一種體溫及口罩佩戴情況識(shí)別裝置

本文在傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種體溫監(jiān)測(cè)及口罩佩戴情況識(shí)別裝置，該裝置具有體溫監(jiān)測(cè)、身份識(shí)別、是否佩戴口罩、自動(dòng)報(bào)警、數(shù)值顯示等功能，可在人員流動(dòng)較大且人工檢測(cè)復(fù)雜的地方安裝，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人力疲勞缺陷，進(jìn)一步確保了疫情期間的人員安全。

1   總體結(jié)構(gòu)

體溫監(jiān)測(cè)及口罩佩戴情況識(shí)別裝置系統(tǒng)由五大模塊組成，分別是核心控制模塊、身份識(shí)別模塊、溫度測(cè)量模塊、LED 顯示模塊、Wi-Fi 接收模塊和語音輸出模塊。核心控制模塊選擇STM32F103 單片機(jī)，既能搭載OpenMV攝像頭，又能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理。身份識(shí)別模塊采用OpenMV攝像頭。OpenMV搭載MicroPython解釋器，可在PC 機(jī)上使用Python 來編程，并且?guī)幚黼娐罚箼C(jī)器視覺算法的編程簡(jiǎn)單化，同時(shí)可獲得預(yù)處理后的圖像信息，提高身份識(shí)別的速度。溫度測(cè)量模塊MLX90614 是一款用于非接觸式的紅外溫度傳感器，得益MLX90614良好性能﹐體積小、成本低、易集成等，應(yīng)用廣泛。Wi-Fi接收模塊使用ESP8266, 是一款串口轉(zhuǎn)無線模芯片，內(nèi)部自帶固件，用戶操作簡(jiǎn)單，無需編寫時(shí)序信號(hào)等。LED 模塊和語音模塊均為本裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，分別使用TFTLCD液晶顯示屏和DY-SV17F模塊驅(qū)動(dòng)語音，裝置下位機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1 所示。

圖1 簡(jiǎn)易體溫測(cè)量與身份識(shí)別裝置組成圖

2   硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)本裝置設(shè)計(jì)的基本功能和發(fā)揮部分功能的要求，本裝置選用STM32F103單片機(jī)為智能控制核心，并采用12 MHz晶振和上電復(fù)位電路。該單片機(jī)內(nèi)部有256kB ROM和48kB RAM以及定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等，其配置對(duì)于本系統(tǒng)已完全夠用。再配合上述方案中應(yīng)用的電子元器件，通過對(duì)多個(gè)模塊的組裝，完成簡(jiǎn)易無接觸溫度測(cè)量與身份識(shí)別裝置的全部設(shè)計(jì)和制作。

2.1 身份識(shí)別電路設(shè)計(jì)

OpenMV 是低功耗的Python3 可編程機(jī)器視覺硬件，結(jié)合攝像頭可以支持一系列廣泛的圖像處理功能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。OpenMV使用跨平臺(tái)IDE進(jìn)行編程，該IDE允許查看攝像機(jī)的幀緩沖器、訪問傳感器控件、通過 USB串行（或 Wi-Fi/BLE 將腳本上傳到攝像機(jī)。OpenMV基板基于在400 MHz 下運(yùn)行的STM32H743 MCU，具有1 MB SRAM、2 MB 閃存、FPU、DSP 和硬件 JPEG編碼器。

2.2 溫度測(cè)量的電路設(shè)計(jì)

適合人體溫度測(cè)量的小外形精確MLX90614 紅外測(cè)溫模塊正適合本裝置的使用。MLX90614 電路圖見圖2，此高精度的溫度傳感器，溫度分辨率要達(dá)到0.02 ℃; 距離系數(shù)需要達(dá)到S:D = 10:1，既測(cè)溫儀探頭到目標(biāo)之間的距離與被測(cè)目標(biāo)直徑之比；采用3.3 V 電源。通上電MLX90614就會(huì)輸出所檢測(cè)出的數(shù)據(jù)，但此時(shí)的數(shù)據(jù)并非溫度數(shù)據(jù)，而是電壓，需要按照精確的電壓溫度轉(zhuǎn)換計(jì)算公式進(jìn)行運(yùn)算，才能使返回的數(shù)據(jù)為溫度數(shù)據(jù)。

圖2 MLX90614電路圖與引腳圖

紅外測(cè)溫模塊MLX90614 有MLX81101 紅外熱電堆傳感器和包括含有穩(wěn)壓電路、低噪聲放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP 單元、脈寬調(diào)制電路及邏輯控制電路的MLX90302信號(hào)處理芯片構(gòu)成，見圖3。

圖3 MLX90614組成

其中紅外熱電堆傳感器輸出的溫度信號(hào)經(jīng)過內(nèi)部低噪聲、低失調(diào)的運(yùn)算放大器(OPA) 放大后經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器(ADC) 轉(zhuǎn)換為17 位數(shù)字信號(hào)通過可編程FIR 及IIR低通數(shù)字濾波器( 即DSP) 處理后輸出，輸出結(jié)果存儲(chǔ)在其內(nèi)部RAM 存儲(chǔ)單元中。

2.3 語音輸出的電路設(shè)計(jì)

語音輸出功能選用語音播放芯片DY-SV17F，內(nèi)置MP3及WAV解碼，能簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)語音播放功能?！癐/O組合（獨(dú)立）模式0”與“I/O 組合（獨(dú)立）模式1”的區(qū)別在于前者模式釋放電平后繼續(xù)播放當(dāng)前曲目至結(jié)束，后者模式釋放電平后立即停止播放曲目。提示音需要完整播放，故此裝置使用IO 獨(dú)立模式0 播放報(bào)警提示音。I/O 獨(dú)立模式可以播放8 首曲目，分別由8 個(gè)I/O單獨(dú)控制，見圖4。

圖4 DY-SV17F的I/O獨(dú)立模式0電路圖

2.4 LED 顯示屏的電路設(shè)計(jì)

TFTLCD 顯示模塊的特點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間短，畫面清晰，但功耗稍高，顯示模式采用16 位的并方式與外部連接。其對(duì)外接口見圖5所示。

圖5 TFTLCD接口圖

由于數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，所以使用LCD 時(shí)需要根據(jù)其手冊(cè)了解具體接口定義。字符型LCD 通常有14條引腳線或16 條引腳線的LCD，多出來的2 條線是背光電源線VCC(15 腳) 和地線GND(16 腳)，其控制原理與14 腳的LCD 完全一樣，說明如表1 所示。

表1 LCD引腳說明

顯示屏內(nèi)部SoC 的LCD 控制器引出一定的引腳與LCD 驅(qū)動(dòng)器連接，按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置一定的時(shí)序，再將LCD 要顯示的像素信息放入內(nèi)存中，在通過設(shè)置LCD控制器中的寄存器，與LCD 控制器建立映射，就能在LCD 中顯示出字符或圖像。

2.5 按鍵控制的電路設(shè)計(jì)

按鍵與STM32F103 單片機(jī)直接連接，只要在程序輸入相應(yīng)的代碼就可以正常使用，當(dāng)按下KEY1 按鍵時(shí)，報(bào)警溫度闕值降低1 ℃，按下KEY0 按鍵時(shí)，報(bào)警溫度闕值升高1 ℃。

2.6 測(cè)量溫度功能

MLX90614 紅外測(cè)溫模塊使用SMBus 協(xié)議。對(duì)照時(shí)序圖，首先初始化函數(shù)內(nèi)部參數(shù)，接著產(chǎn)生停止位，用于判斷是否可繼續(xù)讀取，接著發(fā)送起始位，然后發(fā)送從機(jī)地址和讀取指令，如果一切正常就從發(fā)起始位，開始讀取低8 位和高8 位數(shù)據(jù)，再讀取校驗(yàn)位，發(fā)送停止位表示讀取完成，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，數(shù)據(jù)正確就送回?cái)?shù)據(jù)，否則重新讀取。讀取后的數(shù)據(jù)為被測(cè)物體表面溫度，在測(cè)量體溫時(shí)，通過對(duì)多種數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，得到結(jié)果數(shù)據(jù)繪圖。切換成體溫測(cè)量模式時(shí)，紅外測(cè)溫模塊所得的數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過以下函數(shù)的計(jì)算，將表面溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成體溫?cái)?shù)據(jù)輸出，見圖6。

所得函數(shù)為：y = 0.4639x + 20.841

圖6 體溫?cái)M合結(jié)果圖

2.7 自動(dòng)報(bào)警功能

由上文可知，語音輸出功能選用語音播放芯片DYSV17F，自動(dòng)報(bào)警功能即將語音播放芯片DY-SV17F與STM32F103 單片機(jī)搭配，單片機(jī)接收從LMT70 溫度檢測(cè)電路輸入的邏輯信號(hào)和脈沖信號(hào)，并將輸入的信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算，以控制電流或控制電壓的形式輸出給語音播放芯片DY-SV17F，完成各項(xiàng)語音播報(bào)和警告提醒。

2.8 數(shù)值顯示功能

由原理圖可知，TFTLCD 顯示屏有128×64 個(gè)像素點(diǎn)，這為字符及漢字的顯示提供了基礎(chǔ)。讓數(shù)值顯示在固定位置的流程如下：首先在文件夾中找到液晶屏驅(qū)動(dòng)文件LQ12864.c，輸入文件中的 LCD_P6x8Str() 函數(shù)用來打印字符串，之后為L(zhǎng)CD_P6x8Str() 函數(shù)進(jìn)行解釋，輸入x 和y 的坐標(biāo)，即字符串初始打印的坐標(biāo)，測(cè)量溫度及身份識(shí)別后，數(shù)據(jù)將會(huì)傳輸至STM32F103 單片機(jī)里進(jìn)行處理，再通過LCD 顯示在屏幕上。

2.9 下位機(jī)App功能

手機(jī)客戶端由APP Inventor 編程完成，可對(duì)該裝置的圖像信息及溫度，口罩佩戴情況進(jìn)行觀測(cè)。AppInventor 是一款完全在線開發(fā)的編程軟件，拋去復(fù)雜化的程序代碼而采用積木式的推疊法來完成Android 程式。該系列軟件自行研發(fā)適合手機(jī)使用的任意應(yīng)用程序。通過ESP8266 模塊連接上位機(jī)和下位機(jī)，使服務(wù)端信息發(fā)送給手機(jī)頁面，通過TCP/IP 協(xié)議，使其一體化。

2.10 WI-FI 接收模塊的電路設(shè)計(jì)

此芯片使用了3.3 V 的直流電源，體積小，功耗低，支持透?jìng)?，丟包現(xiàn)象不嚴(yán)重，價(jià)格低。ESP8266 還允許用戶自己編寫rom，不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，還可控制建立Wi-Fi 熱點(diǎn)，或者作為Wi-Fi 客戶端連接到某指定路由器，同時(shí)還可編程控制所有的GPIO。Wi-Fi 接收模塊電路原理圖見圖7 所示。

圖7 Wi-Fi接收模塊電路原理圖

3   軟件設(shè)計(jì)

該裝置的身份識(shí)別功能由身份學(xué)習(xí)功能、人臉識(shí)別功能、口罩識(shí)別功能組成。身份學(xué)習(xí)功能。OpenMV 將所有的與攝像頭有關(guān)的功能全部封裝在了傳感器模塊中，可以很方便的調(diào)用。先使用sensor.reset() 函數(shù)初始化攝像頭，設(shè)置采集照片的格式為灰度圖像，灰度圖像每個(gè)像素僅占1 字節(jié)，在之后的圖像特征的提取中處理速度快。再設(shè)置每幀的大小， 等待攝像頭設(shè)置完成后會(huì)自動(dòng)拍攝人臉圖像，每位拍攝者需要拍攝20 張人臉圖像，存入帶有人員編號(hào)的文件夾里。常用圖像特征提取方法有Haar-like、HoG、LBP這三種方法，其中LBP為嵌入式開發(fā)最為推薦的方法，雖然精確度不如前者，但其運(yùn)算速度快，適合題目實(shí)時(shí)檢測(cè)人臉的要求。LBP（Local Binary Pattern，局部二值模式）是一種用來描述圖像局部紋理特征的算子；它具有旋轉(zhuǎn)不變性和灰度級(jí)不變性等顯著的優(yōu)點(diǎn)。

由于OpenMV 擁有圖片提取LBP 特征功能，在拍攝被測(cè)人員人臉樣本時(shí)，先運(yùn)行OpenMV 的sensor.set_pixformat(sensor.GRAYSCALE) 灰度轉(zhuǎn)換函數(shù)，出來的圖片已經(jīng)轉(zhuǎn)化為灰度圖，再提取出當(dāng)前拍攝圖像的LBP特征函數(shù)，將圖片與之前文件夾里存入的被測(cè)人員的圖像逐一比對(duì)，比對(duì)時(shí)會(huì)逐一比對(duì)所有被測(cè)人員的圖片，比對(duì)完成一組文件夾的圖片后會(huì)輸出比對(duì)闕值，之后跳轉(zhuǎn)至下一文件夾再次進(jìn)行比對(duì)，全部識(shí)別完畢后找出比對(duì)闕值最低的文件夾，最后輸出文件夾對(duì)應(yīng)的人員編號(hào)或姓名。

圖8 身份識(shí)別結(jié)果圖

口罩識(shí)別功能運(yùn)用了口罩特征點(diǎn)檢測(cè)和尋找口罩色塊的功能，在程序運(yùn)行前將不同口罩的特征點(diǎn)及各種色塊提取完成，方便后續(xù)比對(duì)。在拍攝出的灰度圖中，若被測(cè)者戴著口罩，OpenMV 會(huì)尋找口罩的邊緣并畫出特征點(diǎn)，當(dāng)口罩的特征點(diǎn)匹配正確至一定數(shù)量時(shí)，則程序?qū)@示正確識(shí)別口罩并顯示被測(cè)人員已戴口罩；若特征點(diǎn)識(shí)別較少，OpenMV 將會(huì)尋找口罩色塊，匹配成功將正確識(shí)別口罩，匹配失敗則顯示被測(cè)人員未佩戴口罩?？谡肿R(shí)別流程圖見圖9。

圖9 口罩識(shí)別流程圖

4   結(jié)束語

基于32 位微控制器STM32F103，使用MX90614紅外測(cè)溫傳感器和OpenMV 攝像頭，再配合TFTLCD顯示屏、ESP8266 模塊、語音播放芯片DY-SV17F 等設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易無接觸溫度測(cè)量與口罩佩戴情況識(shí)別裝置。經(jīng)過測(cè)試證明該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)較高精度的溫度測(cè)量，能夠通過藍(lán)牙向計(jì)算機(jī)傳輸溫度數(shù)據(jù)，并且具有顯示、識(shí)別、報(bào)警等輔助功能，可滿足日常生活的需要。不過，該裝置的精度和穩(wěn)定性等有待進(jìn)一步提高，以實(shí)現(xiàn)更好的紅外測(cè)溫。經(jīng)驗(yàn)證，該裝置測(cè)量數(shù)據(jù)都達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）