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(kāi)封475000）

1 概述

據(jù)臨床統(tǒng)計(jì)表明，在我國(guó)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(jí)預(yù)防措施，控制病毒擴(kuò)散、識(shí)別發(fā)熱病人，各個(gè)公共場(chǎng)所都增設(shè)了體溫檢測(cè)程序[1]?；谀壳笆袌?chǎng)上所上市的測(cè)溫儀器所存在的一些缺陷，擬設(shè)計(jì)了一款升級(jí)版的“智慧小車(chē)”，該設(shè)計(jì)不僅能精準(zhǔn)地測(cè)量人體的體溫，還能多地點(diǎn)、全天候巡航，通過(guò)人臉五點(diǎn)特征進(jìn)行人臉識(shí)別，對(duì)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(cè)和數(shù)據(jù)回傳。

2 測(cè)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(dòng)需要。正常成人體溫維持在37℃左右，一般不超過(guò)37.3℃，一晝夜之間的波動(dòng)不超過(guò)1℃。根據(jù)“體溫調(diào)定學(xué)說(shuō)”，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(guò)正常體溫0.5℃[2]。一般發(fā)熱類(lèi)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(guò)監(jiān)測(cè)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(cè)是防控不可或缺的預(yù)防手段，因此設(shè)計(jì)出一款簡(jiǎn)單便捷、性價(jià)比高的智能監(jiān)測(cè)體溫的儀器顯得至關(guān)重要。

“智慧小車(chē)”測(cè)溫系統(tǒng)利用的是紅外輻射測(cè)溫原理，所有物體在高于絕對(duì)零度-273℃時(shí)，都會(huì)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(zhǎng)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(wú)線電波與可見(jiàn)光之間。通常光譜中紅外線的波長(zhǎng)處于0.7-20μm之間是可以被檢測(cè)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(zhǎng)可達(dá)9-13μm[3]。因此，智慧小車(chē)通過(guò)聚焦人體紅外熱輻射，將輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)通過(guò)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(cè)體溫的功能。

3 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文中的巡航測(cè)溫“智慧小車(chē)”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(cè)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(shí)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(chē)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(cè)溫“智慧小車(chē)”是一款以Linux嵌入式控制為核心的測(cè)溫智能巡檢遙控小車(chē)。該裝置包括了傳感模塊、監(jiān)測(cè)模塊、通信模塊、電源模塊、控制模塊五大模塊和圖像檢測(cè)系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)兩大系統(tǒng)。通過(guò)傳感模塊利用非接觸式紅外測(cè)溫的原理對(duì)人體進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)溫；通過(guò)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(guò)監(jiān)測(cè)模塊利用攝像頭采集圖像并傳輸?shù)酵ㄐ拍K，Let/Wifi 雙頻無(wú)線通信模塊將監(jiān)測(cè)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(chē)”位置，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的；電源模塊為“智慧小車(chē)”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(guò)圖像檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行人臉識(shí)別，并檢測(cè)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(duì)加速度、角速度、測(cè)量頻率和測(cè)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(hào)，并且實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位、導(dǎo)航與授時(shí)。該模塊使用國(guó)際通用協(xié)議NMEA0183 協(xié)議，具有使用簡(jiǎn)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(chē)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(chēng)，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(guò)無(wú)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(chē)所有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳到上位機(jī)平臺(tái)。

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(guò)充過(guò)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(cè)電池剩余電壓、計(jì)算剩余續(xù)航距離和電池溫度；而過(guò)充過(guò)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(huì)發(fā)出警報(bào)并斷開(kāi)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(cè)溫“智慧小車(chē)”提供穩(wěn)定交流電或直流電。與此同時(shí)，為了保證Linux開(kāi)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(jiǎn)單、波紋小、穩(wěn)壓的線性度好的特點(diǎn)，可以為L(zhǎng)inux 提供穩(wěn)定的5V電源。電源模塊為小車(chē)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(cè)模塊

監(jiān)測(cè)模塊主要由紅外測(cè)溫模塊和攝像頭模塊構(gòu)成；該設(shè)備的紅外測(cè)溫模塊采用GY-906 紅外測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)USB協(xié)議與Linux主控板通信。通過(guò)加載驅(qū)動(dòng)，攝像頭會(huì)在Linux系統(tǒng)的/dev目錄下自動(dòng)掛載為一個(gè)video文件，通過(guò)對(duì)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(huì)傳給軟件系統(tǒng)的圖像檢測(cè)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L(zhǎng)inux主控板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(guò)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(huà)面，用圖像進(jìn)行交互和提醒。降低使用門(mén)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(jiǎn)潔明了，其具有空間小、執(zhí)行效率高和可固化存儲(chǔ)的特點(diǎn)。而電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制小車(chē)巡邏和正常運(yùn)行。LIUNX主控板是小車(chē)的智慧大腦，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)小車(chē)各系統(tǒng)、模塊的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，是小車(chē)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(cè)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(shí)別網(wǎng)絡(luò)模型程序以及口罩檢測(cè)模型程序；本系統(tǒng)的圖像信息來(lái)自于監(jiān)測(cè)模塊，在本系統(tǒng)獲取到圖像信息后，會(huì)將圖像進(jìn)行編碼為HTTP 視頻流，并將開(kāi)啟一個(gè)端口以供人臉網(wǎng)絡(luò)模型程序和口罩檢測(cè)模型程序以及上位機(jī)訪問(wèn)。

視頻流編碼程序?yàn)榛陂_(kāi)源音視頻框架FFmpeg 編寫(xiě)的Motion HTTP 視頻流程序。該程序會(huì)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(shí)別程序和口罩檢測(cè)程序則會(huì)先通過(guò)OpenCV 讀取localhost 的視頻流，并傳入Tensorflow進(jìn)行人臉識(shí)別和口罩檢測(cè)。該程序通過(guò)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(huì)因其他外部因素的變化而產(chǎn)生誤差，并且所需儲(chǔ)存特征值較少，僅需儲(chǔ)存五點(diǎn)位置特征關(guān)系，識(shí)別率高，誤判率低。

3.2.2 報(bào)警系統(tǒng)

智慧測(cè)溫小車(chē)預(yù)警模式由信息采集、人臉數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)處理分析、人員處理單元組成；若“智慧小車(chē)”的使用場(chǎng)所是在校園，則信息采集單元與校園現(xiàn)有人臉識(shí)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(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到體溫超過(guò)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(chē)同時(shí)將發(fā)熱信息推送到現(xiàn)場(chǎng)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(kù)。檢測(cè)人員根據(jù)圖像迅速找出發(fā)熱對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行醫(yī)學(xué)排查。除此之外，智慧小車(chē)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(dòng)、異常時(shí)間與人臉信息。對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度多層次的分析，促進(jìn)問(wèn)題及時(shí)處理，提高監(jiān)測(cè)效率。還可以通過(guò)圖像檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入機(jī)器人檢測(cè)范圍的物體進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)人臉特征進(jìn)行處理并檢索身份信息，檢測(cè)是否標(biāo)準(zhǔn)佩戴口罩以及體溫是否符合檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)檢測(cè)到體溫異?；蚴俏凑_佩戴口罩時(shí)，將會(huì)有語(yǔ)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(cè)溫的優(yōu)勢(shì)，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(tái)系統(tǒng)

將依托IOT 管理系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，小車(chē)所有前臺(tái)數(shù)據(jù)將通過(guò)通信模塊遠(yuǎn)程上載到上位機(jī)后臺(tái)系統(tǒng)。上位機(jī)后臺(tái)系統(tǒng)將實(shí)時(shí)展示小車(chē)所有數(shù)據(jù)信息，如：小車(chē)巡航軌跡、已檢測(cè)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(chē)的后臺(tái)管理系統(tǒng)，小車(chē)所有數(shù)據(jù)信息及控制將在本平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。

結(jié)束語(yǔ)

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