基于圖像識(shí)別技術(shù)的地鐵站智能閘機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自新冠疫情爆發(fā)以來(lái)，疫情已經(jīng)給民生、經(jīng)濟(jì)、貿(mào)易和出行產(chǎn)生了巨大影響。目前，我國(guó)已經(jīng)成功地戰(zhàn)勝疫情，并恢復(fù)了公交、地鐵等交通工具的正常使用。但為了更好地防范疫情、守護(hù)這來(lái)之不易的成果，國(guó)家對(duì)各種交通運(yùn)輸場(chǎng)所都制定了相關(guān)的防疫規(guī)定。如何在疫情防控期間做好常態(tài)化交通出行的同時(shí)，保障出行乘客的安全是當(dāng)下至關(guān)重要的任務(wù)。

地鐵是居民的重要出行工具，也是疫情防控的重點(diǎn)場(chǎng)所。對(duì)于地鐵站這種客流量大的交通場(chǎng)所，如果僅靠人工對(duì)乘客進(jìn)行測(cè)溫、驗(yàn)碼等工作不僅會(huì)耗費(fèi)大量的人力，還可能發(fā)生漏檢、誤檢等情況。因此人工檢測(cè)的方式仍有一定的缺陷和不足，需要設(shè)計(jì)出一種高效智能的安全檢測(cè)防疫系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)了一種可以自動(dòng)測(cè)溫、口罩識(shí)別、健康碼核驗(yàn)、實(shí)時(shí)視頻傳輸等多種功能的地鐵站智能閘機(jī)系統(tǒng)。其主控設(shè)備為樹莓派、硬件核心為STM32F103 單片機(jī)，系統(tǒng)通過(guò)HC-SR04 傳感器與GY-906 傳感器分別進(jìn)行測(cè)距和測(cè)溫，通過(guò)深度攝像頭進(jìn)行圖像識(shí)別，將接收到的信息通過(guò)STM32F013 單片機(jī)發(fā)送給樹莓派，樹莓派經(jīng)過(guò)分析和計(jì)算后判斷乘客的信息是否異常后進(jìn)行決策。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)傳感器檢測(cè)的精度，圖像識(shí)別的最佳范圍以及出入乘客的舒適度，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)1.3 m，寬0.3 m，高為1 m，通道寬度為0.55 m 的閘機(jī)系統(tǒng)。其系統(tǒng)立體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 閘機(jī)立體結(jié)構(gòu)圖

2.1 系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

閘機(jī)系統(tǒng)包含顯示屏、紅外溫度傳感器等多個(gè)硬件設(shè)備，本文采用了CAN總線的接線方式連接系統(tǒng)的硬件設(shè)備。CAN 總線的接線方式不僅可以減少單片機(jī)I/O口的使用數(shù)量，簡(jiǎn)化通行邏輯控制板的設(shè)計(jì)，還可以優(yōu)化閘機(jī)內(nèi)部的線路布局，降低系統(tǒng)運(yùn)行所出現(xiàn)的故障率。其中閘機(jī)CAN總線的節(jié)點(diǎn)及控制面板設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 CAN總線接線板設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊設(shè)計(jì)

防疫檢測(cè)識(shí)別電路最為主要的是核心控制模塊，電路采用STM32F103 單片機(jī)與樹莓派4b 作為核心控制單元。STM32F103 單片機(jī)具有高頻穩(wěn)定的特點(diǎn)，擁有8 位CPU，在系統(tǒng)內(nèi)部具有可編程Flash 且操作簡(jiǎn)單，可高效完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的距離檢測(cè)、溫度檢測(cè)；樹莓派4b 是一種64 位可編程控制器，4 核CPU 且工作頻率為1.5 GHz，不僅具有高效的運(yùn)行速度，還可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多變的控制，從而輕松完成系統(tǒng)中復(fù)雜的圖像處理任務(wù)。

3.2 紅外測(cè)溫電路設(shè)計(jì)

基于疫情防控的安全原則，本文采用非接觸式的測(cè)溫方式對(duì)出入地鐵站內(nèi)的乘客進(jìn)行測(cè)溫。系統(tǒng)紅外測(cè)溫電路采用GY-906 模塊作為紅外測(cè)溫傳感器。該模塊可以通過(guò)光電探測(cè)器將聚集的紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路，按照儀器內(nèi)的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值，從而檢測(cè)出進(jìn)出地鐵站乘客的溫度值。其具體電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 紅外測(cè)溫電路圖

3.3 圖像識(shí)別電路設(shè)計(jì)

為確保系統(tǒng)圖像識(shí)別的精度，本文采用深度攝像頭進(jìn)行圖像的采集。深度攝像頭在完成對(duì)目標(biāo)圖像的分割、標(biāo)記、識(shí)別、跟蹤等傳統(tǒng)功能的同時(shí)，還能快速地完成對(duì)目標(biāo)的識(shí)別與跟蹤任務(wù)。電路使用樹莓派與深度攝像頭進(jìn)行連接，攝像頭將采集到的圖像通過(guò)USB 傳輸給樹莓派，由樹莓派進(jìn)行一系列的分析和判斷后完成圖像的識(shí)別任務(wù)，其電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 圖像識(shí)別設(shè)計(jì)電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文從口罩識(shí)別、健康碼核驗(yàn)、實(shí)時(shí)視頻傳輸3 個(gè)方面展開具體研究，將其設(shè)計(jì)成3 個(gè)不同的子系統(tǒng)進(jìn)行工作，高效完成地鐵站內(nèi)復(fù)雜的檢測(cè)任務(wù)。

4.1 口罩識(shí)別軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

乘客是否佩戴口罩不僅對(duì)乘客個(gè)人的安全防護(hù)具有重要的作用，對(duì)地鐵站內(nèi)的疫情防控也具有十分重要的戰(zhàn)略意義。如何構(gòu)建足夠豐富的數(shù)據(jù)集樣本、建立更為精確的口罩識(shí)別算法就變得尤為重要。

本項(xiàng)目口罩識(shí)別算法主要是通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，根據(jù)人體膚色的聚類特性提取出圖像中的特定區(qū)域，通過(guò)Open CV 中的級(jí)聯(lián)分類器進(jìn)行分類和判斷，確定出人的眼部區(qū)域，在人眼上下特定距離處選取特征點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合口罩人臉的數(shù)據(jù)集進(jìn)行比對(duì)和分析，最終判斷乘客是否佩戴口罩，其程序設(shè)計(jì)流程如圖6 所示。

圖6 口罩識(shí)別程序設(shè)計(jì)流程

4.2 健康碼核驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在疫情防范的地鐵交通中，健康碼作為當(dāng)前出行所必需的工具，不僅可以使工作人員掌握每一位乘客的健康信息和行程安全，還可以讓整個(gè)地鐵的交通安全得到保障。

在健康碼核驗(yàn)系統(tǒng)中，首先需要完成健康碼的識(shí)別工作。健康碼屬于QR二維碼，根據(jù)其位置探測(cè)圖形的模塊寬度為1:1:3:1:1在任意情況下是不變的性質(zhì)獲取QR二維碼符號(hào)的4個(gè)頂點(diǎn)，完成健康碼的8位譯碼過(guò)程，在譯碼結(jié)束后還需對(duì)健康碼進(jìn)行顏色識(shí)別和實(shí)時(shí)信息的提取，對(duì)健康碼異常的乘客及時(shí)進(jìn)行登記和隔離，保障使出行乘客的安全。健康碼核驗(yàn)程序流程如圖7所示。

圖7 健康碼核驗(yàn)程序設(shè)計(jì)流程圖

4.3 視頻傳輸軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為方便工作人員的監(jiān)督和使用，確保地鐵站內(nèi)的安全，本文設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)視頻傳輸和異常數(shù)據(jù)處理等功能。系統(tǒng)將樹莓派和工作人員的電腦網(wǎng)絡(luò)連接至同一局域網(wǎng)下，并以樹莓派為發(fā)送端、電腦主機(jī)為接收端，通過(guò)UDP傳輸協(xié)議將發(fā)送端采集的動(dòng)態(tài)視頻流實(shí)時(shí)發(fā)送到接收端，使工作人員更好地了解地鐵內(nèi)的人流信息和系統(tǒng)的工作情況。實(shí)時(shí)視頻傳輸程序流程如圖8所示。

圖8 實(shí)時(shí)視頻傳輸程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)與性能分析

本項(xiàng)目系統(tǒng)調(diào)試為軟件方案測(cè)試，通過(guò)對(duì)紅外測(cè)溫、口罩識(shí)別、健康碼核驗(yàn)以及實(shí)時(shí)視頻傳輸?shù)裙δ艿臏y(cè)試和分析來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性。

5.1 紅外測(cè)溫模塊測(cè)試

測(cè)溫模塊通過(guò)HC-SR04 超聲波傳感器和GY-906紅外傳感器完成系統(tǒng)的測(cè)溫功能，當(dāng)超聲波傳感器檢測(cè)到乘客出現(xiàn)在設(shè)定的距離范圍內(nèi)，紅外傳感器開始采集乘客的和紅外輻射，并將采集到的信息通過(guò)單片機(jī)I/O口進(jìn)行線性電壓傳輸，單片機(jī)通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，經(jīng)過(guò)內(nèi)部的ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換功能將接收到的電壓值轉(zhuǎn)換成乘客實(shí)際的溫度值，紅外測(cè)溫結(jié)果如圖9所示。

圖9 紅外測(cè)溫結(jié)果圖

5.2 口罩識(shí)別效果測(cè)試

針對(duì)地鐵站內(nèi)乘客口罩的佩戴情況，本項(xiàng)目使用樹莓派調(diào)用Open CV庫(kù)完成口罩識(shí)別功能。樹莓派打開深度攝像頭獲取乘客面部圖像，調(diào)用Open CV 庫(kù)進(jìn)行識(shí)別和計(jì)算，提取出人臉的特征區(qū)域，并結(jié)合人臉面部數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖像進(jìn)行分析和比對(duì)，最終確定出乘客是否佩戴口罩，口罩識(shí)別測(cè)試結(jié)果分別如圖10和圖11所示。

圖10 未戴口罩時(shí)測(cè)試結(jié)果

圖11 戴口罩時(shí)測(cè)試結(jié)果

5.3 健康碼核驗(yàn)效果測(cè)試

與口罩識(shí)別過(guò)程類似，對(duì)于健康碼檢測(cè)過(guò)程，本項(xiàng)目仍采用Open CV 庫(kù)結(jié)合圖像數(shù)據(jù)集的方式進(jìn)行健康碼核驗(yàn)。團(tuán)隊(duì)成員選用了3 000 張各種不同姿勢(shì)下的健康碼作為數(shù)據(jù)集，并將其分成30 份，按每份數(shù)據(jù)7:2:1的比例分為訓(xùn)練集、測(cè)試集和驗(yàn)證集，通過(guò)人工標(biāo)簽的方式畫出矩形框完成訓(xùn)練。經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)成員多輪的測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)該方法可以準(zhǔn)確的測(cè)試出乘客門健康碼正常和異常的情況，健康碼綠碼測(cè)試效果如圖12 所示。

圖12 健康碼綠碼檢測(cè)效果

5.4 實(shí)時(shí)視頻傳輸效果測(cè)試

本項(xiàng)目將樹莓派與工作人員的電腦進(jìn)行連接，根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)傳輸中的UDP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻傳輸?shù)墓δ?。通過(guò)UDP 協(xié)議發(fā)送和接收測(cè)試結(jié)果如圖13 和14 所示。

圖13 發(fā)送測(cè)試圖

圖14 接收測(cè)試圖

6 結(jié)束語(yǔ)

為確保疫情防控下地鐵乘車的安全以及地鐵的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)地鐵口的多項(xiàng)檢測(cè)任務(wù)，本文設(shè)計(jì)了一種新型的地鐵站智能門閘系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅將人工檢測(cè)中的紅外測(cè)溫、口罩識(shí)別及健康碼檢測(cè)等分立的模塊融合到1個(gè)系統(tǒng)中，還增加了語(yǔ)音提醒、系統(tǒng)報(bào)警及物聯(lián)網(wǎng)等功能，將整個(gè)檢測(cè)過(guò)程更為人工化和智能化。并且根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查和需求分析，目前地鐵站內(nèi)并未有該類綜合性門閘系統(tǒng)投入使用，有著較好的市場(chǎng)發(fā)展前景。隨著日后技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和硬件的完善，此系統(tǒng)可能會(huì)被廣泛推行使用。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年3月期）