一种巡航测温的“智慧小车”的设计

2021-04-24王双庆朱启姜符怡宁陈柏宇王中昊杜耀武于东明

科学技术创新 2021年8期

王双庆朱启姜符怡宁陈柏宇李琦王中昊杜耀武* 于东明*

（河南大学临床医学院，河南开封475000）

1 概述

据临床统计表明，在我国39 种法定传染病中，前期表现出发热症状的疾病多达28 种，因此体温筛查是预防和控制传染病传播的有效手段之一。为了落实“早发现、早诊断、早隔离、早治疗”一级预防措施，控制病毒扩散、识别发热病人，各个公共场所都增设了体温检测程序[1]。基于目前市场上所上市的测温仪器所存在的一些缺陷，拟设计了一款升级版的“智慧小车”，该设计不仅能精准地测量人体的体温，还能多地点、全天候巡航，通过人脸五点特征进行人脸识别，对人群是否存在发热特征、是否佩戴口罩等情况进行实时监测和数据回传。

2 测温原理

人具有完善的体温调节系统，以适应正常的机体生命活动需要。正常成人体温维持在37℃左右，一般不超过37.3℃，一昼夜之间的波动不超过1℃。根据“体温调定学说”，人机体发热是指当由于致热源作用使体温调定点上移而引起调节性体温升高，超过正常体温0.5℃[2]。一般发热类传染病所引起的发热激活物是病毒，容易引发低烧症状。通过监测体温初步排查发热病人，有效地控制病毒的传播。体温监测是防控不可或缺的预防手段，因此设计出一款简单便捷、性价比高的智能监测体温的仪器显得至关重要。

“智慧小车”测温系统利用的是红外辐射测温原理，所有物体在高于绝对零度-273℃时，都会不断向外部发出红外线。每一个物体发出的红外线能量大小和波长的分布都与物体自身表面温度有着密切联系，通常温度与红外线能量呈正相关。同时，红外线辐射是电磁波频谱的一部分，频率介于无线电波与可见光之间。通常光谱中红外线的波长处于0.7-20μm之间是可以被检测到的。根据数据统计，当人的体温处于正常状态36-37°C 时，向外发射的红外线波长可达9-13μm[3]。因此，智慧小车通过聚焦人体红外热辐射，将辐射强度转化为电信号，电信号通过计算机分析将自身发射的红外线数值转化为温度单位显示在PC端，从而实现远程实时监测体温的功能。

3 系统的总体设计

本文中的巡航测温“智慧小车”主要的组成部分可以大致分为硬件系统和软件系统。硬件系统主要由传感模块、监测模块、通信模块、电源模块以及控制模块构成。软件系统则是由人脸识别系统、报警系统和上机位系统构成。具体的组成结构如图1 所示。

3.1 硬件系统

图1 智慧小车系统结构图

如图2 为硬件系统的构成框图。巡航测温“智慧小车”是一款以Linux嵌入式控制为核心的测温智能巡检遥控小车。该装置包括了传感模块、监测模块、通信模块、电源模块、控制模块五大模块和图像检测系统、报警系统两大系统。通过传感模块利用非接触式红外测温的原理对人体进行远程测温；通过控制模块实现数据的实时采集、异常数据的实时处理以及数据的实时回传；通过监测模块利用摄像头采集图像并传输到通信模块，Let/Wifi 双频无线通信模块将监测状态以及定位数据传输到上机位，在PC端显示“智慧小车”位置，从而达到实时监测的目的；电源模块为“智慧小车”提供稳定的电压输出，可实现不间断供电。同时还能通过图像检测系统对检测对象进行人脸识别，并检测其佩戴口罩情况。

图2 硬件系统构成框图

3.1.1 传感模块

该设备的传感模块由加速度模块和GPS 定位模块构成；其中，加速度模块采用MPU6050 模块。MPU6050 整合了三轴加速度器和三轴陀螺仪，采用I2C接口和Linux控制板进行通信。其内置16位AD 转换器，可对加速度、角速度、测量频率和测量范围进行调节。GPS 模块采用ATGM336H 模块，该模块基于中科微第四代低功耗GNSS SOC 单芯片-AT6558，支持多种卫星导航系统。AT6558 是一款真正意义的六合一多模卫星导航定位芯片，包含32 个跟踪通道，可以同时接收六个卫星导航系统的GNSS 信号，并且实现联合定位、导航与授时。该模块使用国际通用协议NMEA0183 协议，具有使用简单，稳定性高，精度高等特点。

本系统的所有传感器的值将传递给报警系统。

3.1.2 通信模块

采用4GLte 模块与双频Wifi 模块为小车提供远程数据通信支持；4GLte 模块是指硬件加载到指定频段，软件支持标准的LTE 协议，软硬件高度集成模组化的一种产品的统称，具有通信速度快、网络频谱宽、通信灵活等特点。该模块将通过无线数据传输，将采集的数据上传到上位机，以此进行监控。

本系统将小车所有数据实时回传到上位机平台。

3.1.3 电源模块

电池模块主要由三个部分组成：ADC数模转换模块、过充过放保护模块和稳压模块；ADC数模转化模块可以采用ADS1115 4 通道16 位高精度芯片，用于检测电池剩余电压、计算剩余续航距离和电池温度；而过充过放模块可以实时监控充电电池的电压情况，当充电电池电压高于设定值时，电路会发出警报并断开电源，起到保护电池的作用；还有稳压模块可以给巡航测温“智慧小车”提供稳定交流电或直流电。与此同时，为了保证Linux开发板的稳定工作，采用了稳压芯片LM2940 进行供电。LM2940 具有电路结构简单、波纹小、稳压的线性度好的特点，可以为Linux 提供稳定的5V电源。电源模块为小车提供可靠能源保证，是各系统、各模块运行的关键模块。

3.1.4 监测模块

监测模块主要由红外测温模块和摄像头模块构成；该设备的红外测温模块采用GY-906 红外测温模块，采用I2C 协议与Linux主控板通信。该模块利用辐射热效应的原理，使探测器件接受到辐射能后引起温度升高，在传感器中与温度性能发生一系列的转换，实现能监测人体体温的功能。而摄像头模块则负责采集图像信息，通过USB协议与Linux主控板通信。通过加载驱动，摄像头会在Linux系统的/dev目录下自动挂载为一个video文件，通过对该文件进行操作，即可获取摄像头采集到的图像数据。该模块采集到的所有图像数据则会传给软件系统的图像检测系统。

3.1.5 控制模块

控制模块主要由两部分构成，可分为Linux主控板和电机驱动板；Linux主控板SOC将采用瑞芯微生产的RK3328，RK3328 内置4 核心Cortex-A53 高性能处理器以及4K视频处理硬件加速器，支持4K30fps 图像解码和1080P60fps 图像解码。其拥有USB3.0，HDMI2.0，SATA3.0 以及MIPI 等丰富外设。本设计的软件程序将运行在该CPU上，而外接传感器系统则通过串口，I2C，SPI 等直接与Linux主控板通信。同时，HDMI 可以外接显示屏用于显示UI 画面，用图像进行交互和提醒。降低使用门槛，提高使用体验。Linux嵌入式控制系统是软件资源和硬件资源的控制中心，可将软件的不同需求进行分层、分任务设计，使得任务层次明确，功能简洁明了，其具有空间小、执行效率高和可固化存储的特点。而电机驱动板则直接连接电源模块和电机，在Linux主控板的控制下控制电机运动来实现控制小车巡逻和正常运行。LIUNX主控板是小车的智慧大脑，负责协调小车各系统、模块的正常运转，是小车正常运行的系统中枢。

3.2 软件系统

3.2.1 图像检测系统

本系统可以大致分为三部分，基于HTTP 协议的视频流编码，基于OpenCV和TensorFlow的人脸识别网络模型程序以及口罩检测模型程序；本系统的图像信息来自于监测模块，在本系统获取到图像信息后，会将图像进行编码为HTTP 视频流，并将开启一个端口以供人脸网络模型程序和口罩检测模型程序以及上位机访问。

视频流编码程序为基于开源音视频框架FFmpeg 编写的Motion HTTP 视频流程序。该程序会从Linux的/dev/video文件中读取图像信息并以H264 格式编码为视频流，并映射到网络端口上。而人脸识别程序和口罩检测程序则会先通过OpenCV 读取localhost 的视频流，并传入Tensorflow进行人脸识别和口罩检测。该程序通过加载已完成训练的AI 模块，首先提取标准人脸的五个特征点：左右眼、鼻子、与及左右嘴角，然后再将这五个特征点的距离关系导入AI 模型进行系统地学习与分析。其优点主要为采用人脸五点特征的原理，并且这五点特征主要是由脸部骨骼确定，不会因其他外部因素的变化而产生误差，并且所需储存特征值较少，仅需储存五点位置特征关系，识别率高，误判率低。

3.2.2 报警系统

智慧测温小车预警模式由信息采集、人脸数据库、数据处理分析、人员处理单元组成；若“智慧小车”的使用场所是在校园，则信息采集单元与校园现有人脸识别监控摄像头连接，共同采集人脸信息。当体温监测系统监测到体温超过限值（T≥37.5℃）的行人时，数值呈现异常状态，系统迅速报警，并将实时异常信息推送到监管人员的PC端。除此之外，智慧小车同时将发热信息推送到现场及远端的监控防疫中心，数据均导入数据库。检测人员根据图像迅速找出发热对象，对其进行医学排查。除此之外，智慧小车同时传输数据并实时生成统计分析图。将实时生成数据异常者信息报告，内容包括体温状态、数值波动、异常时间与人脸信息。对相关数据进行多维度多层次的分析，促进问题及时处理，提高监测效率。还可以通过图像检测系统对进入机器人检测范围的物体进行检测，对人脸特征进行处理并检索身份信息，检测是否标准佩戴口罩以及体温是否符合检测标准。当检测到体温异常或是未正确佩戴口罩时，将会有语音提示。本设计的报警系统结合精准单点与多点测温的优势，全方位筛查，迅速锁定追踪发热人群，迅速传输有效数据，智能生成数据统计分析，使整个防范监管更具安全性、灵敏性。

3.3 上位机后台系统

将依托IOT 管理系统平台，对数据进行实时分析处理，小车所有前台数据将通过通信模块远程上载到上位机后台系统。上位机后台系统将实时展示小车所有数据信息，如：小车巡航轨迹、已检测体温人数（包含体温正常人数与体温异常人数）、GPS信息、Linux系统信息、图像实时回传。本系统是小车的后台管理系统，小车所有数据信息及控制将在本平台实现。