非接觸式紅外溫度檢測的防疫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 解 謙 陳衛(wèi)松 楊秀秀 葉宗晉 張新生

本文基于紅外溫度檢測和口罩識(shí)別算法，設(shè)計(jì)了一種精準(zhǔn)的疫情防控系統(tǒng)，使用非接觸式紅外溫度傳感器對(duì)人體溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，結(jié)合攝像頭傳感器獲取來訪者健康情況信息，并將體溫異常者圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于SD卡中。該防疫系統(tǒng)集成有激光測距、紅外溫度檢測、人臉和口罩識(shí)別及語音播報(bào)功能，可根據(jù)疫情防控要求實(shí)時(shí)檢測來訪者身體健康狀況，實(shí)現(xiàn)非接觸式一體化的疫情防控功能。

隨著新冠疫情給人們的日常出行帶來諸多風(fēng)險(xiǎn)，疫情防控逐漸成為常態(tài)化。而社區(qū)作為疫情防控的第一線，其防控工作至關(guān)重要。疫情防控系統(tǒng)，可以代替社區(qū)工作人員在人員密集的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)非接觸式、智能一體化的高效工作。在防疫設(shè)備的技術(shù)研究中，非接觸式體溫檢測一直是其研究熱點(diǎn)。

相比于直接接觸式溫度測量，非接觸式體溫檢測對(duì)溫度測算的抗干擾性及測量精度要求更高。接觸式溫度檢測技術(shù)，需要直接接觸受檢測者體表進(jìn)行溫度測量，具有一定的接觸傳播風(fēng)險(xiǎn)。而常規(guī)的非接觸式體溫檢測，由于受檢測距離和周圍環(huán)境溫度的影響較大，易造成體溫測算數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

有鑒于此，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離體溫的精確測量，降低設(shè)備生產(chǎn)成本，本文研究了一種基于非接觸式紅外溫度檢測的防疫系統(tǒng)，結(jié)合液晶顯示屏、語音播報(bào)模塊、蜂鳴器等其他人機(jī)交互模塊，實(shí)現(xiàn)非接觸式一體化的疫情檢測與防控功能。

1 防疫系統(tǒng)工作原理

本文研究的是一種基于紅外溫度檢測的防疫系統(tǒng)，采用MK60DN512Z單片機(jī)作為核心微控制器，配合紅外測溫模塊、輔助檢測模塊和人機(jī)交互模塊，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)和距離信息的快速采集與計(jì)算，判斷來訪者體溫是否存在異常。

2 防疫系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于非接觸式紅外溫度檢測的防疫系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要由核心微控制器、協(xié)處理器、紅外測溫傳感器、激光測距傳感器、攝像頭傳感器以及人機(jī)交互模塊構(gòu)成。核心微處理器選用MK60DN512Z芯片，協(xié)處理器使用STM32F103芯片，兩者共同構(gòu)成系統(tǒng)的控制核心。各模塊借助銅柱等材料固定在亞克力板底座上，系統(tǒng)實(shí)物如圖2所示。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 防疫系統(tǒng)實(shí)物圖

2.1 紅外溫度檢測模塊

由于物體表面溫度的分布情況與其向外輻射能量的大小密切相關(guān)，通過采集物體輻射的紅外能量數(shù)據(jù)，便可以精確測量被測物體的表面溫度。防疫系統(tǒng)的紅外測溫模塊采用MLX90614A器件，其主要由紅外探測熱電堆、低噪聲信號(hào)放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器以及DSP數(shù)據(jù)處理單元等部件構(gòu)成。紅外探測熱電堆（81101）對(duì)被測物體溫度及環(huán)境溫度進(jìn)行測定，輸出兩路溫度信號(hào)（To和Ta）分別經(jīng)內(nèi)部的低噪聲斬波穩(wěn)態(tài)放大器放大，通過內(nèi)部17-bit的A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理單元（DSP）輸出后，經(jīng)IIC總線送入單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行環(huán)境溫度的矯正處理和數(shù)據(jù)顯示。紅外檢測模塊經(jīng)過環(huán)境溫度補(bǔ)償矯正后，可在距物體10cm的直線距離內(nèi)，保持0.01℃的溫度解析度，其平均溫度誤差在0.5℃以內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)非接觸式的體溫精確測量。

激光測距傳感器位于防疫系統(tǒng)前端，安裝于10cm碳纖維支撐桿上，用于檢測是否有來訪人員靠近防疫系統(tǒng)，以此決定是否開啟測溫功能。

2.2 視覺處理模塊

視覺處理模塊由OpenMV攝像頭傳感器構(gòu)成。OpenMV攝像頭傳感器安裝于激光測距傳感器下部，用于實(shí)時(shí)獲取來訪人員的人臉信息，并將圖像存儲(chǔ)于SD卡中；若被檢測人員面部信息與數(shù)據(jù)庫信息不匹配或未佩戴口罩，核心控制器會(huì)控制語音提示模塊發(fā)出警告，并將異常信息實(shí)時(shí)反饋至控制端。

2.3 人機(jī)界面交互模塊

人機(jī)界面交互模塊主要由模式選擇按鍵、語音播報(bào)模塊、報(bào)警器和LCD液晶顯示屏組成。語音播報(bào)模塊安裝在系統(tǒng)側(cè)端，用于接收主控系統(tǒng)傳來的信號(hào)并播放已經(jīng)存放的語音提示及報(bào)警信息；LCD液晶顯示屏安裝在系統(tǒng)中間，可實(shí)時(shí)顯示溫度數(shù)據(jù)及距離數(shù)據(jù)方便人們觀察；報(bào)警器安裝在系統(tǒng)內(nèi)部，以便節(jié)約空間；當(dāng)檢測模塊檢測到來訪者體溫超過系統(tǒng)設(shè)定的溫度閾值時(shí)，報(bào)警器發(fā)出尖銳蜂鳴聲提示來訪者體溫異常。

3 防疫系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

防疫系統(tǒng)的流程圖如圖3所示，系統(tǒng)上電后語音會(huì)提示“請(qǐng)進(jìn)入待檢測區(qū)域”，與此同時(shí)，測距傳感器采集距離數(shù)據(jù)，通過距離判斷是否有來訪人員，若檢測距離不在設(shè)定范圍內(nèi)則判為無來訪人員，繼續(xù)檢測，反之，則判為有來訪人員，并對(duì)訪客進(jìn)行體溫測量。訪客體溫不正常時(shí)，進(jìn)行警報(bào)；訪客體溫正常時(shí)，系統(tǒng)通過液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示來訪者體溫?cái)?shù)據(jù)。緊接著攝像頭進(jìn)行人臉圖像的采集，檢測來訪者是否佩戴口罩及人臉信息是否和數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)匹配，滿足則打開門禁，允許通過。

圖3 防疫系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 溫度獲取及處理

MCU使用IIC協(xié)議與MLX90614通信，從中讀出的16位數(shù)據(jù)。獲取的16位數(shù)據(jù)由高8位（DataH）和低8位（DataL）兩部分組成，MCU再根據(jù)轉(zhuǎn)換公式：

將讀取的數(shù)據(jù)換算為溫度數(shù)據(jù)（T，單位為℃）。同時(shí)為減小隨機(jī)干擾對(duì)溫度測量帶來的誤差影響，對(duì)溫度數(shù)據(jù)的處理使用算數(shù)平均濾波法，使隨機(jī)干擾正負(fù)相互抵消。具體方法為連續(xù)取N個(gè)溫度采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，作為當(dāng)前時(shí)刻的溫度數(shù)據(jù)輸出。

3.2 LBP算法

本系統(tǒng)對(duì)攝像頭采集到的人臉圖像采取LBP（Local Binary Patterns，局部二值化模式）算法處理。LBP算法根據(jù)提取的局部特征作為識(shí)別依據(jù)，將獲取的圖片分解為多個(gè)3×3像素的九宮格，每個(gè)九宮格為一個(gè)局部的基本單位，將中心像素的灰度值作為閾值，將九宮格內(nèi)其他8個(gè)像素的灰度值與其進(jìn)行比較，大于此閾值則置為1，反之，則置為0。局部的像素信息經(jīng)比較后得到一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)后得到一個(gè)LBP碼，此LBP碼可反映人臉信息局部的紋理特征。人臉信息的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及識(shí)別功能均依靠這些LBP碼實(shí)現(xiàn)。

4 測試結(jié)果及分析

表1所示為系統(tǒng)檢測特定對(duì)象時(shí)與系統(tǒng)動(dòng)作之間的對(duì)應(yīng)情況。

表1 測試對(duì)象及系統(tǒng)對(duì)應(yīng)動(dòng)作

4.1 溫度檢測

紅外測溫模塊MLX90614的81101熱電元件在實(shí)際應(yīng)用中的性能測試如表2所示，結(jié)果表明，在測試距離為1cm到7cm內(nèi)，測溫模塊測得的溫度均保持在誤差水平內(nèi)，測量誤差絕對(duì)值控制在1℃內(nèi)。基于此數(shù)據(jù)，可完成溫度超標(biāo)報(bào)警功能。

表2 溫度測試結(jié)果

4.2 圖像檢測

圖像檢測采用OV7725傳感器，口罩檢測功能在上位機(jī)的調(diào)試結(jié)果如圖4所示，左圖為未佩戴口罩情況：系統(tǒng)成功識(shí)別并標(biāo)識(shí)”Warn：No MASK!”的紅色字體；右圖為佩戴口罩的情況：系統(tǒng)成功識(shí)別后標(biāo)識(shí)”Safe:With Mask!”的提示字樣。

圖4 口罩識(shí)別

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)簡易的無接觸溫度測量與身份識(shí)別裝置，經(jīng)實(shí)際測試，可通過按鍵設(shè)置報(bào)警溫度閾值，在不接觸被測者的情況下，完成溫度超標(biāo)報(bào)警、未佩戴口罩報(bào)警、身份識(shí)別不符報(bào)警等功能。本系統(tǒng)性能安全可靠，解放人工勞動(dòng)力，提高檢測效率的同時(shí)，減少了交叉感染情況，可滿足疫情防控的基本需求。同時(shí)，此項(xiàng)基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)，可用于門禁檢測等多種場合，具有一定的市場經(jīng)濟(jì)效益。