張洪瑋，夏鯤，李翔，李一凡，顧玉琦

（上海理工大學(xué)電氣工程系，上海 200093）

疫情爆發(fā)對(duì)人們的日常生活、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)造成了嚴(yán)重的影響，如何高效地實(shí)現(xiàn)區(qū)域衛(wèi)生管理防控成為當(dāng)下亟待解決的問(wèn)題[1]。智能衛(wèi)生防控車正是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策、智能控制與執(zhí)行等功能于一體的移動(dòng)式機(jī)器人[2]，將智能車的強(qiáng)機(jī)動(dòng)性與防控功能相結(jié)合，可替代人工應(yīng)用于商場(chǎng)、學(xué)校等多種公共區(qū)域進(jìn)行移動(dòng)式衛(wèi)生防控保護(hù)工作。

隨著人們對(duì)衛(wèi)生防控操作無(wú)接觸安全性、防控效率高效性、功能多樣性要求的需求增長(zhǎng)，智能化、快速化、高效化、云處理已成為新型智能防控車的發(fā)展趨勢(shì)[3]。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)的防控車在外形上小巧靈活，可采用自動(dòng)巡邏模式或遙控運(yùn)行模式進(jìn)行作業(yè)，配合麥克納姆輪車的強(qiáng)機(jī)動(dòng)性，彌補(bǔ)了固定位置點(diǎn)檢測(cè)消毒裝置的局限性，同時(shí)將口罩識(shí)別和測(cè)溫消毒的功能相結(jié)合，節(jié)省了人力和時(shí)間，提升了工作效率[4]。除此之外，監(jiān)管人員可以實(shí)時(shí)通過(guò)小程序得知溫度異常和口罩佩戴情況，溫度數(shù)據(jù)將在云端進(jìn)行收集處理，增強(qiáng)了衛(wèi)生防控工作的高效性。

1 外殼結(jié)構(gòu)

所提出的智能車采用SolidWorks 軟件進(jìn)行外殼建模設(shè)計(jì)，主體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。內(nèi)嵌多個(gè)傳感器模塊，實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)。正面有攝像頭槽，揚(yáng)聲器槽，超聲波探測(cè)器發(fā)生口，以及內(nèi)嵌紅外測(cè)溫探頭和消毒洗手液泵出口的防控檢測(cè)通道。頂部配有OLED 屏幕對(duì)測(cè)溫結(jié)果進(jìn)行顯示，并嵌有由舵機(jī)控制的口罩倉(cāng)。底部通過(guò)榫卯式結(jié)構(gòu)與底盤相連接。外殼整體采用圓滑的設(shè)計(jì)方案，避免棱角對(duì)行人造成傷害。

圖1 智能車的外殼設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該智能車硬件部分主要由PYNQ-Z2 開(kāi)發(fā)板、以STM32 為核心的控制板、圖像采集單元、紅外感應(yīng)單元、超聲波測(cè)量單元、OLED 顯示屏、水泵、舵機(jī)等組成，系統(tǒng)整體框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

2.1 基于PYNQ-Z2的離線口罩識(shí)別系統(tǒng)

PYNQ 是一款開(kāi)源框架，它不僅可以應(yīng)用于底層開(kāi)發(fā)，還適用于上層應(yīng)用[5-6]。該文使用一款基于該框架的FPGA 硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)PYNQ-Z2，優(yōu)勢(shì)在于可以在不設(shè)計(jì)底層邏輯電路的情況下直接在Jupyter Notebook 上使用Python 語(yǔ)言編寫來(lái)完成項(xiàng)目的設(shè)計(jì)[7-8]。

作為類腦計(jì)算領(lǐng)域的一項(xiàng)重要研究成果，深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)視覺(jué)、自然語(yǔ)言處理、信息檢索、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)義理解等多個(gè)領(lǐng)域[9]。但卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有顯著的冗余性，即使將權(quán)值和激活從十六位浮點(diǎn)精度降為二進(jìn)制值，也能獲得較高的分類精度。文中使用了一種快速可擴(kuò)展的二值化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架FINN[10]。

FINN 生成的加速器每秒可執(zhí)行數(shù)百萬(wàn)次分類，延遲時(shí)間為亞微秒，因此非常適合支持實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用，如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、自動(dòng)駕駛和機(jī)器人技術(shù)。在PYNQ-Z2上搭載的ubuntu 系統(tǒng)中構(gòu)建基于FINN 框架的二值卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的模型，能夠在資源約束較大的情況下進(jìn)行較高精度的離線人臉特征的口罩識(shí)別[11-12]。

首先通過(guò)防控車搭載的高清720P/120°廣角無(wú)畸變防逆光攝像頭獲取圖像，傳輸?shù)絇YNQ-Z2 上調(diào)用人臉檢測(cè)的級(jí)聯(lián)分類器預(yù)篩選人臉?lè)謮K[13]，然后使用基于二值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類加速器進(jìn)行口罩佩戴檢測(cè)，經(jīng)過(guò)處理判斷得到相關(guān)人員是否佩戴口罩的信息，具體識(shí)別測(cè)試如圖3 所示。

圖3 口罩識(shí)別測(cè)試圖

當(dāng)檢測(cè)到未佩戴口罩特征時(shí)，立即停車，打開(kāi)口罩倉(cāng)倉(cāng)門，語(yǔ)言播報(bào)提示行人前來(lái)領(lǐng)取佩戴口罩，并為行人進(jìn)行溫度檢測(cè)及消毒。

2.2 車輛底盤設(shè)計(jì)

智能衛(wèi)生防控車主要應(yīng)用于商場(chǎng)、學(xué)校等人員密集的公共場(chǎng)合，自身需要移動(dòng)靈活，同時(shí)可以穩(wěn)定地調(diào)控車速以防沖撞行人。

為解決以上問(wèn)題采用了如圖4 所示的可以依靠各自機(jī)輪的方向和速度配合使得車體全方位移動(dòng)的麥克納姆輪來(lái)替代普通車輪。同時(shí)，為了使得速度控制精準(zhǔn)穩(wěn)定，該車采用增量式比例、積分、微分（Proportional Integral Derivative,PID）控制，如式（1），這種控制方法不直接控制系統(tǒng)的輸出，能減小因控制出問(wèn)題導(dǎo)致的誤動(dòng)作影響[14-15]。

超聲波傳感器模塊US-100 利用超聲波探測(cè)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)2～4 cm 的非接觸測(cè)距功能，并自帶溫度傳感器對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正[16]，同時(shí)由于超聲波的波束截面類似于橢圓形，可以檢測(cè)到較廣范圍內(nèi)的障礙，因此將超聲波模塊安置在防控車前方用于避開(kāi)前方障礙。

如圖4 所示，在麥克納姆輪底盤四個(gè)角裝有四個(gè)紅外避障傳感器模塊，用于檢測(cè)較低障礙物，防止碾壓路人的腳或磕碰底盤。配合超聲波傳感器，當(dāng)二者有一檢測(cè)到障礙物信息時(shí)，立即將信號(hào)發(fā)送給主控芯片控制剎車，及時(shí)避讓行人，以保證防控車自身的安全。

采用四字節(jié)并行處理,可由40B32B模塊給出的K_qb信號(hào)在一個(gè)四字節(jié)時(shí)鐘內(nèi)進(jìn)行檢測(cè),并根據(jù)Valid_qb信號(hào)進(jìn)行正確/K/字節(jié)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì),不需要根據(jù)單字節(jié)時(shí)鐘去檢測(cè)和計(jì)數(shù),降低了電路運(yùn)行頻率和實(shí)現(xiàn)難度。

圖4 麥克納姆輪底盤

為了緩沖由不平路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊力，并衰減由此引起的震動(dòng)，讓防控車能夠平穩(wěn)地行駛，該車底盤上加入了懸掛系統(tǒng)，可以適用于較顛簸的路型，同時(shí)保證四個(gè)輪子永遠(yuǎn)同時(shí)著地。

2.3 檢測(cè)消毒通道

如圖5 所示為檢測(cè)消毒功能通道，將無(wú)接觸和消毒相結(jié)合，以更好地適應(yīng)無(wú)接觸式防控測(cè)溫的安全環(huán)境。當(dāng)用戶將手伸入到消毒槽中，內(nèi)嵌在通道上方的紅外感應(yīng)模塊被觸發(fā)，隨后啟動(dòng)水泵將消毒洗手液泵出到用戶掌心，同時(shí)內(nèi)嵌在檢測(cè)通道入口處的溫度傳感器可以檢測(cè)到用戶手腕處的溫度，而后將溫度顯示在車身的OLED 屏幕上，同時(shí)語(yǔ)音播報(bào)當(dāng)前體溫。如果溫度高于閾值，將警報(bào)信號(hào)發(fā)送給小程序，請(qǐng)求安保人員來(lái)處理。

圖5 檢測(cè)消毒通道

溫度傳感器采用GY-MCU90614，這是一款低成本的溫度傳感器。實(shí)際測(cè)量范圍為-40～+125 ℃，環(huán)境溫度范圍為-70～+280 ℃，測(cè)量距離范圍為50～100 cm。

配合防控車的高機(jī)動(dòng)性，可以實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)快速地測(cè)溫消毒，提高了防控的效率和安全性。

2.4 口罩倉(cāng)

防控車的頂部嵌有一個(gè)隱藏式的口罩倉(cāng)，由兩側(cè)舵機(jī)進(jìn)行控制開(kāi)關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖6 所示。當(dāng)監(jiān)測(cè)到未佩戴口罩的信息后，發(fā)送指令給主控芯片，主控芯片則輸出信號(hào)控制雙路舵機(jī)打開(kāi)口罩倉(cāng)倉(cāng)門，同時(shí)語(yǔ)音播報(bào)提示人們佩戴口罩。

圖6 口罩倉(cāng)的3D結(jié)構(gòu)

舵機(jī)模塊采用SG90，此舵機(jī)為模擬舵機(jī)，需要主控芯片不斷重復(fù)地發(fā)送相同的方波，直到舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到指定的位置。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 微信小程序

圖7 小程序報(bào)警界面

小程序包含對(duì)于防控車的操控模塊，可以人為地通過(guò)小程序操控防控車運(yùn)動(dòng)，更好地適應(yīng)了不同的復(fù)雜環(huán)境，加強(qiáng)了防控監(jiān)測(cè)的效率。

3.2 OneNET云平臺(tái)

OneNET 是由中國(guó)移動(dòng)打造的PaaS 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)。平臺(tái)能夠幫助開(kāi)發(fā)者輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入與設(shè)備連接，快速完成產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)部署，為智能硬件、智能家居產(chǎn)品提供完善的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

利用OneNET 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)所設(shè)計(jì)的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)UI 部分界面如圖8 所示。小程序通過(guò)HTTP 協(xié)議訪問(wèn)OneNET 云服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)，建立數(shù)據(jù)流來(lái)傳輸溫度數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示在界面上，并且可以選擇生成溫度讀數(shù)的歷史測(cè)量數(shù)據(jù)表和折線圖。

圖8 溫度測(cè)量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)UI部分界面

4 系統(tǒng)工作流程

4.1 系統(tǒng)控制及信息傳遞方式

信息板由PYNQ-Z2 開(kāi)發(fā)板擔(dān)任，主控板和驅(qū)動(dòng)板都以STM32 為主控，系統(tǒng)控制與信息傳遞方式框圖如圖9 所示。

圖9 系統(tǒng)控制與信息傳遞方式框圖

1）驅(qū)動(dòng)板：控制麥克納姆輪的運(yùn)動(dòng)，控制轉(zhuǎn)速PID 以及避障功能。

2）主控板：接收信息板傳來(lái)的圖像監(jiān)測(cè)信息；保證揚(yáng)聲器、舵機(jī)、OLED 等各模塊的運(yùn)行并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；與上位機(jī)進(jìn)行通信，傳輸必要的數(shù)據(jù)和接收指令。

3）信息板：對(duì)行人口罩佩戴情況進(jìn)行檢測(cè)。

4.2 口罩識(shí)別流程

口罩識(shí)別流程如圖10 所示。首先，圖像識(shí)別區(qū)域啟動(dòng)，調(diào)用攝像頭獲取圖像，使用級(jí)聯(lián)分類器進(jìn)行人臉檢測(cè)并分割人臉的局部區(qū)域，然后使用分類加速器對(duì)人臉是否佩戴口罩這一特征進(jìn)行分類。當(dāng)檢測(cè)到存在行人未佩戴口罩的特征時(shí)，防控車向驅(qū)動(dòng)板發(fā)送停車指令進(jìn)行制動(dòng)停車，調(diào)用揚(yáng)聲器模塊發(fā)送語(yǔ)音播報(bào)提示行人前來(lái)測(cè)溫、消毒，并領(lǐng)取口罩，同時(shí)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)打開(kāi)口罩倉(cāng)倉(cāng)門提供口罩。

圖10 口罩識(shí)別流程

4.3 系統(tǒng)整體運(yùn)作流程

圖11 為系統(tǒng)整體運(yùn)作框圖。當(dāng)智能衛(wèi)生防控車接收到開(kāi)機(jī)信號(hào)后進(jìn)行初始化并檢測(cè)電池電量信息。自檢完畢后防控車將按照既定的軌跡進(jìn)行巡邏，同時(shí)啟動(dòng)圖像識(shí)別功能，隨時(shí)等待目標(biāo)識(shí)別結(jié)果。在防控車巡邏的同時(shí)進(jìn)行紅外避障與超聲波避障檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到障礙物即停車或繞行。如果監(jiān)測(cè)到有行人未佩戴口罩時(shí)則進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)、測(cè)溫、消毒并打開(kāi)口罩倉(cāng)倉(cāng)門提供口罩。系統(tǒng)不斷刷新?tīng)顟B(tài)，將信息更新在OLED 顯示屏上，并且上傳到小程序和云端。同時(shí)小程序控制可以隨時(shí)介入防控車的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

圖11 防控車系統(tǒng)整體運(yùn)作框圖

5 結(jié)束語(yǔ)

該文提出一種衛(wèi)生防控智能車，綜合運(yùn)用了圖像識(shí)別、嵌入式、傳感器、微信小程序、云存儲(chǔ)等技術(shù)，具備識(shí)別人群是否佩戴口罩并進(jìn)行播報(bào)預(yù)警、人體測(cè)溫、酒精消毒、無(wú)接觸遞送口罩，物聯(lián)網(wǎng)云端傳輸?shù)裙δ?。?shí)現(xiàn)了無(wú)接觸防控，更好地推進(jìn)了衛(wèi)生防控工作的開(kāi)展，可以勝任人員密集場(chǎng)所的防控任務(wù)，提高了防控效率，為現(xiàn)階段及未來(lái)的衛(wèi)生防控工作提供了一種可行方案。