基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)院疫情防控系統(tǒng)設計

摘 要：本設計以STM32為控制核心，搭配紅外測溫模塊、攝像頭模塊、紅外感應模塊、電機模塊、按鍵模塊以及圖像儲存模塊實現(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)實時傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)并統(tǒng)計數(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，所設計的系統(tǒng)運行穩(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時數(shù)據(jù)采集、顯示、傳輸、報警及存儲等功能。應用場景為醫(yī)院科室、病房等的入口處，通過對出入人員進行檢測實現(xiàn)對病毒的阻控，一定程度上防止交叉感染。

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

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)濟發(fā)展產(chǎn)生重大破壞。根據(jù)臨床醫(yī)學觀察 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)傳染病學研究，疫情防控有傳染源和傳播途徑兩個關鍵，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散。本次設計的體溫口罩監(jiān)測及消毒系統(tǒng)可以通過自動化技術、計算機通信技術以及傳感器技術等實現(xiàn)如醫(yī)院等公共場所出入人員的體溫、口罩佩戴與否的實時監(jiān)控并實現(xiàn)無接觸式消毒，從而實現(xiàn)疫情防控自動化、數(shù)據(jù)采集處理自動化等目標功能。因此依托紅外測溫技術、口罩識別技術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 總體方案設計

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，可分為下位機傳感器進行數(shù)據(jù)采集以及發(fā)送部分，上位機數(shù)據(jù)接收處理報警部分。其中，下位機部分由體溫采集、口罩檢測、自動感應消毒三部分構(gòu)成。下位機的控制核心主要負責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)、紅外感應傳感器感應的人數(shù)進行整合統(tǒng)計分析，并將處理后的數(shù)據(jù)通過無線 WiFi 通信發(fā)送至上位機。

本系統(tǒng)設計的模塊主要包含以 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 硬件電路設計

3.1 STM32F103RCT6單片機最小系統(tǒng)設計

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，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

3.2 紅外測溫模塊設計

本次監(jiān)測系統(tǒng)設計中非接觸式測溫部分的功能是由 GY-906 傳感器實現(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動發(fā)出的紅外輻射能量進行測量來實現(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計

本次設計內(nèi)容中的口罩檢測識別部分通過 OpenMV 實現(xiàn)。OpenMV 是一種開源機器視覺模塊，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展 I/O 口，配置的 TF 卡卡槽使其具有強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）使其具有與其他設備進行串口通信的功能，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 語言進行編程，并且該軟件上包含各類機器視覺算法，在進行軟件程序編寫時有很大的參考價值。本次設計采用了模板匹配算法進行口罩檢測識別，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。OpenMV 硬件電路圖如圖 5 所示。

圖5 OpenMV硬件電路圖

3.4 紅外感應模塊設計

本次設計內(nèi)容中的自動分配消毒液部分傳感器應用紅外感應模塊，當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擠壓消毒紅外光不反射，電機自動關閉。當手離開的感應區(qū)域，從而實現(xiàn)對人手進行感應。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 軟件程序設計

4.1 主程序設計

在系統(tǒng)的軟件程序設計中，通過編寫主函數(shù)并調(diào)用子程序的方式來實現(xiàn)目標功能。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計

在本系統(tǒng)中通過選用 GY-906 紅外測溫傳感器實現(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，在本次設計中該模塊與 32 單片機采取 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)射紅外線感應器來進行加熱和降溫。熱電偶的輸出信號為：

該模塊與單片機進行通信時，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)完成后單片機進行判斷，成功接收一個字節(jié)后單片機給該模塊發(fā)送應答信號，單片機判斷是否接收到數(shù)據(jù)進行，當測溫模塊發(fā)送下一個字節(jié)時，如果單片機沒有接收信號重復發(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)子程序設計流程

4.3 紅外感應自動消毒子程序設計

在本系統(tǒng)中自動消毒部分使用紅外感應對人手進行檢測，通過物體對紅外線反射的原理，可以準確判斷感應區(qū)是否存在人手，其初始化狀態(tài)為無物體情況，通過單片機獲取紅外感應傳感器數(shù)據(jù)，判斷是否有物體，當檢測到物體也就是人手時，從而驅(qū)動電機對消毒液進行擠壓操作。直流電機內(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)直流電機的轉(zhuǎn)動過程。直流電機的初始狀態(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，啟動直流電機轉(zhuǎn)動實現(xiàn)功能。

圖10 紅外感應自動消毒子程序設計流程

4.4 OpenMV識別口罩程序設計

在本系統(tǒng)中口罩識別檢測部分是通過 OpenMV 實現(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?？谡肿R別算法隸屬于機器視覺領域的分支，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，因此該技術得到了迅速的發(fā)展。在此設計中口罩檢測部分的算法是基于模板匹配算法實現(xiàn)的。模板匹配的原理是利用算法通過對一幅大圖像進行目標搜索，從而確定與模板相同大小、相同方向和圖像要素的坐標定位。運用到的算法主要有相關法、誤差法以及二次匹配誤差算法，經(jīng)過實驗論證與實際淘汰，二次匹配誤差算法由于其圖像匹配運算量小，運算速度快是目前在模板匹配領域中應用最廣泛的一種方法。二次匹配誤差算法中匹配分兩次進行：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進行口罩佩戴檢測并發(fā)送數(shù)據(jù)程序設計流程

5 結(jié)束語

本文從新冠疫情防疫的實際情況出發(fā)，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)院疫情防控系統(tǒng)設計方案。選用紅外測溫傳感器和 OpenMV 分別進行體溫與口罩檢測，同時應用紅外感應和電機實現(xiàn)自動分發(fā)消毒液的功能。采用系統(tǒng)分布式設計理念和物聯(lián)網(wǎng)上位機設計平臺，實現(xiàn)了對人體體溫，口罩佩戴情況以及紅外識別人數(shù)的實時監(jiān)控。在實際的運行和調(diào)試過程中，傳感器節(jié)點與 OpenMV 網(wǎng)絡運行情況良好，采集數(shù)據(jù)準確穩(wěn)定，能夠做到實時采集數(shù)據(jù)并通過 LCD 液晶屏顯示。可以將采集到的數(shù) 據(jù)經(jīng)處理后精準的傳輸至上位機，上位機檢測到信號后做出處理、顯示及保存，并且創(chuàng)建 freeboard 進行數(shù)據(jù)顯示和保存。整個醫(yī)院疫情防控系統(tǒng)的設計具有可擴展性強、經(jīng)濟成本低等特點，并且技術手段簡潔明了，可以根據(jù)不同背景情況，自主設置控制目標和方案。

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