張杰，朱楊冕，王飛鵬，游皓宇

（東南大學(xué) 成賢學(xué)院電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇南京，210000）

1 研究背景及相關(guān)技術(shù)介紹

■1.1 研究背景

傳統(tǒng)防疫時(shí)通常采用大量人力資源對場所人員進(jìn)行人工的體溫檢測、口罩佩戴等規(guī)范性檢查，成本較高、效率低下，并且受人的主觀性影響較大而易出現(xiàn)紕漏。繼而，在高新企業(yè)園區(qū)等一些場所，一些自動化設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生來滿足運(yùn)行速度的需要，例如一體式體溫檢測儀等，它們提高了檢測便捷性，但存在著彼此獨(dú)立、不互通、操作復(fù)雜、依舊需要不少人員值守的缺陷，本質(zhì)上并沒有減少太多“人”的工作量。

關(guān)于口罩識別技術(shù)，目前主流的檢測識別方式是使用OpenCV 進(jìn)行圖像處理和目標(biāo)識別，應(yīng)用在口罩檢測上為使用閾值函數(shù)轉(zhuǎn)換黑白，檢測面部的眼鼻以判斷是否存在人臉，再檢測面部的口鼻，來判斷有沒有佩戴口罩。這樣的檢測方法存在一些弊端，首先是檢測人臉時(shí)由于口罩遮擋，很多場景下無法正確判斷人臉的存在，后續(xù)的口罩檢測自然是無法實(shí)現(xiàn)。其次，OpenCV 處理圖像時(shí)會先通過閾值進(jìn)行黑白處理，遇到暗光場景和偏轉(zhuǎn)角度的場景，黑白處理結(jié)果不盡如人意，檢測的準(zhǔn)確率偏低。最后，由于需要多批次檢測人臉的眼口鼻，程序執(zhí)行的效率很低，對性能要求還更高。

■1.2 YOLOv5

Yolov5 是一種基于PyTorch 實(shí)現(xiàn)的輕量級深度學(xué)習(xí)框架，用于實(shí)現(xiàn)快速、高效的實(shí)時(shí)圖像分析。它可用于檢測、識別和分割一系列像素和特定場景的物體。與早期的YOLO系列相比，Yolov5 的優(yōu)勢在于更快的速度、更少的硬件要求以及更容易地訓(xùn)練過程。Yolov5 的最初版本是Yolov4，它使用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為CSPDarkNet53 架構(gòu)，可以達(dá)到更高的準(zhǔn)確性和可擴(kuò)展性。不僅能夠?qū)^大物體進(jìn)行檢測，而且還能檢測出更小的物體，更準(zhǔn)確地定位物體，并支持多類物體檢測。Yolov5 的檢測能力在小物體和速度的關(guān)系上優(yōu)于Yolov4。此外，Yolov5 還支持梯度檢測，可以提高模型性能，并讓模型更加準(zhǔn)確。梯度檢測的好處在于，它可以幫助查找樣本中的差異，從而提高檢測準(zhǔn)確性?？傊琘olov5 是一種在Yolo 系列中最新的圖像檢測框架，它比其他框架更快，也更精確，降低了硬件要求，并具有可擴(kuò)展的特點(diǎn)以及強(qiáng)大的抗攻擊性。

2 系統(tǒng)總體方案

■2.1 門禁防疫管理的設(shè)計(jì)思路

為了同時(shí)保證入館效率與防疫力度，本項(xiàng)目將傳統(tǒng)入館方式（身份識別入館）與各項(xiàng)防疫措施（口罩識別、體溫測量、消殺）結(jié)合在一起，用戶在刷卡識別身份的同時(shí)，會同時(shí)對用戶進(jìn)行口罩識別檢測與體溫測量，滿足上述三條件后，門禁系統(tǒng)即可自動開閘。為了進(jìn)一步加大防護(hù)力度，用戶可以在通過閘門后進(jìn)行自動消殺。門禁防疫管理框架圖如圖1所示。

圖1 門禁防疫管理框架圖

■2.2 室內(nèi)防疫管理的設(shè)計(jì)思路

用戶在進(jìn)入室內(nèi)后，室內(nèi)攝像頭可以實(shí)時(shí)進(jìn)行多人的口罩識別檢測，同時(shí)圖書館內(nèi)座位上配備的紅外測溫實(shí)時(shí)檢測用戶的體溫，上述兩條件異常時(shí)，系統(tǒng)可以直接將用戶的位置信息報(bào)告給管理員，管理員即可方便快速地找出并提醒異常人員。室內(nèi)防疫管理框架圖如圖2 所示。

圖2 室內(nèi)防疫管理框架圖

3 硬件實(shí)現(xiàn)

■3.1 主控單片機(jī)

主控單片機(jī)選擇STM32F103ZET6 系統(tǒng)板，該系統(tǒng)板具有一鍵下載功能，能夠避免多次設(shè)置B0 與B1 的問題，僅通過一根USB 線即可實(shí)現(xiàn)開發(fā)。同時(shí)該單片機(jī)擁有5 個(gè)UART 通信接口、3 個(gè)SPI 接口以及2 個(gè)IC 接口，滿足本項(xiàng)目多個(gè)模塊之間的互聯(lián)。

■3.2 身份識別

身份識別部分采用M4255-HA IC 卡RFID 讀寫模塊，具有命令模式、自動讀卡號、自動讀塊數(shù)據(jù)、自動讀卡號與塊數(shù)據(jù)的工作模式，可以實(shí)現(xiàn)讀卡號、讀寫扇區(qū)數(shù)據(jù)塊、扇區(qū)加密、增減值等。同時(shí)，該模塊的讀寫IC 卡距離可達(dá)6cm，滿足日常的身份識別刷卡的要求。

■3.3 紅外測溫

門禁紅外測溫部分采用的是MLX90614 型號的紅外測溫模塊，而室內(nèi)紅外測溫部分采用的則是MLX90640 型號的紅外測溫模塊。MLX90614 紅外測溫模塊與MLX90640 紅外測溫模塊同樣采用I2C 通信，MLX90640紅外測溫模塊相較于MLX90614 紅外測溫模塊的工作距離更大，因此更適用于室內(nèi)的紅外測溫。

■3.4 門禁閘門

門禁閘門部分采用MG996舵機(jī)180°型號，操作簡單快捷，可通過主控單片機(jī)可自由控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，從而達(dá)到開閘與關(guān)閘的功能。

■3.5 硬件電路

各模塊的電路連接設(shè)計(jì)與門禁硬件框架如圖3、4 所示。

圖3 電路連接設(shè)計(jì)圖

圖4 門禁硬件框架圖

4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

■4.1 門禁防疫管理

圖書館門禁防疫管理是由身份識別、口罩識別、紅外測溫、舵機(jī)開閘與自動消殺五部分組成。

4.1.1 身份識別模塊

身份識別部分采用M4255-HA IC 卡RFID 讀寫模塊，該模塊使用RS-232C 接口和外部設(shè)備進(jìn)行通信，支持多種指令集，內(nèi)置存儲器和CPU 芯片，具有命令模式、自動讀卡號、自動讀塊數(shù)據(jù)、自動讀卡號與塊數(shù)據(jù)的工作模式。該模塊工作時(shí)，檢測出IC 卡號并與代碼中已存正確卡號進(jìn)行對比，卡號對比正確后，該模塊向主控STM32F103ZET6 發(fā)送數(shù)據(jù)“1”，即代表該身份識別正確；反之，卡號對比錯(cuò)誤，該模塊向主控STM32F103ZET6 發(fā)送數(shù)據(jù)“0”，并由主控控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

4.1.2 門禁口罩檢測模塊

口罩檢測部分主要使用YOLOv5 進(jìn)行視頻流的目標(biāo)檢測，YOLOv5 是一種單階段目標(biāo)檢測算法，該算法在YOLOv4 的基礎(chǔ)上修改，速度、準(zhǔn)確率和模型大小等方面都有所提升，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以自適應(yīng)地調(diào)整檢測框的大小和形狀，從而更好地適應(yīng)不同形狀和尺寸的物體，同時(shí)降低了網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算復(fù)雜度。首先收集佩戴口罩和未佩戴口罩的圖片制作數(shù)據(jù)集并訓(xùn)練權(quán)重，然后用訓(xùn)練出的權(quán)重調(diào)用YOLOv5的檢測輸入圖片或視頻流，YOLOv5 會對每一幀進(jìn)行人及口罩的目標(biāo)預(yù)測，輸出擬合度高的目標(biāo)，檢測到未佩戴口罩的行為后，保存照片，最后將是否佩戴口罩結(jié)果通過串口直接發(fā)送給下位機(jī)，以提供信息判斷是否開門。GUI 界面使用pyqt5 語法，利用qtdesigner 設(shè)計(jì)界面，將界面按鈕與功能函數(shù)整合。

4.1.3 門禁紅外測溫模塊

紅外測溫部分采用的是MLX90614 型號的紅外測溫模塊，該模塊采用非接觸式紅外測量技術(shù)，可以在不接觸到被測物體的情況下，通過紅外輻射信號來檢測目標(biāo)物體的溫度。并且可以通過I2C 總線實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號輸出，響應(yīng)速度快、測量精度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)與MLX90614 紅外測溫模塊之間通信的方式是“類I2C”通信，單片機(jī)接收到MLX90614 發(fā)送出的數(shù)據(jù)，經(jīng)過特定處理后即可得到檢測目標(biāo)的溫度信息，自己設(shè)定一個(gè)溫度合格范圍，若超出這個(gè)范圍，即進(jìn)行報(bào)警提示溫度過高，若溫度處于正常范圍內(nèi)，對應(yīng)的溫度變量置1，表示溫度正常，溫度條件滿足。

當(dāng)上述三部分皆向主控發(fā)送數(shù)據(jù)“1”時(shí)，滿足舵機(jī)開閘條件，此時(shí)主控STM32F103ZET6 控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動90°，使進(jìn)館人員通過門禁。

4.1.4 自動消殺模塊

自動消殺部分由一個(gè)繼電器、霧化器驅(qū)動電路和霧化片組成。當(dāng)進(jìn)館人員順利通過門禁后，紅外感應(yīng)器SR602 在檢測到人體時(shí)向主控STM32F103ZET6 發(fā)送數(shù)據(jù)“1”，此時(shí)主控來控制繼電器，繼電器在接收到主控輸出的信號時(shí)常開端閉合，霧化片回路閉合則開始工作噴霧，在這個(gè)回路中，繼電器相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，在主控中可通過延時(shí)來控制噴霧時(shí)間并設(shè)定一個(gè)封鎖時(shí)間，避免對同一目標(biāo)重復(fù)工作，噴霧消毒液選用酒精。

■4.2 室內(nèi)防疫管理

圖書館室內(nèi)防疫管理是由口罩識別、座位管理、紅外測溫與管理員提醒四部分組成。

4.2.1 室內(nèi)口罩檢測模塊

室內(nèi)口罩檢測部分同樣使用YOLOv5 進(jìn)行視頻流的目標(biāo)檢測，但與門禁口罩檢測部分不同的是，室內(nèi)口罩檢測可以實(shí)時(shí)檢測多人口罩的佩戴情況，首先收集佩戴口罩和未佩戴口罩的圖片制作數(shù)據(jù)集并訓(xùn)練權(quán)重，然后用訓(xùn)練出的權(quán)重調(diào)用YOLOv5 的檢測輸入圖片或視頻流，YOLOv5 會對每一幀進(jìn)行人及口罩的目標(biāo)預(yù)測，輸出擬合度高的目標(biāo)，檢測到未佩戴口罩的行為后，保存照片，最后圖室內(nèi)部分調(diào)用郵箱發(fā)送函數(shù)，將圖片和提醒發(fā)送到預(yù)先設(shè)定的郵箱和微信公眾號完成提醒功能。GUI 界面使用pyqt5 語法，利用qtdesigner 設(shè)計(jì)界面，將界面按鈕與功能函數(shù)整合。如圖5 所示。

圖5 室內(nèi)口罩識別頁面

4.2.2 座位管理模塊

座位管理部分采用目標(biāo)間的距離檢測來實(shí)現(xiàn)座位的間隔管理，從而避免人員距離過近，YOLOv5 檢測要檢測的視頻流中的所有人，然后再計(jì)算所有檢測到的人之間的相互“距離”，和現(xiàn)實(shí)生活中用“m”這樣的單位衡量距離 不一樣的是，在計(jì)算機(jī)中，簡單的方法是用檢測到的兩個(gè)人的質(zhì)心，也就是檢測到的目標(biāo)框的中心之間相隔的像素值作為計(jì)算機(jī)中的“距離”來衡量視頻中的人之間的距離是否超過安全距離。

座位管理部分具體構(gòu)建步驟：

基于以上口罩目標(biāo)檢測算法來檢測視頻流中的所有人，得到目標(biāo)的位置信息并通過檢測目標(biāo)所得到的矩形框的四個(gè)邊角位置坐標(biāo)來計(jì)算其質(zhì)心位置，然后將所有目標(biāo)的質(zhì)心位置保存于數(shù)組中；利用itertools 模塊提供的組合生成函數(shù)combinations 函數(shù)使所有目標(biāo)質(zhì)心進(jìn)行兩兩組合且不帶重復(fù)，然后計(jì)算所有檢測到的人質(zhì)心之間的相互距離；自己設(shè)置安全距離，計(jì)算每兩個(gè)目標(biāo)之間的距離后，檢測兩個(gè)人之間的距離是否小于N 個(gè)像素，小于則處于安全距離，反之則不處于，并將兩個(gè)處于危險(xiǎn)距離的目標(biāo)使用紅線進(jìn)行連接并顯示High Risk 以便于觀看,如圖6 所示。

圖6 座位管理頁面圖

4.2.3 室內(nèi)紅外測溫模塊

室內(nèi)紅外測溫部分采用的是基于MLX90640 傳感器的紅外測溫模塊，是一款高分辨率紅外陣列傳感器，可以提供32×24 個(gè)測量像素，其工作溫度范圍為-40℃～+85℃，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式、高精度的溫度測量。該傳感器采用了先進(jìn)的非接觸式紅外技術(shù)，可以在快速移動的對象上準(zhǔn)確測量溫度，同時(shí)也適用于低溫和高溫環(huán)境。它通過UART 通信與電腦進(jìn)行連接通信，將畫面中檢測到的最高溫度顯示出來，便于人員觀察。若畫面中沒有人體，則直接輸出所測環(huán)境溫度，若檢測到人體存在，就進(jìn)行一定的溫度補(bǔ)償，使所得數(shù)據(jù)更加合理化。

■4.2.4 管理員提醒模塊

管理員提醒部分采用郵箱提醒與微信公眾號提醒兩種方式，算法會對每一幀進(jìn)行人及口罩的目標(biāo)預(yù)測，輸出擬合度高的目標(biāo)，檢測到未佩戴口罩的行為后，保存照片。在設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的狀態(tài)下，調(diào)用已保存的未佩戴口罩照片通過郵箱發(fā)送函數(shù)，將圖片和提醒發(fā)送到預(yù)先設(shè)定的郵箱完成提醒管理員的功能；或者通過調(diào)用掛載的微信公眾號向管理員推送違規(guī)信息。以便管理員作出及時(shí)糾正。如圖7 所示。

圖7 管理員提醒頁面圖

門禁防疫管理軟件流程如圖8 所示，室內(nèi)防疫管理軟件流程如圖9 所示。

圖8 門禁防疫管理軟件流程圖

圖9 室內(nèi)防疫管理軟件流程圖

5 系統(tǒng)測試

■5.1 門禁防疫管理測試

為測試門禁防疫管理系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果與檢測準(zhǔn)確性，分為以下四種情景來進(jìn)行測試。情景1：入館人員身份識別錯(cuò)誤，情景2：入館人員未佩戴口罩，情景3：入館人員體溫異常，情景4：紅外檢測到人員通過閘機(jī)后，對人員進(jìn)行自動消殺。每種情景采取多人以及80 次以上的測試，從而提高測試的準(zhǔn)確性，測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 門禁防疫管理測試數(shù)據(jù)

經(jīng)過實(shí)際測試，門禁防疫管理系統(tǒng)能夠正確識別進(jìn)館人員身份，并能對進(jìn)館人員的口罩佩戴情況與體溫情況進(jìn)行精準(zhǔn)地判斷與測量。同時(shí)，可以成功實(shí)現(xiàn)消殺的功能。

■5.2 室內(nèi)防疫管理系統(tǒng)測試

為測試室內(nèi)防疫管理系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果與檢測準(zhǔn)確性，分為以下四種情景來進(jìn)行測試。情景1：室內(nèi)人員未佩戴口罩，情景2：室內(nèi)人員體溫異常，情景3：室內(nèi)人員距離過近，情景4：以上三種異常情況發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)自動提醒管理員。每種情景采取多人以及80 次以上的測試，從而提高測試的準(zhǔn)確性，測試數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 室內(nèi)防疫管理測試數(shù)據(jù)

經(jīng)過實(shí)際測試，室內(nèi)防疫管理系統(tǒng)能夠有效地對圖書館內(nèi)部人員進(jìn)行口罩檢測、能夠正確判斷出人員間距以及正確測量出館內(nèi)人員體溫。同時(shí)，可以將人員未佩戴口罩、人員距離過近、體溫異常情況通過郵箱與微信公眾號的方式上報(bào)給管理人員，從而成功地實(shí)現(xiàn)自動提醒管理員的功能。

綜上所述，本系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果高效準(zhǔn)確、科學(xué)合理、符合實(shí)際的應(yīng)用場景的要求。

6 結(jié)語

本系統(tǒng)目的在于實(shí)現(xiàn)圖書館防疫一體化、智能化、多功能化與高效化的管理，根據(jù)應(yīng)用場景可分為圖書館門禁防疫管理與圖書館室內(nèi)防疫管理兩部分?？蔀閳D書館在門禁處提供身份識別、口罩識別、紅外測溫、沖卡報(bào)警、自動消殺的功能，也可在館內(nèi)提供座位管理、口罩與體溫實(shí)時(shí)監(jiān)測與報(bào)告的功能，是一個(gè)智能化、多功能化與高效化的綜合系統(tǒng)。本系統(tǒng)創(chuàng)新性地把口罩檢測和體溫檢測納入門禁系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全自動式的疫情防控門禁；同時(shí)在室內(nèi)實(shí)時(shí)進(jìn)行口罩檢測同時(shí)進(jìn)行距離監(jiān)測和體溫監(jiān)測，大大提高了室內(nèi)的防疫效率。

本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）本發(fā)明創(chuàng)新性地將多種模塊相結(jié)合，極大地降低了人工成本，節(jié)省了人力資源，在不干擾館內(nèi)人員正?；顒拥那闆r下，極大增強(qiáng)了對于疫情的防控力度，保證了入館效率；

（2）本發(fā)明的口罩識別采用YOLOv5 方案，識別的準(zhǔn)確率得到了顯著提升，性能占用相比OpenCV 更低。同時(shí)，YOLOv5 具有良好的兼容性，可以多平臺部署，以及適配CUDA 等GPU 加速工具，使效果得到進(jìn)一步優(yōu)化；

（3）室內(nèi)的實(shí)時(shí)的體溫檢測與口罩的多人檢測解決了巡查人員有監(jiān)管盲區(qū)的問題，大幅降低館內(nèi)人員傳染病交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)節(jié)省了大量的人力資源成本；

（4）檢測到違規(guī)行為實(shí)時(shí)進(jìn)行記錄與位置上報(bào)，方便管理人員到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行處置與處罰證據(jù)的留存。