物联网一体化疫情检测系统设计

王哲磊，梁广宇，袁 满，潘越丰，钱涛杰

(天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院，天津 300222)

0 引言

随着我国抗疫工作取得初步成果，各行各业开始积极恢复工作和生产，因此，对于火车站、机场、地铁站、学校机构、事业单位等场所的人员出入管理和防疫检查显得尤为重要。但在日常的人员出入管理中，存在体温记录不准确、测量精度不高、身份登记和认证操作繁琐、工作人员不到位、检疫过程复杂等问题。针对这些问题，本文致力于研究一种疫情下的身份识别和一体化检测系统，用于学校、机场、火车站、商场、公园等人员流动性大的公共场所，对人员进出时的身份信息进行人脸识别及身份信息的采集，同时解决测温、消毒等繁琐的防疫检测问题。

1 系统总体设计

物联网一体化疫情检测系统采用STM32系列单片机作为主控芯片，使用OpenMV视觉模块、MLX90614红外测温传感器、USART串口屏等外设，实现非接触温度测量与身份识别功能。通过OpenMV机器视觉模块结合LBP(Local Binary Pattern)处理算法，使用MLX90614红外测温传感器将采集到的数据传递给主控芯片，并由主控芯片依据预设程序处理、判断数据，执行温度测量与身份识别功能，将信息利用串口屏进行人机交互，同时用语音播报模块进行报警及相关操作提示。系统可自动对进出门禁的人员进行身份识别、体温检测、消毒杀菌、异常预警等操作，同时完成相关数据上传云端处理，利用物联网技术进行云端设备和云下设备上传下发。系统的结构原理如图1所示。

图1 系统结构原理图

2 系统实现原理

用户首先在系统中输入人脸信息，系统可以自动检测身份信息并判断是否佩戴口罩。同时，非接触式测温模块对人体进行体温测量。如果温度高于正常值，系统将语音报警并上传到云端进行录音；当体温正常并戴上口罩时，系统会自动对进出的人进行酒精消毒，然后打开门禁。

2.1 非接触测温方法设计

非接触测温使用的是红外测温器，由光电探测器、光学系统、信号放大器等部分组成[2]。MLX90614系列温度测量模块采用81101热电元件作为红外检测部分，通信采用SMBus(System Management Bus)协议。输出是被测物体温度(To)和传感器自身温度(Ta)综合作用的结果。在理想情况下，热电元件的输出电压为：

Vir=A(To4-Ta4)

(1)

其中，温度的单位为开尔文，A为元件的灵敏度常数。目标温度和环境温度由集成热电偶81101测量。81101热电元件发出的2个温度信号由内部设备MLX90302上高性能、低噪声的稳态放大器放大，然后由17位模数转换器(ADC)和数字信号处理单元(DSP)输出。使用时，SMBus编程可以修改模块EEPROM中的预设值，并根据应用需求进行配置，读取EEPROM中的配置信息和RAM中的温度等数据。

2.2 面部身份识别方法设计

身份识别通过对面部信息的采集与比对完成。由于每个人都具有独一无二的生物学特征，其表现在面部上也各不相同，因此对于面部信息采集可通过LBP(Local Binary Pattern)方法对图像进行处理，采集不同的面部特征信息，并保存在储存介质内，以供之后处理。

3 硬件设计

3.1 主控模块

为了实现该设备的预期功能，需要选择一种高性能、多资源、低成本的MCU作为主控芯片。通过比较现有消费市场产品的优缺点，选择STM32系列单片机作为主控芯片。

3.2 非接触温度测量模块

非接触式温度传感器的物理原理是基于物体因其温度而发射电磁波的物理现象。由热引起的电磁波辐射也称为热辐射。光谱上的热辐射范围一般是一部分紫外线、全部可见光和红外辐射，其中红外辐射对人体有显著的热效应[1]。因此在比对消费市场上现有的红外测温传感器后，笔者发现MLX90614红外温度传感器具有工作温度范围极宽、测量值分辨率高、性能可靠且成本可控的优点，采用其作为无接触温度测量模块的核心。经实测，该传感器效果稳定，性能可靠。

3.3 身份识别模块

OpenMV机器视觉模块作为开源、低成本的机器视觉模块，它以STM32系列单片机为核心，提供了Python编程接口的OpenMV拥有丰富的第三方支持，易于开发且功能强大。性能足以满足需求，成本低且易于使用。

3.4 网络通信模块

ESP8266具有完整的独立Wi-Fi网络功能，可以独立使用，也可以作为其他MCU主机的从机运行。当ESP8266独立应用时，能够直接从外接Flash中启动。内置的高速缓冲存储器用于提高系统性能，并且优化存储系统。此外，ESP8266只需通过SPI/SDIO接口或UART接口即可作为Wi-Fi适配器，应用到基于任何微控制器的设计中。并且ESP8266集成了天线开关、射频、功率放大器、低噪声放大器、滤波器和电源管理模块，可满足系统设计需求。

位于新疆维吾尔自治区南部皮山县境内的皮山河流域土质松软、水土流失严重、植被稀疏单一，河道两岸岸坡稳定性较差，存在防洪安全隐患；本文针对皮山河流域现状，结合该工程生态护岸治理实践，对土工石笼袋技术的应用进行探讨。

3.5 电源模块

在电源供电上采用12 V可充电电池进行供电，由于不同的模块需要不同电压，因此使用一种可靠的电源降压及稳压方案是不可缺少的。

采用DC-DC降压或稳压模块方案，附加滤波电路抑制干扰，由于单片机功耗较小，采用LDO线性电源。经实验，该方案效果稳定，性能可靠。

4 软件设计

软件主体由5大部分组成：测温部分、人机交互部分、身份识别部分、物联网部分、消毒灭菌部分。

4.1 测温部分

测温探头会循环检测目标区域的当前温度，并通过SMBus协议将温度数据传递至协控芯片，协控芯片将数据通过串口通信协议回传至主控芯片处理。

4.2 人机交互部分

串口屏会循环检测是否有按键被触发，当检测到有按键被按下，则通过串口通信协议回传被按键信息至主控芯片；同时，循环显示来自主控芯片发来的待显示数据。

4.3 身份识别部分

主控芯片会实时处理来自摄像头的画面，检测是否存在面部，当检测到面部的存在时会捕获当前面部的特征值，检测是否佩戴了口罩并与本地储存介质中的已有特征值比对，若连续7 s没有比对成功则认为身份不符已知任何人，发出警报；反之则识别成功。若接收到来自串口屏的身份采集学习请求，则在一定时间(小于10 min)内采集特征值并储存在本地储存介质。

4.4 物联网部分

采用TCP协议，将Android App和检测门的主控连接到云端，实现数据的上传下发，将人员身份信息、通过人数和体温数据进行云端存储和处理。

4.5 自动消毒部分

在自动消毒设备中，消毒剂采用75%乙醇消毒，并根据病毒的理化性质和对紫外线的敏感性，对人手进行紫外线照射，以提高消毒效果。通过设置双手消毒时间，防止出入人员未完成消毒即撤出双手。当出入人员按步骤完成消毒杀菌流程时，指示灯显示绿色，门禁系统开启闸机设备；当未完成消杀步骤或系统检测发生故障时，指示灯显示红色。

5 系统测试及结果

5.1 测试条件及方案

测试条件：室温15℃、无阳光直射、周围5 m内无其他热源或冷源。室内条件下，摄像头不处于强逆光下，无正面强光照。

对于测温功能，测量目标为1组1位测试人员与1瓶水，一共5组，组与组之间无相同对象。测量距离为5～10 cm。设：以市售测温枪对上述目标的测量温度为实际真实温度。测量内容为：目标温度以及测量温度与实际真实温度偏差绝对值。

对于身份识别功能，测试目标为3个测试人员，一共3组，组与组之间无相同对象。每组测试开始前事先存储该组中2位测试人员的特征值。测试内容为：是否成功检测到口罩；是否识别已知面部特征值的身份；是否可以发出身份不符警报；是否成功采集学习特征值并识别。

对于面部识别，允许在每30 s内出现不多于5次的错误识别，不视作识别失败。

5.2 测试结果

测温功能测试结果如表1所示。

表1 测温功能对人体的测量结果 单位：℃

身份识别功能测试结果如表2所示。

表2 身份识别功能测试结果

经测量，在室内正常使用无其他干扰源的情况下，有较好的测量识别精确度，性能稳定，运行可靠。

6 结语

本文设计的物联网一体化疫情检测系统，针对公共场所的进出人员，可自动完成人员身份识别、体温检测，消毒杀菌处理及人员信息云端存储上报，对体温异常情况进行报警处理；降低检测和消毒人员的投入，减少防疫工作人员的风险。可广泛应用于企事业单位、学校、机场火车站、商场、公园等人员流动性大的场所。本系统不仅能够满足疫情期间的防疫需要，并且在今后重大传染疾病的预防控制上，提供了一种有效解决方法。