摘?要：基于體溫監(jiān)測和火災(zāi)預(yù)警的需求，本文設(shè)計了一個適合于家庭的人體紅外測溫及火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)以K210為控制核心，以紅外溫度傳感器、圖像傳感器、煙霧火焰?zhèn)鞲衅?、溫濕度傳感器等設(shè)備采集人體溫度、環(huán)境溫濕度、火焰等信息，通過顯示屏、蜂鳴器等外設(shè)實現(xiàn)人機(jī)的直接交互，通過WiFi通信模塊實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而實現(xiàn)人機(jī)的間接交互。實驗表明，所設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)了人體、物體和環(huán)境的溫度測量與異態(tài)感知，具有速度快、精度高等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：K210；非接觸式；紅外測溫；火災(zāi)預(yù)警；WiFi無線通信；物聯(lián)網(wǎng)

隨著物質(zhì)生活水平的提高和《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》等一系列文件的發(fā)布與實施，健康越來越被人們所重視，人體體溫作為健康與否的重要指標(biāo)被廣泛關(guān)注［1］。當(dāng)前如何快速、高效、準(zhǔn)確地測量體溫是研究的熱點領(lǐng)域［2］，傳統(tǒng)的測溫方法有操作不便、靈敏度不高、多人接觸有交叉感染風(fēng)險、數(shù)據(jù)記錄不便等多種缺點?；馂?zāi)是當(dāng)前導(dǎo)致人們損失最多的災(zāi)情，現(xiàn)有火災(zāi)報警體系雖然能夠滿足預(yù)警的需求但靈敏度較低，無法切實保障財產(chǎn)安全。基于家庭日常測溫和火災(zāi)預(yù)警的需求，結(jié)合二者算法的相似性和設(shè)備固件的共用性，本文設(shè)計了一個適合于家庭的人體紅外測溫及火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用K210作為主控芯片，利用YOLO目標(biāo)檢測算法實時檢測攝像頭取景范圍內(nèi)人體發(fā)出的特定波段的紅外線，結(jié)合紅外溫度傳感器來測量人體的溫度，采用火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器等監(jiān)測火焰的產(chǎn)生，并在LCD顯示屏上顯示溫度實時信息，配合LED燈、蜂鳴器等外設(shè)方式以及WiFi通信模塊實現(xiàn)用戶提醒的功能。該系統(tǒng)適用于家庭、辦公室等場所，可為用戶提供人體、物體和環(huán)境的測溫及火災(zāi)監(jiān)測服務(wù)。

1?系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1?系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

系統(tǒng)設(shè)計首要目標(biāo)是非接觸式人體體溫測量，次要目標(biāo)是火災(zāi)監(jiān)測與報警，最后是環(huán)境溫濕度測量，因此測量對象包括人體、物體和環(huán)境。測溫范圍-20℃～380℃，目標(biāo)測溫誤差在±0.1℃～±0.5℃之間，環(huán)境測溫誤差在±0.5℃以內(nèi)。測溫模式可調(diào)，測溫數(shù)據(jù)采集及顯示方便，能夠?qū)崟r上傳并實現(xiàn)異常數(shù)據(jù)提醒［34］，能夠監(jiān)測一定范圍內(nèi)的火焰并提供報警功能。傳感器采用分布式設(shè)計，一個主機(jī)可以連接多個傳感器［5］，實現(xiàn)應(yīng)用場景的互聯(lián)互通、靈活切換，便于二次開發(fā)與設(shè)計。

1.2?系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用K210為控制核心，以紅外溫度傳感器、圖像傳感器、煙霧火焰?zhèn)鞲衅鳌貪穸葌鞲衅鞯仍O(shè)備采集人體溫度、環(huán)境溫濕度、火焰等信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后按照按鍵設(shè)置的顯示模式將相應(yīng)數(shù)據(jù)顯示在LED顯示屏上，根據(jù)設(shè)置的上限值和下限值與采集的數(shù)值進(jìn)行比對，超過預(yù)設(shè)值會產(chǎn)生報警信號，同時采集的數(shù)據(jù)利用ESP32通過MQTT協(xié)議和中國移動物聯(lián)網(wǎng)云平臺OneNET搭建連接，調(diào)用其API以獲取數(shù)據(jù)。因此系統(tǒng)整體由主控模塊、紅外測溫模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊、WiFi通信模塊、人機(jī)交互模塊五大模塊組成。

2?系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1?核心控制器模塊

作為整個系統(tǒng)的控制和運算核心，綜合性能、成本、后續(xù)開發(fā)等多種因素選擇64bit的K210作為核心控制器，采用RISCV處理器架構(gòu)，支持機(jī)器視覺與機(jī)器聽覺多模態(tài)識別，內(nèi)置多種硬件加速單元，功耗僅為0.3W，典型設(shè)備工耗為1W，算力為1TOPS，擁有較好的功耗性能、穩(wěn)定性與可靠性；外置SPI?FLASH采用16MB的W25Q128，復(fù)位芯片采用SGM803，LDO芯片采用RY1303，通過外圍電路設(shè)置為0.9V、1.8V與3.3V輸出。

2.2?紅外測溫模塊

紅外測溫模塊主要由Heimann（德國海曼）生產(chǎn)的HTPA32x32dR2L2.1/0.8F5.0HiC高精度紅外溫度傳感器及ov2640攝像頭組成。熱成像測溫矩陣最大感應(yīng)區(qū)域FOV視場角105°，像素點32×32點陣，內(nèi)部時鐘頻率1～13MHz，ADC分辨率8～16bit，工作溫度-20～85℃，目標(biāo)溫度20～1000℃，測溫精度±0.3℃。紅外測溫模塊連接時，主要有連接電源的+3.3V?VCC引腳、接地的GND引腳、SCL引腳和SDA引腳。K210通過I2C設(shè)置HTPA32x32狀態(tài)寄存器，并從中讀取溫度數(shù)據(jù)。

2.3?環(huán)境監(jiān)測模塊

環(huán)境監(jiān)測模塊包括環(huán)境火災(zāi)監(jiān)測與預(yù)警、環(huán)境溫濕度檢測兩個模塊。其中前者主要利用火焰?zhèn)鞲衅鳈z測是否有明火，通過檢測火焰中產(chǎn)生的紅外線來監(jiān)測是否著火，其對應(yīng)的光源波長范圍在760～1100nm之間；利用MQ2煙霧傳感器檢測可燃?xì)怏w、煙霧，檢測可燃?xì)怏w及煙霧的范圍為100～10000ppm。后者采用SHT30溫濕度傳感器，溫度測量范圍-40℃～+125℃、精度±0.2℃，濕度測量范圍0～100%RH、精度±2%RH。整個模塊采用ESP32作為主控，使用TYPEC接口進(jìn)行供電和程序下載，利用M.2接口進(jìn)行連接。

2.4?WiFi通信模塊

WiFi通信模塊由ESP32模塊及OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺組成，其中ESP32模塊內(nèi)置Tensilica?LX6?32位雙核處理器，一核處理高速連接、一核獨立應(yīng)用開發(fā)，正常主頻80MHz，最高240MHz，SRAM?520KB，最大支持8MB片外SPI?SRAM，最大支持16MB片外SPI?Flash，支持藍(lán)牙v4.2完整標(biāo)準(zhǔn)，具有SPI、I2C、I2S、UART等外設(shè)接口，支持STA＼＼AP＼＼STA+AP＼＼P2P等多種工作模式。ESP32模塊采用ESP32D0WD作為主控芯片，F(xiàn)lash采用4MB存儲空間的SPI?FLASH?W25Q32。

2.5?人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊由LCD、蜂鳴器、按鍵、LED燈組成。LCD采用240×320分辨率的彩色LCD屏幕進(jìn)行圖像顯示，用FPC連接器與LCD屏幕進(jìn)行連接，通過外圍電路設(shè)置LCD亮度，通過底部排針與主板進(jìn)行連接，主要用于顯示熱度圖像，其中顯示模式有四種，分別為熱圖融合模式（能更好地捕捉發(fā)熱源，精準(zhǔn)采集體溫或火源）、熱度與物體邊緣融合模式（提供一種物體輪廓提取方法，包括獲取物體絕對溫度形成熱力圖，能精確地提取或預(yù)測模糊熱力圖像中的所有輪廓，提高模糊熱力圖像中的輪廓信息獲取精度）、純圖模式（能夠查看畫面中最高溫度，色彩不受熱成像影響，辨識度高）、熱度圖模式（不能進(jìn)行人臉識別，可快速發(fā)現(xiàn)火源并上報）；蜂鳴器用于溫度超標(biāo)提示及火災(zāi)警報；按鍵主要進(jìn)行模式選擇及復(fù)位等操作；LED燈用于提示電源狀態(tài)。

3?軟件設(shè)計

3.1?主程序設(shè)計

程序框架以主程序為核心框架，加入紅外測溫模塊子程序和環(huán)境監(jiān)測模塊子程序?？傮w程序流程為：系統(tǒng)上電運行，執(zhí)行自檢及設(shè)備初始化，進(jìn)行按鍵掃描，如有按鍵判斷類型并執(zhí)行對應(yīng)的按鍵處理程序（主要有LED顯示模式設(shè)置、WiFi工作模式設(shè)置以及溫度閾值設(shè)置），接著執(zhí)行紅外測溫模塊子程序和環(huán)境監(jiān)測模塊子程序采集人體、物體和環(huán)境的溫度等參數(shù)信息，由LED進(jìn)行顯示，并且通過WiFi通信模塊上傳到云端，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報警處理。

3.2?紅外測溫模塊程序設(shè)計

紅外測溫模塊子程序用于人體體溫數(shù)據(jù)處理，其工作過程為：先加載YOLO人臉檢測模型，初始化模型并獲取溫度數(shù)據(jù)生成溫度圖片，然后從攝像頭獲取圖片把圖片輸入模型獲取人臉坐標(biāo)，把圖片與熱度圖進(jìn)行融合，根據(jù)坐標(biāo)在圖片上進(jìn)行標(biāo)注，然后將標(biāo)注的溫度在LCD本地顯示的同時上傳云端，根據(jù)設(shè)定的閾值判斷溫度是否超標(biāo)，如果超標(biāo)就進(jìn)行報警處理。

3.3?環(huán)境監(jiān)測模塊程序設(shè)計

環(huán)境監(jiān)測模塊子程序用于物體的溫度處理和環(huán)境的數(shù)據(jù)處理，其工作過程為經(jīng)過主程序的參數(shù)初始化后，利用傳感器分別采集環(huán)境中的紅外輻射量，可燃?xì)怏w、煙霧等輻射量，環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)等信息，通過WiFi通信模塊上傳到云端進(jìn)行保存和統(tǒng)計，根據(jù)設(shè)定的閾值判斷相應(yīng)指標(biāo)是否超標(biāo)，如果超標(biāo)就進(jìn)行報警處理。

4?實物測試

接通電源，通過按鍵設(shè)置人體體溫和環(huán)境等的報警閾值，設(shè)置顯示模式為熱度圖模式，測溫系統(tǒng)采集的溫度信息如圖6所示。采用本測溫系統(tǒng)和高精度、寬量程接觸式探針溫度計（測溫范圍：-50℃～300℃）進(jìn)行對比實驗，分別采集多次不同溫度熱水的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，通過測試表明，測溫系統(tǒng)的精度較高、穩(wěn)定性較好。

結(jié)語

基于K210的人體紅外測溫及火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)以紅外溫度傳感器、圖像傳感器、煙霧火焰?zhèn)鞲衅鳌貪穸葌鞲衅鞯仍O(shè)備采集人體溫度、環(huán)境溫濕度、火焰等數(shù)據(jù)并進(jìn)行多元線性回歸，減少了檢測時周邊環(huán)境以及測量距離的影響，通過顯示屏、蜂鳴器、WiFi通信模塊、物聯(lián)網(wǎng)平臺等實現(xiàn)了人機(jī)的高效交互，完成了產(chǎn)品功能和設(shè)計需求，但針對多人次同步體溫數(shù)據(jù)采集、小光源及遠(yuǎn)距離感應(yīng)等方面還存在不足，需進(jìn)一步提高和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

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基金項目：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院“智慧農(nóng)牧業(yè)科技創(chuàng)新團(tuán)隊網(wǎng)絡(luò)與嵌入式應(yīng)用子團(tuán)隊”成果（批準(zhǔn)號：TDE202308）；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2020年大學(xué)生思想政治教育專題研究項目成果（批準(zhǔn)號：NDZYSZ2001）

作者簡介：祝鵬（1987—?），男，山東日照人，碩士，講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)分析與挖掘。