物聯網一體化疫情檢測系統設計

王哲磊，梁廣宇，袁 滿，潘越豐，錢濤杰

(天津職業技術師范大學自動化與電氣工程學院，天津 300222)

0 引言

隨著我國抗疫工作取得初步成果，各行各業開始積極恢復工作和生產，因此，對于火車站、機場、地鐵站、學校機構、事業單位等場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，存在體溫記錄不準確、測量精度不高、身份登記和認證操作繁瑣、工作人員不到位、檢疫過程復雜等問題。針對這些問題，本文致力于研究一種疫情下的身份識別和一體化檢測系統，用于學校、機場、火車站、商場、公園等人員流動性大的公共場所，對人員進出時的身份信息進行人臉識別及身份信息的采集，同時解決測溫、消毒等繁瑣的防疫檢測問題。

1 系統總體設計

物聯網一體化疫情檢測系統采用STM32系列單片機作為主控芯片，使用OpenMV視覺模塊、MLX90614紅外測溫傳感器、USART串口屏等外設，實現非接觸溫度測量與身份識別功能。通過OpenMV機器視覺模塊結合LBP(Local Binary Pattern)處理算法，使用MLX90614紅外測溫傳感器將采集到的數據傳遞給主控芯片，并由主控芯片依據預設程序處理、判斷數據，執行溫度測量與身份識別功能，將信息利用串口屏進行人機交互，同時用語音播報模塊進行報警及相關操作提示。系統可自動對進出門禁的人員進行身份識別、體溫檢測、消毒殺菌、異常預警等操作，同時完成相關數據上傳云端處理，利用物聯網技術進行云端設備和云下設備上傳下發。系統的結構原理如圖1所示。

圖1 系統結構原理圖

2 系統實現原理

用戶首先在系統中輸入人臉信息，系統可以自動檢測身份信息并判斷是否佩戴口罩。同時，非接觸式測溫模塊對人體進行體溫測量。如果溫度高于正常值，系統將語音報警并上傳到云端進行錄音；當體溫正常并戴上口罩時，系統會自動對進出的人進行酒精消毒，然后打開門禁。

2.1 非接觸測溫方法設計

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

Vir=A(To4-Ta4)

(1)

其中，溫度的單位為開爾文，A為元件的靈敏度常數。目標溫度和環境溫度由集成熱電偶81101測量。81101熱電元件發出的2個溫度信號由內部設備MLX90302上高性能、低噪聲的穩態放大器放大，然后由17位模數轉換器(ADC)和數字信號處理單元(DSP)輸出。使用時，SMBus編程可以修改模塊EEPROM中的預設值，并根據應用需求進行配置，讀取EEPROM中的配置信息和RAM中的溫度等數據。

2.2 面部身份識別方法設計

身份識別通過對面部信息的采集與比對完成。由于每個人都具有獨一無二的生物學特征，其表現在面部上也各不相同，因此對于面部信息采集可通過LBP(Local Binary Pattern)方法對圖像進行處理，采集不同的面部特征信息，并保存在儲存介質內，以供之后處理。

3 硬件設計

3.1 主控模塊

為了實現該設備的預期功能，需要選擇一種高性能、多資源、低成本的MCU作為主控芯片。通過比較現有消費市場產品的優缺點，選擇STM32系列單片機作為主控芯片。

3.2 非接觸溫度測量模塊

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射電磁波的物理現象。由熱引起的電磁波輻射也稱為熱輻射。光譜上的熱輻射范圍一般是一部分紫外線、全部可見光和紅外輻射，其中紅外輻射對人體有顯著的熱效應[1]。因此在比對消費市場上現有的紅外測溫傳感器后，筆者發現MLX90614紅外溫度傳感器具有工作溫度范圍極寬、測量值分辨率高、性能可靠且成本可控的優點，采用其作為無接觸溫度測量模塊的核心。經實測，該傳感器效果穩定，性能可靠。

3.3 身份識別模塊

OpenMV機器視覺模塊作為開源、低成本的機器視覺模塊，它以STM32系列單片機為核心，提供了Python編程接口的OpenMV擁有豐富的第三方支持，易于開發且功能強大。性能足以滿足需求，成本低且易于使用。

3.4 網絡通信模塊

ESP8266具有完整的獨立Wi-Fi網絡功能，可以獨立使用，也可以作為其他MCU主機的從機運行。當ESP8266獨立應用時，能夠直接從外接Flash中啟動。內置的高速緩沖存儲器用于提高系統性能，并且優化存儲系統。此外，ESP8266只需通過SPI/SDIO接口或UART接口即可作為Wi-Fi適配器，應用到基于任何微控制器的設計中。并且ESP8266集成了天線開關、射頻、功率放大器、低噪聲放大器、濾波器和電源管理模塊，可滿足系統設計需求。

位于新疆維吾爾自治區南部皮山縣境內的皮山河流域土質松軟、水土流失嚴重、植被稀疏單一，河道兩岸岸坡穩定性較差，存在防洪安全隱患；本文針對皮山河流域現狀，結合該工程生態護岸治理實踐，對土工石籠袋技術的應用進行探討。

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壓方案是不可缺少的。

采用DC-DC降壓或穩壓模塊方案，附加濾波電路抑制干擾，由于單片機功耗較小，采用LDO線性電源。經實驗，該方案效果穩定，性能可靠。

4 軟件設計

軟件主體由5大部分組成：測溫部分、人機交互部分、身份識別部分、物聯網部分、消毒滅菌部分。

4.1 測溫部分

測溫探頭會循環檢測目標區域的當前溫度，并通過SMBus協議將溫度數據傳遞至協控芯片，協控芯片將數據通過串口通信協議回傳至主控芯片處理。

4.2 人機交互部分

串口屏會循環檢測是否有按鍵被觸發，當檢測到有按鍵被按下，則通過串口通信協議回傳被按鍵信息至主控芯片；同時，循環顯示來自主控芯片發來的待顯示數據。

4.3 身份識別部分

主控芯片會實時處理來自攝像頭的畫面，檢測是否存在面部，當檢測到面部的存在時會捕獲當前面部的特征值，檢測是否佩戴了口罩并與本地儲存介質中的已有特征值比對，若連續7 s沒有比對成功則認為身份不符已知任何人，發出警報；反之則識別成功。若接收到來自串口屏的身份采集學習請求，則在一定時間(小于10 min)內采集特征值并儲存在本地儲存介質。

4.4 物聯網部分

采用TCP協議，將Android App和檢測門的主控連接到云端，實現數據的上傳下發，將人員身份信息、通過人數和體溫數據進行云端存儲和處理。

4.5 自動消毒部分

在自動消毒設備中，消毒劑采用75%乙醇消毒，并根據病毒的理化性質和對紫外線的敏感性，對人手進行紫外線照射，以提高消毒效果。通過設置雙手消毒時間，防止出入人員未完成消毒即撤出雙手。當出入人員按步驟完成消毒殺菌流程時，指示燈顯示綠色，門禁系統開啟閘機設備；當未完成消殺步驟或系統檢測發生故障時，指示燈顯示紅色。

5 系統測試及結果

5.1 測試條件及方案

測試條件：室溫15℃、無陽光直射、周圍5 m內無其他熱源或冷源。室內條件下，攝像頭不處于強逆光下，無正面強光照。

對于測溫功能，測量目標為1組1位測試人員與1瓶水，一共5組，組與組之間無相同對象。測量距離為5～10 cm。設：以市售測溫槍對上述目標的測量溫度為實際真實溫度。測量內容為：目標溫度以及測量溫度與實際真實溫度偏差絕對值。

對于身份識別功能，測試目標為3個測試人員，一共3組，組與組之間無相同對象。每組測試開始前事先存儲該組中2位測試人員的特征值。測試內容為：是否成功檢測到口罩；是否識別已知面部特征值的身份；是否可以發出身份不符警報；是否成功采集學習特征值并識別。

對于面部識別，允許在每30 s內出現不多于5次的錯誤識別，不視作識別失敗。

5.2 測試結果

測溫功能測試結果如表1所示。

表1 測溫功能對人體的測量結果 單位：℃

身份識別功能測試結果如表2所示。

表2 身份識別功能測試結果

經測量，在室內正常使用無其他干擾源的情況下，有較好的測量識別精確度，性能穩定，運行可靠。

6 結語

本文設計的物聯網一體化疫情檢測系統，針對公共場所的進出人員，可自動完成人員身份識別、體溫檢測，消毒殺菌處理及人員信息云端存儲上報，對體溫異常情況進行報警處理；降低檢測和消毒人員的投入，減少防疫工作人員的風險。可廣泛應用于企事業單位、學校、機場火車站、商場、公園等人員流動性大的場所。本系統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防控制上，提供了一種有效解決方法。