宋汶凱

（山東理工大學(xué)，山東 淄博 255000）

0 引言

新冠肺炎是近代人類遭遇的規(guī)模最大、危害最嚴(yán)重的公共傳染病，其嚴(yán)重威脅了人民的身體健康和生命安全。而作為人員大量聚集且復(fù)雜的交通樞紐便成了疫情防控的重點(diǎn)地區(qū)。目前，國內(nèi)、國外的疫情防控檢測設(shè)施存在類型單一、功能簡單、設(shè)備價格昂貴、效率低以及實(shí)用性不強(qiáng)等問題。根據(jù)客觀需要，該文結(jié)合單片機(jī)最小系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)以及多種檢測技術(shù)設(shè)計(jì)了一款實(shí)用性強(qiáng)的綜合性智能公共交通樞紐疫情防控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)時開展進(jìn)站人員健康狀態(tài)檢測和霧化消毒工作，對健康狀態(tài)異常人員給予報(bào)警與顯示。該系統(tǒng)的具體功能如下：1） 人員進(jìn)站檢測。通過超聲波探測技術(shù)判斷是否有目標(biāo)進(jìn)入?yún)^(qū)域，及時向處理器反饋檢測信息，控制下層系統(tǒng)的開機(jī)、關(guān)機(jī)。2） 目標(biāo)人員是否佩戴口罩檢測。通過OpenMV4 Plus和數(shù)字圖像處理對人臉信息進(jìn)行采集與分析。3）紅外測溫模塊。采用MLX90614紅外測溫傳感器進(jìn)行非接觸式測溫，它可以保證數(shù)據(jù)的可靠性。4）霧化消毒模塊。采用單片機(jī)驅(qū)動超聲波霧化消毒器，實(shí)用性強(qiáng)，可人為設(shè)置消毒時間，且消毒效果好。5） 門禁模塊。通過單片機(jī)驅(qū)動ASMG-MTB舵機(jī)進(jìn)行開門、關(guān)門，實(shí)現(xiàn)對人員進(jìn)站進(jìn)行把控的目標(biāo)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體方案分為不同層級，每層又包括不同子模塊，按從上層到下層的順序依次檢測，既可以減少系統(tǒng)的工作量，又可以節(jié)約電能，當(dāng)目標(biāo)人員健康狀況符合該層級標(biāo)準(zhǔn)時，下一層級開始工作，對人員進(jìn)行檢測，當(dāng)目標(biāo)人員健康狀況至少有1項(xiàng)不符合標(biāo)準(zhǔn)時，則發(fā)送報(bào)警信息，交由工作人員進(jìn)行處理。基于單片機(jī)的公共交通樞紐疫情防控系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，由數(shù)字圖像處理與分析以及多種高精度傳感器組成，其具有5個功能模塊，系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 公共交通樞紐疫情防控系統(tǒng)流程圖

1.1 基于超聲波探測的人員進(jìn)站檢測模塊

該模塊主要由2個部分組成，分別為STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)和超聲波傳感器。通過超聲波實(shí)時檢測，根據(jù)超聲波返回時間來判斷是否有目標(biāo)人員進(jìn)入?yún)^(qū)域，如果沒有目標(biāo)人員進(jìn)入， 就保持檢測，其他模塊保持待機(jī)；如果有目標(biāo)人員進(jìn)入，則系統(tǒng)開機(jī)，開始工作。

1.2 基于數(shù)字圖像處理的人員是否佩戴口罩檢測模塊

該模塊主要由3個部分組成，分別為OpenMV4 Plus信息采集模塊、數(shù)字圖像處理與分析模塊以及蜂鳴器。通過OpenMV4 Plus信息采集模塊對目標(biāo)人員的圖像進(jìn)行采集，系統(tǒng)追蹤目標(biāo)人員，將目標(biāo)區(qū)域定位至人臉，通過訓(xùn)練OpenMV4 Plus神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得到高精度的檢測算法，結(jié)合系統(tǒng)的判斷逐步確定目標(biāo)人員是否佩戴口罩，對未佩戴口罩的人員進(jìn)行報(bào)警，并通知工作人員；已佩戴口罩的人員則進(jìn)行下一步檢測。

1.3 基于紅外測溫傳感器的測溫模塊

該模塊主要由3個部分組成，分別為單片機(jī)最小系統(tǒng)、MLX90614紅外測溫傳感器以及蜂鳴器。該模塊通過MLX90614紅外測溫傳感器進(jìn)行非接觸式測溫，通過目標(biāo)人員紅外輻射能量的強(qiáng)弱、人體溫度與波長分布的關(guān)系對人體表面溫度進(jìn)行測量，它在保證數(shù)據(jù)的可靠性的同時，還可以提高工作效率。如果目標(biāo)溫度超過設(shè)置的閾值，就報(bào)警；如果目標(biāo)溫度沒有超過設(shè)置的閾值，則進(jìn)行下一步處理。

1.4 基于超聲波霧化消毒器的消毒模塊

該模塊主要由2個部分組成，分別為單片機(jī)最小系統(tǒng)、超聲波霧化消毒器。該模塊根據(jù)上層傳來的指令，通過單片機(jī)驅(qū)動超聲波霧化消毒器，實(shí)用性強(qiáng)，可人為設(shè)置消毒時間，且消毒效果好。

1.5 基于單片機(jī)的門禁模塊

該模塊主要由2個部分組成，分別為單片機(jī)最小系統(tǒng)、舵機(jī)。該模塊根據(jù)上層傳來的控制信息，當(dāng)目標(biāo)人員檢測狀況至少有1項(xiàng)不符合標(biāo)準(zhǔn)時，門禁模塊保持關(guān)門，發(fā)出報(bào)警信息，由工作人員進(jìn)行處理，當(dāng)目標(biāo)人員檢測狀況全部符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時，舵機(jī)工作，人員放行。

基于單片機(jī)的公共交通樞紐疫情防控系統(tǒng)效果如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)效果圖

2 基于單片機(jī)的公共交通樞紐疫情防控系統(tǒng)模塊

2.1 超聲波人員進(jìn)站檢測模塊

該模塊以單片機(jī)為控制核心，以超聲波傳感器作為組成部分，以串口收發(fā)作為傳輸接口，通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采用超聲波傳感器來實(shí)現(xiàn)對車站、機(jī)場以及地鐵站等公共交通樞紐進(jìn)站人員進(jìn)行檢測的功能。在系統(tǒng)開始工作后，由單片機(jī)發(fā)出指令，超聲波傳感器內(nèi)部的壓電晶片根據(jù)電壓的變化做出響應(yīng)，當(dāng)壓電晶片彎曲振動時，就會發(fā)出超聲波，超聲波發(fā)出的同時開始計(jì)時，當(dāng)碰到障礙物時，超聲波就會被反射回來，接受部分由換能器和放大電路組成，當(dāng)超聲波傳感器的壓電晶片部分接收到返回的超聲波振動時，就會產(chǎn)生1個電信號，經(jīng)放大器放大后，交由檢波電路檢波，再放大后，就會產(chǎn)生1個回波脈沖，當(dāng)換能器接收到返回的超聲波時就停止工作，通過公式計(jì)算距離，如公式（1）所示。

式中：為距離，m；為聲速，m/s；為時間，s。

即為檢測設(shè)備到障礙物的距離，因?yàn)槭褂梅秶遣蛔兊?，所以檢測距離也是恒定的，當(dāng)檢測范圍內(nèi)出現(xiàn)目標(biāo)人員移動時，計(jì)算得到的距離就會發(fā)生變化，系統(tǒng)做出響應(yīng)，傳送指令，控制下層系統(tǒng)開機(jī)，這樣系統(tǒng)既可以做到及時響應(yīng)，又可以節(jié)省資源。

在單片機(jī)的配置過程中，將VCC接5 V電壓，GND接地，Trig觸發(fā)控制信號輸入，接PD5，配置為高電平并保持至少10 μs，將ECHO接PD3，控制信號輸出?？刂苽鞲衅靼l(fā)出8個脈沖的聲波，單片機(jī)在脈沖調(diào)制電路中，以控制定時器的復(fù)位端，使定時器分時工作，進(jìn)而產(chǎn)生脈沖頻率為40 kHz 、周期為30 ms的方波，處理器實(shí)時檢測信號的返回，通過I/O口的ECHO產(chǎn)生高電平，統(tǒng)計(jì)高電平的時間，該時間就是超聲波的傳播時間，處理器調(diào)用公式計(jì)算便可輸出距離。當(dāng)檢測到距離發(fā)生變化時，下層系統(tǒng)開始工作，繼續(xù)保持探測；當(dāng)距離沒有變化時，下層系統(tǒng)待機(jī)，超聲波傳感器保持探測。超聲波探測程序關(guān)鍵語句如下。

GPIO_SetBits(dist_Trig_PORT，dist_Trig_Pin);

delay_nus(10);

GPIO_ResetBits(dist_Trig_PORT，dist_Trig_Pin);

delay_nus(100);

while(GPIO_ReadInputDataBit(dist_Echo_PORT， dist_Echo_PIN) == 0);

TIM_Cmd(TIM4，ENABLE);

while(GPIO_ReadInputDataBit(dist_Echo_PORT， dist_Echo_PIN));

TIM_Cmd(TIM4,DISABLE);

count = TIM_GetCounter(TIM4);

dis = (int)count/60.034;

2.2 進(jìn)站人員是否佩戴口罩檢測模塊

該模塊由OpenMV4 Plus信息采集模塊、數(shù)字圖像處理和分析模塊組成。OpenMV4 Plus使用了STM32H7微控制器，在480 MHz的主頻上工作，它的MCU芯片是STM32，因此它相當(dāng)于集成了圖像處理算法的可編程單片機(jī)，可以通過IIC、SPI、UART以及I/O直接進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)傳輸，它可以完成尋找色塊、邊緣檢測以及標(biāo)志跟蹤等任務(wù)，因此可以用它來實(shí)現(xiàn)人臉檢測、目標(biāo)物跟蹤等功能。它還配有基于caffe深度學(xué)習(xí)框架的cnn神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，智能程度很高，可以根據(jù)用戶的需要配置OpenMV4 Plus，以完成特定的操作，OpenMV4 Plus采集圖像信息后，將圖像交由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字圖像處理與分析。

口罩檢測需要利用EDGE IMPULSE在線網(wǎng)站通過遷移學(xué)習(xí)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來得到符合要求的OpenMV4 Plus神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并將系統(tǒng)部署到OpenMV4 Plus。利用OpenMV4 Plus對圖像進(jìn)行采集，分別采集1 000張各個年齡段男性、女性戴口罩和不戴口罩的圖像，并將圖像傳至EDGE IMPULSE進(jìn)行訓(xùn)練，從而保證訓(xùn)練集的基數(shù)數(shù)量可以滿足要求，進(jìn)而保證訓(xùn)練結(jié)果的可靠性。目前，常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理算法有Mobilenet、InceptionV4等。通過選擇合適的優(yōu)化器和充分的訓(xùn)練使Loss的值逐漸變低、accuracy的值逐漸增高，當(dāng)算法的準(zhǔn)確度達(dá)到要求時，系統(tǒng)會自動停止訓(xùn)練。

通過導(dǎo)流板實(shí)現(xiàn)人員排隊(duì)進(jìn)入、依次檢測的目標(biāo)，OpenMV4 Plus對人臉進(jìn)行圖像采集后，將數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)自動通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行識別，并在串行終端輸出判斷結(jié)果，如果檢測結(jié)果為目標(biāo)人員已佩戴口罩， 就進(jìn)行下一模塊檢測；如果檢測結(jié)果為目標(biāo)人員未佩戴口罩，則發(fā)送報(bào)警信息，由工作人員介入。

2.3 紅外測溫模塊

該模塊以單片機(jī)為控制核心，以MLX90614紅外測溫傳感器、蜂鳴器為組成部分。傳統(tǒng)的測溫方式分為2種，即接觸式測溫和非接觸式測溫。在以疫情為背景的大前提下，接觸式測溫就存在安全隱患，因此紅外測溫便成為主流。MLX90614紅外測溫傳感器利用波長與溫度的聯(lián)系以及與人體輻射的紅外能量大小的關(guān)系對溫度進(jìn)行測量。它性能優(yōu)良，可以直接產(chǎn)生線性或近似線性的信號。在理想情況下，輸出電壓如公式（2）所示。

式中：為被測物體溫度，K；為傳感器自身溫度，K；為元件的靈敏度常數(shù)。

MLX90614紅外測溫傳感器的SCL、SDA管腳連接單片機(jī)的普通I/O口，通過這2個接口實(shí)現(xiàn)MCU與傳感器間的數(shù)據(jù)通信，因?yàn)閭鞲衅鞯妮斎?、輸出接口是漏極開路結(jié)構(gòu)，所以需要增加上拉電阻。MLX90614產(chǎn)生的溫度信號經(jīng)運(yùn)算放大器放大后傳送給ADC，再經(jīng)過低通濾波器濾波后輸出。當(dāng)溫度信息符合標(biāo)準(zhǔn)溫度（低于37 ℃）時，準(zhǔn)備進(jìn)入下一步處理；當(dāng)溫度信息高于標(biāo)準(zhǔn)溫度時，則傳送告警信息，蜂鳴器工作，由工作人員介入。單片機(jī)與MLX90614的連接電路如圖3所示。

圖3 單片機(jī)與MLX90614連接電路

2.4 霧化消毒模塊

霧化消毒模塊以單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心，以超聲波霧化器作為組成部分。通過單片機(jī)控制超聲波霧化器以2.4 MHz的頻率使消毒液產(chǎn)生霧化現(xiàn)象，把消毒液霧化為直徑約為5 μm的水珠。

超聲波霧化器分別接24 V電源與電容三點(diǎn)式振蕩電路的三極管的基極，單片機(jī)實(shí)時檢測電路中的電流，根據(jù)=可知（為電壓，V；為電阻，Ω；為電流，A），電阻不變，電流越大則電壓越大，單片機(jī)通過通道接在電阻RA一端，檢測該點(diǎn)的輸出電壓，通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。當(dāng)處理器輸出的5 V高電平經(jīng)過三極管后，電壓被放大至24 V，利用單片機(jī)控制引腳輸出脈沖寬度，調(diào)制PWM的高低占空比，從而控制整體電路電流，調(diào)節(jié)霧化器的振動強(qiáng)度，改變霧化片振幅，進(jìn)而對消毒狀態(tài)、噴灑藥量大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過系統(tǒng)的定時器設(shè)置消毒時間，根據(jù)上層傳來的指令對目標(biāo)人員進(jìn)行消毒。

2.5 門禁模塊

該模塊以單片機(jī)為控制核心，以ASMG-MTB舵機(jī)作為組成部分。ASMG-MTB舵機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕以及扭矩大等優(yōu)點(diǎn)，它的扭矩可以達(dá)到500 kg·cm。舵機(jī)控制信號是脈沖調(diào)制信號，脈沖寬度為0.5 ms~2.5 ms，與舵盤位置0° ~180°呈線性關(guān)系。ASMG-MTB舵機(jī)參數(shù)見表1。

表1 ASMG-MTB舵機(jī)參數(shù)

ASMG-MTB舵機(jī)的紅色線接+24 V電壓，白色線接STM32單片機(jī)的PA（引腳），黑色線接STM32單片機(jī)的GND。單片機(jī)控制電路收到系統(tǒng)傳來的控制脈沖，驅(qū)動舵盤轉(zhuǎn)動，電機(jī)通過添加齒輪的方式，以較大的比例降低舵盤的轉(zhuǎn)動速度，并以較大的比例放大舵機(jī)的扭矩。使用2個電位器，第一個與LCD（液晶顯示模塊）連接，改變LCD的對比度，它有3個引腳，中間引腳連接到LCD的v（引腳），兩端分別接+5.0 V的電壓與GND。另一個電位器用來控制輸入模擬電壓、改變舵盤的位置，中間輸出接STM32的PA（引腳），兩端分別接+3.3 V的電壓和GND。電位器和齒輪組同時轉(zhuǎn)動，電路板檢測并通過電位器判斷舵盤的轉(zhuǎn)動角度，根據(jù)配置控制舵機(jī)轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置。

當(dāng)上層的信號傳送到單片機(jī)時，系統(tǒng)做出響應(yīng) ，驅(qū)動舵盤轉(zhuǎn)動，反饋電位計(jì)做出反應(yīng)，將1個電壓信號返回給控制電路，控制電路根據(jù)舵盤定位位置及速度判斷是否到達(dá)目標(biāo)位置，從而放行檢測合格人員。

3 結(jié)語

該文設(shè)計(jì)了一種基于STM32單片機(jī)的綜合性智能公共交通樞紐疫情防控系統(tǒng)。該系統(tǒng)覆蓋了人群從進(jìn)站到健康狀態(tài)核驗(yàn)的完整流程，再配合工作人員的動態(tài)調(diào)整與設(shè)置，可以實(shí)時提供可靠的檢測與反饋，具有很大的優(yōu)勢，打破了傳統(tǒng)人工檢測效率低且風(fēng)險大的障礙，彌補(bǔ)了現(xiàn)有設(shè)備單一、檢測具有局限性的缺陷，還降低了設(shè)備的成本。該系統(tǒng)由人員進(jìn)站檢測模塊、人員是否佩戴口罩檢測模塊、紅外測溫模塊、霧化消毒模塊以及門禁模塊等組成，實(shí)現(xiàn)了全方位的動態(tài)檢測與防護(hù)，節(jié)省了大量的人力 、物力和財(cái)力，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。