基于K210的Alot防疫與平安校園建設系統(tǒng)設計

廣西民族師范學院 張世坤 余志慢 蒙學玨 黃燦勝

在科學技術(shù)高速發(fā)展的今天，平安校園建設顯得越來越重要。本項目正是基于STM32F103C8T6單片機和K210為控制核心而設計的Alot防疫與平安校園建設系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用MLX90614紅外測溫傳感器作為非接觸式測量模塊來采集人體體溫，再通過顯示電路和蜂鳴器電路實現(xiàn)報警。此外，本設計利用機器學習訓練人臉口罩是否符合要求，進而推動疫情形勢下平安校園建設！

1 系統(tǒng)功能描述

本設計以STM32F103C8T6單片機和K210為控制核心，采用MLX90614紅外測溫傳感器作為非接觸式測量模塊，裝置一個KY-008激光模塊作為指示光，在oled顯示屏顯示溫度與閾值，然后通過一個按鍵進行非接觸式一鍵測溫，另外兩個按鍵實現(xiàn)閾值的設置，在單片機上運行的程序若測量的值超過預設的閾值，就會有蜂鳴器報警。本系統(tǒng)采用ov2640攝像頭采集圖像，K210芯片處理圖像，運行人臉部的5個關(guān)鍵點檢測模型，系統(tǒng)獲取關(guān)鍵點來預測結(jié)果進而實現(xiàn)身份識別。如果在識別失敗則會導致蜂鳴器報警，反之通過機器學習訓練人臉佩戴口罩模型進行判斷被測人是否符合要求，本設計是基于特征方法的從組成成分中分析并提取人體身份識別與身份特征學習功能，從而實現(xiàn)一款非接觸式的人體體溫與身份識別的系統(tǒng)。系統(tǒng)功能如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能圖示

圖2 系統(tǒng)軟件主程序流程圖

2 硬件設計原理

本設計在硬件設計上主要由主控電路、電源電路、按鍵輸入電路、復位電路、時鐘電路等5個部分組成。主控電路作為整個系統(tǒng)的控制中心，它發(fā)揮著舉重足輕的作用，各個模塊相互間的通訊交流都是在主控電路的控制下完成的，本系統(tǒng)在硬件設計上主要利用Altium Designer設計原理圖。例如，在系統(tǒng)正常工作的情況下，當有學生進入校園時，首先會利用紅外測溫傳感器進行體溫測試，如果體溫異常，則會導致系統(tǒng)報警，反之進入人臉識別階段，在人臉識別過程中，會與預先存儲在K210圖片庫中的照片進行比對，只有圖片比對成功才能進入校園。本設計在硬件設計上結(jié)合當前形勢進行合理化的設計，增加人臉識別模塊進一步增強校園安全建設，這對推動平安校園建設具有重要的意義。

3 軟件設計思路

在軟件開發(fā)中，MLX90614傳感器上電就可以通過STM32F103C8T6開發(fā)板讀出數(shù)據(jù)，然后根據(jù)讀出的數(shù)值進行與閾值的邏輯判定是否需要報警。K210+OV2640攝像頭身份識別模塊用Maixpy IDE進行模擬調(diào)試。模塊采用python語言實現(xiàn)編程，系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能是對人體面部五點特征和口罩的識別、溫度的檢測與判斷。本系統(tǒng)軟件主程序流程圖如圖2所示。

圖3 液體溫度的非線性擬合

圖4 人體溫度的非線性擬合

MLX90614系列測溫模塊是應用非常廣泛的紅外測溫裝置，能夠輸出線性或準線性信號。該模塊以MLX81101熱電原件作為紅外感應部分。輸出是被測物體溫度T0與傳感器自身溫度Ta共同作用的結(jié)果，理想狀態(tài)下熱元件輸出的電壓如式(1)所示：

其中溫度的單位均為絕對溫度（開爾文），A是元件的敏感度。對得到的數(shù)據(jù)通過MATLAB進行非線性標定，得到的相關(guān)系數(shù)體現(xiàn)在程序中，如圖3、圖4所示。

表1 識別精度和體溫測試數(shù)據(jù)

4 總結(jié)

本系統(tǒng)測試人員由三個隊員（已經(jīng)過模塊學習）和兩個隨機人員組成（未經(jīng)過模塊學習），液體溫度測試隨機選擇28℃～48℃范圍內(nèi)；經(jīng)過多次試驗，隨機選取其中一次結(jié)果展示，如表1所示。

通過測試數(shù)據(jù)可以看出該設計結(jié)果與驗證結(jié)果較為貼合，實現(xiàn)了設計的要求，在本設計中我們使用了模擬電子電路、數(shù)字電子電路、嵌入式系統(tǒng)、人臉識別算法來進行設計及制作。雖然在設計過程中遇到了很多問題，如溫度識別模塊測試的數(shù)據(jù)不準確（相差>2°）；身份識別模塊識別點和識別度不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)誤判等；但經(jīng)過對本系統(tǒng)軟件進行不斷的調(diào)試與測試，最終提高了本系統(tǒng)的精準度，實現(xiàn)了設計作品無接觸溫度測量和身份識別模塊的功能。