應對疫情期間防止居民外出的智能巡檢系統

宋辰玥

（上海電力大學，上海 200120）

Abstract:For the current epidemic situation, in order to scientifically and accurately do a good job in epidemic prevention and control, it is very important to carry out closed management of residents in communities with cases in mediumand high-risk areas in China. The system uses Beidou navigation technology to achieve autonomous cruise function, in the implementation of intelligent patrol function, timely record the relevant data of travel personnel and upload to the computer control side, the administrator can carry out follow-up processing. The system can replace the staff to carry out round-theclock patrol and monitoring, has made a breakthrough in innovative ideas and technical means, reduced the work pressure of the staff engaged in prevention and control, and has certain social benefits.

Keywords:Beidou navigation; intelligent patrol inspection; image data processing; computer control terminal

1 研究背景與意義

2020 年1 月，新型冠狀病毒席卷全國。針對疫情防控，對外來人員、密切接觸者進行實時地追蹤和管理，深入到社區和家庭，這是當前社區防控的重點，也是避免疫情蔓延的基本手段。但仍有部分居民抱有僥幸心理，不配合社區防控工作，且社區也無法保證24 h 的全面監控，這導致防控工作存在一定的疏漏和感染風險。

本系統應用北斗衛星導航系統，實現了自主導航以及智能化監控，為今后的防疫工作提供了新的方案措施。

2 系統簡介

2.1 總體結構

本系統的智能小車是以意法半導體公司的STM32F40 5GRT6 為核心驅動的，以北斗定位模塊、超聲波模塊、OpenMV4 H7 PLUS 攝像頭、紅外測溫模塊所組成的系統。系統整體框圖如圖1 所示。

由圖1 的總體框圖可知，智能小車是以STM32 單片機為控制核心，利用北斗衛星模塊實時獲得小車的經緯度位置坐標并完成自主巡檢。在行駛過程中，應用超聲波模塊檢測路況；通過紅外測溫模塊判斷是否為居民并獲得其體溫數據，利用OpenMV 拍照上傳其高清人物圖像；通過LoRa 通信模塊，將所獲得的數據上傳至電腦控制端。

圖1 智能巡檢系統總體框圖

2.2 總體流程

本文中展示的智能巡檢系統工作流程如圖2 所示。

圖2 智能巡檢系統工作流程

3 硬件設計方案

3.1 處理器模塊

STM32 系列處理器是意法半導體ST 公司生產的一種基于ARMv7 架構的32 位、支持實時仿真和跟蹤的微控制器。該系統采用F405RGT6 作為主控芯片，基于高性能ARMRCortexTM-M4 32 位RISC 內核，工作頻率高達168 MHz。新Cortex-M4 核心特性浮點單元單精度，支持所有ARM 單核精確的數據處理指令和數據類型，它也實現了一套完整的DSP 指令和一個增強應用程序安全性的內存保護單元。STM32F4 系列相關參數見表1。

表1 STM32F4 系列相關參數

3.2 ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊

ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊：模塊核心采用SkyTraq 公司的S1216F8-BD 模組，具有167 個通道，追蹤靈敏度高達-165 dBm，測量輸出頻率最高可達20 Hz。

3.3 超聲波模塊

本系統采用的超聲波模塊是HC-SR04，利用超聲測距，方便計算且容易實現實時控制，其最大射程為4 m，最小射程為2 cm，測距精度可達3 mm，在測量距離、精度等方面能達到實際使用的要求；具有實時性、精確性、體積小和功耗低等一系列優點，目前已廣泛應用于測距、醫療、交通和勘測等領域。超聲波模塊主要參數見表2。

表2 超聲波模塊主要參數

3.4 圖像數據處理

3.4.1 紅外測溫

本系統所采用的是GY-906 MLX90614 DCI 長遠距離紅外測溫傳感器。其具有體積小、成本低及易集成等優點；Ta 和To 工作在0～50°C 溫度范圍內，其精度可達0.5°C。因其高精度校準的特性，應用廣泛。

3.4.2 攝像頭模塊

采用OpenMV H7 PLUS，可用SD 卡取代內置的Flash 文件系統，擴大可存儲代碼量，具有480 MHz，1 MB RAM，2 MB flash，能夠實現色塊識別，人臉識別等多種功能。所有的I/O 引腳輸出3.3 V 并且5 V 耐受，其有以下的IO 接口：

（1）全速USB（12 Mbs）接口，連接到電腦。當插入OpenMV 攝像頭后電腦會出現一個虛擬COM 端口和一個“U 盤”。

（2）一個SPI 總線高達100 Mbs 速度，可把圖像流數據傳給LCD 擴展板、WiFi 擴展板或者其他控制器。

（3）2 個I/O 引腳用于舵機控制。

（4）全部的IO 口都可以用于PWM 和中斷。

（5）32 MB 外置的32-bitSDRAM，100 MHz 的時鐘，達到400 MB/s 的帶寬。

（6）32 MB 外置的quadspi flash，100 MHz 的時鐘，4-bitDDR 模式達到100 MB/s 的帶寬。

3.5 LoRa 模塊

LoRa 是LPWAN 通信技術中的一種，基于LoRa 物聯網技術，將智能小車實時定位作為LoRa 物聯網的一個節點，再結合LoRa 集中器，組建了一個無線網絡；實現上位機、中控系統與小車數據交流一體系統。圖3 為LoRa通信架構框圖。

圖3 LoRa 通信架構框圖

4 核心功能實現

4.1 坐標轉換

將北斗模塊獲得的經緯度坐標轉換成三維坐標，然后將三維坐標結合北斗模塊地圖數據，便可以在地形圖上顯示小車運動軌跡。北斗模塊中經緯度轉化三維坐標幾何模型如圖4 所示。

假設經度角AOB 用Lng 表示，緯度角用DOB 用Lat 表示，半徑OD 用R 表示，坐標點D 用（x，y，z），并且R 已知。其中，車載北斗模塊實時衛星定位電腦端配置如圖5 所示。

圖5 車載北斗模塊實時衛星定位電腦端配置

4.2 路線規劃

根據巡檢智能車通過北斗定位獲得的位置坐標，通過LoRa 通信模塊將坐標信息發送到終端控制，與電子地圖上的點一一映射。因此，只需要根據北斗坐標，將車的位置作為點描繪到電子地圖上，便可以在地圖上顯示車的位置，方便操作人員監視和檢查。

操作員事先在終端地圖上規劃好一條路線，只需要取幾個離散的坐標點，便可以代表路徑方向。坐標點傳輸給智能小車，智能小車通過北斗定位獲得自己的坐標，實時進行校正，然后移動到下一個坐標點。

4.3 自主巡航

通過北斗定位獲得智能小車運動過程中實時的經緯度坐標，與已知設定好的目標點坐標比對，計算出下一步運動應走的方向和粗略的路程。當實時坐標與規劃路徑產生偏差時，能夠及時糾正路徑偏差，實現機器人按照規定路線自主巡航。

4.4 數據傳輸

為了實現智能物流小車的定時定位的信息交換，可以將LoRa 通信模塊與STM32 開發板相結合，根據通過LoRa 模塊將接收到的智能物流小車的位置坐標上傳到上位機，依據地面基站的數字地圖相結合通過信息處理技術在上位機上顯示出小車目前所在位置。

4.5 電腦端監控

為實時了解智能巡檢系統的工作狀態，電腦監控端設置了3 個界面用以獲取和傳輸信息。圖6 為電腦監控端功能圖。

圖6 電腦監控端功能圖

5 創新點和應用拓展

5.1 創新點

本設計將LoRa 物聯網技術與我國自主研制開發北斗芯片ATK-S1216F8-BD 定位技術相結合，將智能物流小車實時定位作為LoRa 物聯網的一個節點，再結合LoRa 集中器，組建了一個無線網絡；設計中控系統，先通過上位機向小車發送信息數據以及對小車采集實時數據，構建數據信息，進行分析處理，再進行智能優化處理，實現上位機、中控系統與小車數據交流一體系統。使上位機能隨時監測小車的運行狀態，實行對人員的實時定位與監測管控。同時，在新冠肺炎疫情的背景下，通過對居民小區的封閉，能有效地減少人員外出，抑制疫情發展，因此將基于北斗的智能巡檢小車應用于新冠肺炎疫情防控期間的管控，代替人員監測，對封閉小區進行全天候實時巡檢，采用較為完善和嚴謹的系統，可以有效防止居民無故外出。同時，也減輕了防控工作人員的工作壓力，具有一定的社會效益。

5.2 應用拓展

后續將建立數據庫，通過大數據分析將智能小車巡檢的所有人員數據進行匯總和分析，整理出人員外出的集中區域和名單，以便管理員隨時調整巡檢路線。這對于今后的疫情防控工作提供了新的思路。

6 結束語

由我國研發的北斗衛星導航系統是目前高新技術發展的一大熱點。本文將當下新冠肺炎疫情的防控工作與北斗導航技術相結合，在思想創新和技術手段上取得了重要突破。