测温防疫装置的设计与实现*

翟丽红，石 玥，孙 磊，王雅茹

(太原工业学院,山西 太原 030008)

0 引言

当前,全球新冠肺炎确诊病例绝对数量依然居高不下,新冠病毒仍在快速传播且不断变异,做好疫情防控,切实保障人民群众生命安全和身体健康,提高在公共场所的人员防疫检测速度和准确度是十分重要的。测温防疫装置能够大大减少接触感染的几率,加强监测力度,提高检测效率,为防疫工作带来巨大的便利[1]。

本文以2022年山西省大学生电子设计竞赛为背景,设计了一套测温防疫装置系统,可以实现无接触测温、身份识别、佩戴口罩识别、语音播报及超过温度阈值实现报警等功能,此外,还设计了Windows客户端程序,与单片机交互。

1 系统设计

本测温防疫装置的系统框架如图1所示,该系统以STM32系列单片机作为主控芯片,包括温度测量模块、视觉模块、测距模块、语音播报模块、电源模块、按键模块及报警模块等。

图1 系统框图

由一个7.4 V 锂电池和一个降压模块作为电源,降压模块能够提供5 V和3.3 V两种电压给系统各模块供电。系统通电后,在STM32单片机控制下,OLED显示屏显示初始化画面,根据按键进行功能选择。搭建按键外围电路,开启人机交互模式,方便进行功能选择。按键1,每按一次,更新一次温度和距离;按键2,阈值范围30 ℃～46 ℃;按键3,进行人脸学习后自动进入身份识别模式;按键4,完成身份识别和佩戴口罩识别模式的切换。

本系统的测温模块选择单点式GY-906-DCI。测距模块使用GY-53 VL53L0X激光测距,用于温度补偿。按键模块可以选择测温和学习模式。测温模式下,温度传感器获取温度信息,通过温度补偿算法来实现远距离人体温度的检测及实时显示。语音模块可以实现检测结果的语音播报。学习识别模式下,视觉模块中的K210通过串行通信与STM32建立联系,通过OpenMV摄像头捕捉图像信息发送给主控,主控接收图像信息后,通过人脸识别算法进行身份识别和口罩检测,判断是否符合防疫要求,显示模块实时显示检测结果,系统同时实现语音播报。

2 软件设计

本系统采用GY-53激光测距,采用GY-906-DCI红外测温[2]。测温模块的设计流程:按下测温按键1之后,先判断是否在合理的测温距离之内,如果超出距离,语音播报“请保持合适的测量距离”,在合适的测距范围之内,GY-906-DIC进行温度测量,为了合理控制测量误差,测量温度取多次测量值的均值,和设定的阈值温度进行比较,超出阈值,语音播报“温度异常”并在显示屏上标红显示,否则,显示正常温度。

身份识别的设计流程如图2所示,按下按键3,系统开启人脸学习和识别模式,采集被测人员的信息,如果采集失败,语音播报“未采集到人脸,请再试一次”,若采集成功,将采集到的信息存入本地[3]。采集到的信息与本地信息进行比对,若比对成功,身份识别成功,否则,重新比对。

图2 身份识别流程图

口罩识别的设计流程,摄像头捕捉被测人员的图像信息,开启口罩识别模式,判断被测人员是否佩戴口罩,如果未佩戴口罩,语音播报“请佩戴口罩”,如果佩戴口罩,屏幕用绿色框线进行显示,并显示匹配程度。

采用C#设计了Windows客户端程序,与单片机交互。采用Client架构,分别设计了交互层、逻辑层和数据层。交互层,完成与单片机交互,获取温度信号。逻辑层,设定一个温度指标,当温度信号大于温度指标时触发提示,储存每次收到的温度信号。数据层,不使用数据库,用文件保存。如图3所示,Windows客户端的功能包括:变更预设的温度功能,记录历史扫描温度功能,显示当前时间。

图3 客户端界面

3 实验测试

本测温防疫装置的实物如图4所示。在室温20 ℃,无阳光直射,周围5 m无其他热源或冷源的条件下对本测温防疫装置进行功能测试。结果如表1所示。

表1 额温测量结果

图4 测温防疫装置

室内条件无正面强光照的条件下,进行身份识别功能测试。测试内容包括:是否成功检测到口罩;是否可以语音播报;是否可以采集学习特征值并进行识别,身份测试如图5所示。单人识别时间平均为0.55 s。

图5 身份测试

口罩识别功能测试如图6所示,本装置可以对市面上的多种口罩进行正确识别。

图6 口罩测试

4 总结

本文设计的测温防疫装置,可以准确快速地完成温度测量、身份学习和识别、口罩识别及语音播报等功能。此外,Windows客户端的设计,实现了阈值更改,实时测温及对测温数据的记录等功能,后续的工作还可以对功能继续优化,同时记录扫描到温度及当下的时间,若传入温度信号能加入身份码,可加入身份信息模块相关内容等。