基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)院疫情防控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：本設(shè)計(jì)以STM32為控制核心，搭配紅外測溫模塊、攝像頭模塊、紅外感應(yīng)模塊、電機(jī)模塊、按鍵模塊以及圖像儲存模塊實(shí)現(xiàn)溫度采集、口罩識別、以及自動分配消毒液。通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)將其繪制為折線圖，方便管理者監(jiān)視。最后經(jīng)測試表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可行，完成了對人體溫度，口罩佩戴情況和自動分配消毒液的實(shí)時數(shù)據(jù)采集、顯示、傳輸、報警及存儲等功能。應(yīng)用場景為醫(yī)院科室、病房等的入口處，通過對出入人員進(jìn)行檢測實(shí)現(xiàn)對病毒的阻控，一定程度上防止交叉感染。

關(guān)鍵詞：STM32；物聯(lián)網(wǎng)；口罩識別；紅外測溫；紅外感應(yīng)

0 引言

2019 年末新冠病毒（COVID-19）引發(fā)的疫情席卷全球，對人類生命健康造成了巨大威脅的同時也對人類社會以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生重大破壞。根據(jù)臨床醫(yī)學(xué)觀察 COVID-19 所引起的主要癥狀有發(fā)熱（體溫 >37 ℃）、干咳以及乏力等。根據(jù)傳染病學(xué)研究，疫情防控有傳染源和傳播途徑兩個關(guān)鍵，因此如果能夠控制好傳染源，切斷好傳播途徑就能有效遏制疫情擴(kuò)散。本次設(shè)計(jì)的體溫口罩監(jiān)測及消毒系統(tǒng)可以通過自動化技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信技術(shù)以及傳感器技術(shù)等實(shí)現(xiàn)如醫(yī)院等公共場所出入人員的體溫、口罩佩戴與否的實(shí)時監(jiān)控并實(shí)現(xiàn)無接觸式消毒，從而實(shí)現(xiàn)疫情防控自動化、數(shù)據(jù)采集處理自動化等目標(biāo)功能。因此依托紅外測溫技術(shù)、口罩識別技術(shù)及無接觸式消毒的測量系統(tǒng)在未來對各類呼吸道疫情的阻控有著重要意義。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本次研究是以 STM32F103RC 為核心的醫(yī)院疫情防控系統(tǒng)，采用二級式分布，可分為下位機(jī)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及發(fā)送部分，上位機(jī)數(shù)據(jù)接收處理報警部分。其中，下位機(jī)部分由體溫采集、口罩檢測、自動感應(yīng)消毒三部分構(gòu)成。下位機(jī)的控制核心主要負(fù)責(zé)對紅外測溫傳感器測得的體溫數(shù)據(jù)、OpenMV 完成的口罩檢測數(shù)據(jù)、紅外感應(yīng)傳感器感應(yīng)的人數(shù)進(jìn)行整合統(tǒng)計(jì)分析，并將處理后的數(shù)據(jù)通過無線 WiFi 通信發(fā)送至上位機(jī)。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模塊主要包含以 STM32F103RCT6 為核心的控制模塊、口罩識別模塊、紅外測溫模塊、紅外感應(yīng)模塊、LCD 顯示模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 STM32F103RCT6單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次選用 STM32F103RCT6 作為中心控制芯片。STM32F103RCT6 基于 ARM Cortex-M 內(nèi)核，具有高性能、低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，片上資源包括 48kB SRAM，256kB Flash，11 個定時器，2 個 IIC，5 個串口，1 個 USB，3 個 SPI，3 個 12 位 ADC，2 個 12 位 DAC 及 51 個通用 IO 口。

圖2 STM32單片機(jī)

3.2 紅外測溫模塊設(shè)計(jì)

本次監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非接觸式測溫部分的功能是由 GY-906 傳感器實(shí)現(xiàn)的，該傳感器隸屬于 MLX90614 系列，該傳感器測溫的原理是對物體自身運(yùn)動發(fā)出的紅外輻射能量進(jìn)行測量來實(shí)現(xiàn)的。GY-906 傳感器外觀以及引腳結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖3 GY-906模塊外觀以及引腳結(jié)構(gòu)

GY-906 傳感器電路原理圖如圖 4 所示。

圖4 GY-906傳感器電路原理圖

3.3 OpenMV口罩檢測識別模塊設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)內(nèi)容中的口罩檢測識別部分通過 OpenMV 實(shí)現(xiàn)。OpenMV 是一種開源機(jī)器視覺模塊，支持物品識別跟蹤、人臉檢測、顏色追蹤等功能，OpenMV 以 STM32F765VIT6 為控制核心，采用 ARM Cortex M7 處理器，擁有 512 KB 的內(nèi)部存儲器和 2 MB 的閃存 flash。所有的 I/O 引腳輸出 3.3 V 且 5 V 耐受。擁有豐富的硬件資源以及擴(kuò)展 I/O 口，配置的 TF 卡卡槽使其具有強(qiáng)大的存儲功能以及程序移植功能，支持建立數(shù)據(jù)庫來進(jìn)行所需要的算法編寫，此外配置 1 個 SPI 總線與 1 個 IIC 總線、CAN 總線和 1 個異步串口總線（TX/ RX）使其具有與其他設(shè)備進(jìn)行串口通信的功能，具備 1 個 12 位的 AD 和 1 個 12 位的 DA。在其軟件算法方面，與其配套使用的 OpenMV IDE 使用 Python 語言進(jìn)行編程，并且該軟件上包含各類機(jī)器視覺算法，在進(jìn)行軟件程序編寫時有很大的參考價值。本次設(shè)計(jì)采用了模板匹配算法進(jìn)行口罩檢測識別，并通過串口通信的方法將 OpenMV 檢測的口罩佩戴情況發(fā)送至下位機(jī)。OpenMV 硬件電路圖如圖 5 所示。

圖5 OpenMV硬件電路圖

3.4 紅外感應(yīng)模塊設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)內(nèi)容中的自動分配消毒液部分傳感器應(yīng)用紅外感應(yīng)模塊，當(dāng)紅外線被接收后輸出低電平，同時模塊具有輸出指示燈，此時指示燈會亮起。反之當(dāng)沒有反射紅外線，模塊將輸出高電平，輸出指示燈熄滅。同時檢測范圍可以通過調(diào)節(jié)電位器擴(kuò)大或減小。自動分配消毒劑是利用紅外反射原理，將手放入消毒感應(yīng)區(qū)時紅外線發(fā)射管發(fā)出紅外，通過人體反射到紅外線接收管，將處理后的信號控制電機(jī)擠壓消毒紅外光不反射，電機(jī)自動關(guān)閉。當(dāng)手離開的感應(yīng)區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)對人手進(jìn)行感應(yīng)。紅外光電對管原理圖如圖 6 所示。

圖6 紅外光電對管原理圖

4 軟件程序設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)中，通過編寫主函數(shù)并調(diào)用子程序的方式來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。傳感器采集數(shù)據(jù)包含紅外溫度采集，OpenMV 口罩識別，紅外感應(yīng)自動消毒以及數(shù)據(jù)處理，將檢測數(shù)據(jù)在 LCD 上顯示。主程序流程圖如圖 7 所示。

4.2 紅外溫度采集子程序設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中通過選用 GY-906 紅外測溫傳感器實(shí)現(xiàn)對人體溫度的非接觸式測量，GY-906 模塊采集數(shù)據(jù)過程的時序圖如圖 8 所示，在本次設(shè)計(jì)中該模塊與 32 單片機(jī)采取 SMBUS 通信協(xié)議，16 位數(shù)據(jù)分兩次傳輸，每次傳送一個字節(jié)。每個字節(jié)都是按照高位（MSB）在前，低位（LSB）在后的格式傳輸，兩個字節(jié)中間的第 9 個時鐘是應(yīng)答時鐘。

圖8 GY-906模塊采集溫度數(shù)據(jù)過程時序圖

GY-906 模塊對周圍環(huán)境的溫度和物體的溫度進(jìn)行測量，內(nèi)置的紅外傳感器包含若干個串接的熱電偶，熱電偶的冷接頭置于芯片襯底上，熱接頭置于薄膜上。薄膜本身可以通過吸收或者發(fā)射紅外線感應(yīng)器來進(jìn)行加熱和降溫。熱電偶的輸出信號為：

該模塊與單片機(jī)進(jìn)行通信時，傳輸和接收的數(shù)據(jù)是以字節(jié)為單位的，每次發(fā)送 1 個位，8 位為 1 個字節(jié)，發(fā)送一個字節(jié)完成后單片機(jī)進(jìn)行判斷，成功接收一個字節(jié)后單片機(jī)給該模塊發(fā)送應(yīng)答信號，單片機(jī)判斷是否接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行，當(dāng)測溫模塊發(fā)送下一個字節(jié)時，如果單片機(jī)沒有接收信號重復(fù)發(fā)送該字節(jié)，直到數(shù)據(jù)全部發(fā)送完即為結(jié)束。

圖9 GY-906模塊發(fā)送數(shù)據(jù)子程序設(shè)計(jì)流程

4.3 紅外感應(yīng)自動消毒子程序設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中自動消毒部分使用紅外感應(yīng)對人手進(jìn)行檢測，通過物體對紅外線反射的原理，可以準(zhǔn)確判斷感應(yīng)區(qū)是否存在人手，其初始化狀態(tài)為無物體情況，通過單片機(jī)獲取紅外感應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)，判斷是否有物體，當(dāng)檢測到物體也就是人手時，從而驅(qū)動電機(jī)對消毒液進(jìn)行擠壓操作。直流電機(jī)內(nèi)部具有磁場，磁場內(nèi)的線圈通過的電流產(chǎn)生變化，產(chǎn)生安培力從而調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動過程。直流電機(jī)的初始狀態(tài)為停止，系統(tǒng)啟動，定時器t₀ 啟動。t₀ 的中斷服務(wù)程序用于通過改變在磁場中的線圈通過的電流，啟動直流電機(jī)轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)功能。

圖10 紅外感應(yīng)自動消毒子程序設(shè)計(jì)流程

4.4 OpenMV識別口罩程序設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中口罩識別檢測部分是通過 OpenMV 實(shí)現(xiàn)的，OpenMV 檢測完畢后將檢測到的數(shù)據(jù)通過串口通信發(fā)送給單片機(jī)?？谡肿R別算法隸屬于機(jī)器視覺領(lǐng)域的分支，尤其是在新冠疫情爆發(fā)以來，對公共場合人員佩戴口罩檢測的需求大大增加，因此該技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。在此設(shè)計(jì)中口罩檢測部分的算法是基于模板匹配算法實(shí)現(xiàn)的。模板匹配的原理是利用算法通過對一幅大圖像進(jìn)行目標(biāo)搜索，從而確定與模板相同大小、相同方向和圖像要素的坐標(biāo)定位。運(yùn)用到的算法主要有相關(guān)法、誤差法以及二次匹配誤差算法，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)論證與實(shí)際淘汰，二次匹配誤差算法由于其圖像匹配運(yùn)算量小，運(yùn)算速度快是目前在模板匹配領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一種方法。二次匹配誤差算法中匹配分兩次進(jìn)行：第 1 次匹配是粗略匹配。取模板的隔行隔列數(shù)據(jù)，即 1/4 的模板數(shù)據(jù)。由于其截取隔行隔列即整體的 1/4 數(shù)據(jù)使數(shù)據(jù)量大幅減少，匹配速度顯著提高。誤差閾值 E₀：

圖 11 為 OpenMV 進(jìn)行口罩佩戴檢測并發(fā)送數(shù)據(jù)的子程序流程圖。

圖11 OpenMV進(jìn)行口罩佩戴檢測并發(fā)送數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)流程

5 結(jié)束語

本文從新冠疫情防疫的實(shí)際情況出發(fā)，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)院疫情防控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。選用紅外測溫傳感器和 OpenMV 分別進(jìn)行體溫與口罩檢測，同時應(yīng)用紅外感應(yīng)和電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動分發(fā)消毒液的功能。采用系統(tǒng)分布式設(shè)計(jì)理念和物聯(lián)網(wǎng)上位機(jī)設(shè)計(jì)平臺，實(shí)現(xiàn)了對人體體溫，口罩佩戴情況以及紅外識別人數(shù)的實(shí)時監(jiān)控。在實(shí)際的運(yùn)行和調(diào)試過程中，傳感器節(jié)點(diǎn)與 OpenMV 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況良好，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確穩(wěn)定，能夠做到實(shí)時采集數(shù)據(jù)并通過 LCD 液晶屏顯示?？梢詫⒉杉降臄?shù) 據(jù)經(jīng)處理后精準(zhǔn)的傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)檢測到信號后做出處理、顯示及保存，并且創(chuàng)建 freeboard 進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和保存。整個醫(yī)院疫情防控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)成本低等特點(diǎn)，并且技術(shù)手段簡潔明了，可以根據(jù)不同背景情況，自主設(shè)置控制目標(biāo)和方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡子峰,王昭君,金路,等.非調(diào)制雙色紅外測溫誤差實(shí)時補(bǔ)償方法研究[J].光學(xué)儀器,2020,42(3):15-56.

[2] 蔣思中,白雪.工業(yè)機(jī)器人目標(biāo)識別與智能檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].輕工科技,2020,36(02):65-66.

[3] 蘇建奎，桂星雨.醫(yī)用紅外體溫測量儀的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2016,37(1):110-129.

[4] 鄔忠萍,易威,劉冬.基于汽車自動空調(diào)的紅外溫度傳感器性能研究[J].山東工業(yè)技術(shù),2015(6):178-179.

[5] 左力,王棟民.圖像處理系統(tǒng)在自動化設(shè)備中用作位置反饋的一種方法[J].機(jī)械與電子,2004(1):43-44.

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年11月期)