一種巡航測溫的“智慧小車”的設(shè)計(jì)

王雙慶 朱啟姜 符怡寧 陳柏宇 李 琦 王中昊 杜耀武* 于東明*

（河南大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，河南 開封475000）

1 概述

據(jù)臨床統(tǒng)計(jì)表明，在我國39 種法定傳染病中，前期表現(xiàn)出發(fā)熱癥狀的疾病多達(dá)28 種，因此體溫篩查是預(yù)防和控制傳染病傳播的有效手段之一。為了落實(shí)“早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早隔離、早治療”一級預(yù)防措施，控制病毒擴(kuò)散、識別發(fā)熱病人，各個(gè)公共場所都增設(shè)了體溫檢測程序[1]。基于目前市場上所上市的測溫儀器所存在的一些缺陷，擬設(shè)計(jì)了一款升級版的“智慧小車”，該設(shè)計(jì)不僅能精準(zhǔn)地測量人體的體溫，還能多地點(diǎn)、全天候巡航，通過人臉五點(diǎn)特征進(jìn)行人臉識別，對人群是否存在發(fā)熱特征、是否佩戴口罩等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)回傳。

2 測溫原理

人具有完善的體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以適應(yīng)正常的機(jī)體生命活動需要。正常成人體溫維持在37℃左右，一般不超過37.3℃，一晝夜之間的波動不超過1℃。根據(jù)“體溫調(diào)定學(xué)說”，人機(jī)體發(fā)熱是指當(dāng)由于致熱源作用使體溫調(diào)定點(diǎn)上移而引起調(diào)節(jié)性體溫升高，超過正常體溫0.5℃[2]。一般發(fā)熱類傳染病所引起的發(fā)熱激活物是病毒，容易引發(fā)低燒癥狀。通過監(jiān)測體溫初步排查發(fā)熱病人，有效地控制病毒的傳播。體溫監(jiān)測是防控不可或缺的預(yù)防手段，因此設(shè)計(jì)出一款簡單便捷、性價(jià)比高的智能監(jiān)測體溫的儀器顯得至關(guān)重要。

“智慧小車”測溫系統(tǒng)利用的是紅外輻射測溫原理，所有物體在高于絕對零度-273℃時(shí)，都會不斷向外部發(fā)出紅外線。每一個(gè)物體發(fā)出的紅外線能量大小和波長的分布都與物體自身表面溫度有著密切聯(lián)系，通常溫度與紅外線能量呈正相關(guān)。同時(shí)，紅外線輻射是電磁波頻譜的一部分，頻率介于無線電波與可見光之間。通常光譜中紅外線的波長處于0.7-20μm之間是可以被檢測到的。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)人的體溫處于正常狀態(tài)36-37°C 時(shí)，向外發(fā)射的紅外線波長可達(dá)9-13μm[3]。因此，智慧小車通過聚焦人體紅外熱輻射，將輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電信號，電信號通過計(jì)算機(jī)分析將自身發(fā)射的紅外線數(shù)值轉(zhuǎn)化為溫度單位顯示在PC端，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測體溫的功能。

3 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文中的巡航測溫“智慧小車”主要的組成部分可以大致分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要由傳感模塊、監(jiān)測模塊、通信模塊、電源模塊以及控制模塊構(gòu)成。軟件系統(tǒng)則是由人臉識別系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)和上機(jī)位系統(tǒng)構(gòu)成。具體的組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

3.1 硬件系統(tǒng)

圖1 智慧小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖2 為硬件系統(tǒng)的構(gòu)成框圖。巡航測溫“智慧小車”是一款以Linux嵌入式控制為核心的測溫智能巡檢遙控小車。該裝置包括了傳感模塊、監(jiān)測模塊、通信模塊、電源模塊、控制模塊五大模塊和圖像檢測系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)兩大系統(tǒng)。通過傳感模塊利用非接觸式紅外測溫的原理對人體進(jìn)行遠(yuǎn)程測溫；通過控制模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、異常數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理以及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳；通過監(jiān)測模塊利用攝像頭采集圖像并傳輸?shù)酵ㄐ拍K，Let/Wifi 雙頻無線通信模塊將監(jiān)測狀態(tài)以及定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠙C(jī)位，在PC端顯示“智慧小車”位置，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的；電源模塊為“智慧小車”提供穩(wěn)定的電壓輸出，可實(shí)現(xiàn)不間斷供電。同時(shí)還能通過圖像檢測系統(tǒng)對檢測對象進(jìn)行人臉識別，并檢測其佩戴口罩情況。

圖2 硬件系統(tǒng)構(gòu)成框圖

3.1.1 傳感模塊

該設(shè)備的傳感模塊由加速度模塊和GPS 定位模塊構(gòu)成；其中，加速度模塊采用MPU6050 模塊。MPU6050 整合了三軸加速度器和三軸陀螺儀，采用I2C接口和Linux控制板進(jìn)行通信。其內(nèi)置16位AD 轉(zhuǎn)換器，可對加速度、角速度、測量頻率和測量范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。GPS 模塊采用ATGM336H 模塊，該模塊基于中科微第四代低功耗GNSS SOC 單芯片-AT6558，支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。AT6558 是一款真正意義的六合一多模衛(wèi)星導(dǎo)航定位芯片，包含32 個(gè)跟蹤通道，可以同時(shí)接收六個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS 信號，并且實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位、導(dǎo)航與授時(shí)。該模塊使用國際通用協(xié)議NMEA0183 協(xié)議，具有使用簡單，穩(wěn)定性高，精度高等特點(diǎn)。

本系統(tǒng)的所有傳感器的值將傳遞給報(bào)警系統(tǒng)。

3.1.2 通信模塊

采用4GLte 模塊與雙頻Wifi 模塊為小車提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信支持；4GLte 模塊是指硬件加載到指定頻段，軟件支持標(biāo)準(zhǔn)的LTE 協(xié)議，軟硬件高度集成模組化的一種產(chǎn)品的統(tǒng)稱，具有通信速度快、網(wǎng)絡(luò)頻譜寬、通信靈活等特點(diǎn)。該模塊將通過無線數(shù)據(jù)傳輸，將采集的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，以此進(jìn)行監(jiān)控。

本系統(tǒng)將小車所有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳到上位機(jī)平臺。

3.1.3 電源模塊

電池模塊主要由三個(gè)部分組成：ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、過充過放保護(hù)模塊和穩(wěn)壓模塊；ADC數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊可以采用ADS1115 4 通道16 位高精度芯片，用于檢測電池剩余電壓、計(jì)算剩余續(xù)航距離和電池溫度；而過充過放模塊可以實(shí)時(shí)監(jiān)控充電電池的電壓情況，當(dāng)充電電池電壓高于設(shè)定值時(shí)，電路會發(fā)出警報(bào)并斷開電源，起到保護(hù)電池的作用；還有穩(wěn)壓模塊可以給巡航測溫“智慧小車”提供穩(wěn)定交流電或直流電。與此同時(shí)，為了保證Linux開發(fā)板的穩(wěn)定工作，采用了穩(wěn)壓芯片LM2940 進(jìn)行供電。LM2940 具有電路結(jié)構(gòu)簡單、波紋小、穩(wěn)壓的線性度好的特點(diǎn)，可以為Linux 提供穩(wěn)定的5V電源。電源模塊為小車提供可靠能源保證，是各系統(tǒng)、各模塊運(yùn)行的關(guān)鍵模塊。

3.1.4 監(jiān)測模塊

監(jiān)測模塊主要由紅外測溫模塊和攝像頭模塊構(gòu)成；該設(shè)備的紅外測溫模塊采用GY-906 紅外測溫模塊，采用I2C 協(xié)議與Linux主控板通信。該模塊利用輻射熱效應(yīng)的原理，使探測器件接受到輻射能后引起溫度升高，在傳感器中與溫度性能發(fā)生一系列的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)能監(jiān)測人體體溫的功能。而攝像頭模塊則負(fù)責(zé)采集圖像信息，通過USB協(xié)議與Linux主控板通信。通過加載驅(qū)動，攝像頭會在Linux系統(tǒng)的/dev目錄下自動掛載為一個(gè)video文件，通過對該文件進(jìn)行操作，即可獲取攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)。該模塊采集到的所有圖像數(shù)據(jù)則會傳給軟件系統(tǒng)的圖像檢測系統(tǒng)。

3.1.5 控制模塊

控制模塊主要由兩部分構(gòu)成，可分為Linux主控板和電機(jī)驅(qū)動板；Linux主控板SOC將采用瑞芯微生產(chǎn)的RK3328，RK3328 內(nèi)置4 核心Cortex-A53 高性能處理器以及4K視頻處理硬件加速器，支持4K30fps 圖像解碼和1080P60fps 圖像解碼。其擁有USB3.0，HDMI2.0，SATA3.0 以及MIPI 等豐富外設(shè)。本設(shè)計(jì)的軟件程序?qū)⑦\(yùn)行在該CPU上，而外接傳感器系統(tǒng)則通過串口，I2C，SPI 等直接與Linux主控板通信。同時(shí)，HDMI 可以外接顯示屏用于顯示UI 畫面，用圖像進(jìn)行交互和提醒。降低使用門檻，提高使用體驗(yàn)。Linux嵌入式控制系統(tǒng)是軟件資源和硬件資源的控制中心，可將軟件的不同需求進(jìn)行分層、分任務(wù)設(shè)計(jì)，使得任務(wù)層次明確，功能簡潔明了，其具有空間小、執(zhí)行效率高和可固化存儲的特點(diǎn)。而電機(jī)驅(qū)動板則直接連接電源模塊和電機(jī)，在Linux主控板的控制下控制電機(jī)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)控制小車巡邏和正常運(yùn)行。LIUNX主控板是小車的智慧大腦，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)小車各系統(tǒng)、模塊的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，是小車正常運(yùn)行的系統(tǒng)中樞。

3.2 軟件系統(tǒng)

3.2.1 圖像檢測系統(tǒng)

本系統(tǒng)可以大致分為三部分，基于HTTP 協(xié)議的視頻流編碼，基于OpenCV和TensorFlow的人臉識別網(wǎng)絡(luò)模型程序以及口罩檢測模型程序；本系統(tǒng)的圖像信息來自于監(jiān)測模塊，在本系統(tǒng)獲取到圖像信息后，會將圖像進(jìn)行編碼為HTTP 視頻流，并將開啟一個(gè)端口以供人臉網(wǎng)絡(luò)模型程序和口罩檢測模型程序以及上位機(jī)訪問。

視頻流編碼程序?yàn)榛陂_源音視頻框架FFmpeg 編寫的Motion HTTP 視頻流程序。該程序會從Linux的/dev/video文件中讀取圖像信息并以H264 格式編碼為視頻流，并映射到網(wǎng)絡(luò)端口上。而人臉識別程序和口罩檢測程序則會先通過OpenCV 讀取localhost 的視頻流，并傳入Tensorflow進(jìn)行人臉識別和口罩檢測。該程序通過加載已完成訓(xùn)練的AI 模塊，首先提取標(biāo)準(zhǔn)人臉的五個(gè)特征點(diǎn)：左右眼、鼻子、與及左右嘴角，然后再將這五個(gè)特征點(diǎn)的距離關(guān)系導(dǎo)入AI 模型進(jìn)行系統(tǒng)地學(xué)習(xí)與分析。其優(yōu)點(diǎn)主要為采用人臉五點(diǎn)特征的原理，并且這五點(diǎn)特征主要是由臉部骨骼確定，不會因其他外部因素的變化而產(chǎn)生誤差，并且所需儲存特征值較少，僅需儲存五點(diǎn)位置特征關(guān)系，識別率高，誤判率低。

3.2.2 報(bào)警系統(tǒng)

智慧測溫小車預(yù)警模式由信息采集、人臉數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理分析、人員處理單元組成；若“智慧小車”的使用場所是在校園，則信息采集單元與校園現(xiàn)有人臉識別監(jiān)控?cái)z像頭連接，共同采集人臉信息。當(dāng)體溫監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到體溫超過限值（T≥37.5℃）的行人時(shí)，數(shù)值呈現(xiàn)異常狀態(tài)，系統(tǒng)迅速報(bào)警，并將實(shí)時(shí)異常信息推送到監(jiān)管人員的PC端。除此之外，智慧小車同時(shí)將發(fā)熱信息推送到現(xiàn)場及遠(yuǎn)端的監(jiān)控防疫中心，數(shù)據(jù)均導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。檢測人員根據(jù)圖像迅速找出發(fā)熱對象，對其進(jìn)行醫(yī)學(xué)排查。除此之外，智慧小車同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)生成統(tǒng)計(jì)分析圖。將實(shí)時(shí)生成數(shù)據(jù)異常者信息報(bào)告，內(nèi)容包括體溫狀態(tài)、數(shù)值波動、異常時(shí)間與人臉信息。對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度多層次的分析，促進(jìn)問題及時(shí)處理，提高監(jiān)測效率。還可以通過圖像檢測系統(tǒng)對進(jìn)入機(jī)器人檢測范圍的物體進(jìn)行檢測，對人臉特征進(jìn)行處理并檢索身份信息，檢測是否標(biāo)準(zhǔn)佩戴口罩以及體溫是否符合檢測標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)檢測到體溫異常或是未正確佩戴口罩時(shí)，將會有語音提示。本設(shè)計(jì)的報(bào)警系統(tǒng)結(jié)合精準(zhǔn)單點(diǎn)與多點(diǎn)測溫的優(yōu)勢，全方位篩查，迅速鎖定追蹤發(fā)熱人群，迅速傳輸有效數(shù)據(jù)，智能生成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，使整個(gè)防范監(jiān)管更具安全性、靈敏性。

3.3 上位機(jī)后臺系統(tǒng)

將依托IOT 管理系統(tǒng)平臺，對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，小車所有前臺數(shù)據(jù)將通過通信模塊遠(yuǎn)程上載到上位機(jī)后臺系統(tǒng)。上位機(jī)后臺系統(tǒng)將實(shí)時(shí)展示小車所有數(shù)據(jù)信息，如：小車巡航軌跡、已檢測體溫人數(shù)（包含體溫正常人數(shù)與體溫異常人數(shù)）、GPS信息、Linux系統(tǒng)信息、圖像實(shí)時(shí)回傳。本系統(tǒng)是小車的后臺管理系統(tǒng)，小車所有數(shù)據(jù)信息及控制將在本平臺實(shí)現(xiàn)。

結(jié)束語

綜上所述，本裝置可以滿足目前國內(nèi)外對體溫檢測的需求并彌補(bǔ)傳統(tǒng)測溫儀器工作效率低、工作地點(diǎn)局限與測溫?zé)o人機(jī)價(jià)格昂貴等不足；能很好地實(shí)現(xiàn)自動巡航檢測體溫、監(jiān)測佩戴口罩情況，做到24 小時(shí)全天監(jiān)測，避免有漏檢情況出現(xiàn)。