同電壓，因此使用一種可靠的電源降壓及穩(wěn)壓方案是不可缺少的。

采用DC-DC降壓或穩(wěn)壓模塊方案，附加濾波電路抑制干擾，由于單片機(jī)功耗較小，采用LDO線性電源。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，該方案效果穩(wěn)定，性能可靠。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件主體由5大部分組成：測(cè)溫部分、人機(jī)交互部分、身份識(shí)別部分、物聯(lián)網(wǎng)部分、消毒滅菌部分。

4.1 測(cè)溫部分

測(cè)溫探頭會(huì)循環(huán)檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域的當(dāng)前溫度，并通過(guò)SMBus協(xié)議將溫度數(shù)據(jù)傳遞至協(xié)控芯片，協(xié)控芯片將數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信協(xié)議回傳至主控芯片處理。

4.2 人機(jī)交互部分

串口屏?xí)h(huán)檢測(cè)是否有按鍵被觸發(fā)，當(dāng)檢測(cè)到有按鍵被按下，則通過(guò)串口通信協(xié)議回傳被按鍵信息至主控芯片；同時(shí)，循環(huán)顯示來(lái)自主控芯片發(fā)來(lái)的待顯示數(shù)據(jù)。

4.3 身份識(shí)別部分

主控芯片會(huì)實(shí)時(shí)處理來(lái)自攝像頭的畫(huà)面，檢測(cè)是否存在面部，當(dāng)檢測(cè)到面部的存在時(shí)會(huì)捕獲當(dāng)前面部的特征值，檢測(cè)是否佩戴了口罩并與本地儲(chǔ)存介質(zhì)中的已有特征值比對(duì)，若連續(xù)7 s沒(méi)有比對(duì)成功則認(rèn)為身份不符已知任何人，發(fā)出警報(bào)；反之則識(shí)別成功。若接收到來(lái)自串口屏的身份采集學(xué)習(xí)請(qǐng)求，則在一定時(shí)間(小于10 min)內(nèi)采集特征值并儲(chǔ)存在本地儲(chǔ)存介質(zhì)。

4.4 物聯(lián)網(wǎng)部分

采用TCP協(xié)議，將Android App和檢測(cè)門(mén)的主控連接到云端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳下發(fā)，將人員身份信息、通過(guò)人數(shù)和體溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行云端存儲(chǔ)和處理。

4.5 自動(dòng)消毒部分

在自動(dòng)消毒設(shè)備中，消毒劑采用75%乙醇消毒，并根據(jù)病毒的理化性質(zhì)和對(duì)紫外線的敏感性，對(duì)人手進(jìn)行紫外線照射，以提高消毒效果。通過(guò)設(shè)置雙手消毒時(shí)間，防止出入人員未完成消毒即撤出雙手。當(dāng)出入人員按步驟完成消毒殺菌流程時(shí)，指示燈顯示綠色，門(mén)禁系統(tǒng)開(kāi)啟閘機(jī)設(shè)備；當(dāng)未完成消殺步驟或系統(tǒng)檢測(cè)發(fā)生故障時(shí)，指示燈顯示紅色。

5 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果

5.1 測(cè)試條件及方案

測(cè)試條件：室溫15℃、無(wú)陽(yáng)光直射、周?chē)? m內(nèi)無(wú)其他熱源或冷源。室內(nèi)條件下，攝像頭不處于強(qiáng)逆光下，無(wú)正面強(qiáng)光照。

對(duì)于測(cè)溫功能，測(cè)量目標(biāo)為1組1位測(cè)試人員與1瓶水，一共5組，組與組之間無(wú)相同對(duì)象。測(cè)量距離為5～10 cm。設(shè)：以市售測(cè)溫槍對(duì)上述目標(biāo)的測(cè)量溫度為實(shí)際真實(shí)溫度。測(cè)量?jī)?nèi)容為：目標(biāo)溫度以及測(cè)量溫度與實(shí)際真實(shí)溫度偏差絕對(duì)值。

對(duì)于身份識(shí)別功能，測(cè)試目標(biāo)為3個(gè)測(cè)試人員，一共3組，組與組之間無(wú)相同對(duì)象。每組測(cè)試開(kāi)始前事先存儲(chǔ)該組中2位測(cè)試人員的特征值。測(cè)試內(nèi)容為：是否成功檢測(cè)到口罩；是否識(shí)別已知面部特征值的身份；是否可以發(fā)出身份不符警報(bào)；是否成功采集學(xué)習(xí)特征值并識(shí)別。

對(duì)于面部識(shí)別，允許在每30 s內(nèi)出現(xiàn)不多于5次的錯(cuò)誤識(shí)別，不視作識(shí)別失敗。

5.2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)溫功能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)溫功能對(duì)人體的測(cè)量結(jié)果 單位：℃

身份識(shí)別功能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 身份識(shí)別功能測(cè)試結(jié)果

經(jīng)測(cè)量，在室內(nèi)正常使用無(wú)其他干擾源的情況下，有較好的測(cè)量識(shí)別精確度，性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)一體化疫情檢測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)公共場(chǎng)所的進(jìn)出人員，可自動(dòng)完成人員身份識(shí)別、體溫檢測(cè)，消毒殺菌處理及人員信息云端存儲(chǔ)上報(bào)，對(duì)體溫異常情況進(jìn)行報(bào)警處理；降低檢測(cè)和消毒人員的投入，減少防疫工作人員的風(fēng)險(xiǎn)。可廣泛應(yīng)用于企事業(yè)單位、學(xué)校、機(jī)場(chǎng)火車(chē)站、商場(chǎng)、公園等人員流動(dòng)性大的場(chǎng)所。本系統(tǒng)不僅能夠滿足疫情期間的防疫需要，并且在今后重大傳染疾病的預(yù)防控制上，提供了一種有效解決方法。