基于K210的Alot防疫與平安校園建設(shè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣西民族師范學(xué)院 張世坤 余志慢 蒙學(xué)玨 黃燦勝

在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，平安校園建設(shè)顯得越來(lái)越重要。本項(xiàng)目正是基于STM32F103C8T6單片機(jī)和K210為控制核心而設(shè)計(jì)的Alot防疫與平安校園建設(shè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用MLX90614紅外測(cè)溫傳感器作為非接觸式測(cè)量模塊來(lái)采集人體體溫，再通過(guò)顯示電路和蜂鳴器電路實(shí)現(xiàn)報(bào)警。此外，本設(shè)計(jì)利用機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練人臉口罩是否符合要求，進(jìn)而推動(dòng)疫情形勢(shì)下平安校園建設(shè)！

1 系統(tǒng)功能描述

本設(shè)計(jì)以STM32F103C8T6單片機(jī)和K210為控制核心，采用MLX90614紅外測(cè)溫傳感器作為非接觸式測(cè)量模塊，裝置一個(gè)KY-008激光模塊作為指示光，在oled顯示屏顯示溫度與閾值，然后通過(guò)一個(gè)按鍵進(jìn)行非接觸式一鍵測(cè)溫，另外兩個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)閾值的設(shè)置，在單片機(jī)上運(yùn)行的程序若測(cè)量的值超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值，就會(huì)有蜂鳴器報(bào)警。本系統(tǒng)采用ov2640攝像頭采集圖像，K210芯片處理圖像，運(yùn)行人臉部的5個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)模型，系統(tǒng)獲取關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)而實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別。如果在識(shí)別失敗則會(huì)導(dǎo)致蜂鳴器報(bào)警，反之通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練人臉佩戴口罩模型進(jìn)行判斷被測(cè)人是否符合要求，本設(shè)計(jì)是基于特征方法的從組成成分中分析并提取人體身份識(shí)別與身份特征學(xué)習(xí)功能，從而實(shí)現(xiàn)一款非接觸式的人體體溫與身份識(shí)別的系統(tǒng)。系統(tǒng)功能如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能圖示

圖2 系統(tǒng)軟件主程序流程圖

2 硬件設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)在硬件設(shè)計(jì)上主要由主控電路、電源電路、按鍵輸入電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路等5個(gè)部分組成。主控電路作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，它發(fā)揮著舉重足輕的作用，各個(gè)模塊相互間的通訊交流都是在主控電路的控制下完成的，本系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上主要利用Altium Designer設(shè)計(jì)原理圖。例如，在系統(tǒng)正常工作的情況下，當(dāng)有學(xué)生進(jìn)入校園時(shí)，首先會(huì)利用紅外測(cè)溫傳感器進(jìn)行體溫測(cè)試，如果體溫異常，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)報(bào)警，反之進(jìn)入人臉識(shí)別階段，在人臉識(shí)別過(guò)程中，會(huì)與預(yù)先存儲(chǔ)在K210圖片庫(kù)中的照片進(jìn)行比對(duì)，只有圖片比對(duì)成功才能進(jìn)入校園。本設(shè)計(jì)在硬件設(shè)計(jì)上結(jié)合當(dāng)前形勢(shì)進(jìn)行合理化的設(shè)計(jì)，增加人臉識(shí)別模塊進(jìn)一步增強(qiáng)校園安全建設(shè)，這對(duì)推動(dòng)平安校園建設(shè)具有重要的意義。

3 軟件設(shè)計(jì)思路

在軟件開發(fā)中，MLX90614傳感器上電就可以通過(guò)STM32F103C8T6開發(fā)板讀出數(shù)據(jù)，然后根據(jù)讀出的數(shù)值進(jìn)行與閾值的邏輯判定是否需要報(bào)警。K210+OV2640攝像頭身份識(shí)別模塊用Maixpy IDE進(jìn)行模擬調(diào)試。模塊采用python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)編程，系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)人體面部五點(diǎn)特征和口罩的識(shí)別、溫度的檢測(cè)與判斷。本系統(tǒng)軟件主程序流程圖如圖2所示。

圖3 液體溫度的非線性擬合

圖4 人體溫度的非線性擬合

MLX90614系列測(cè)溫模塊是應(yīng)用非常廣泛的紅外測(cè)溫裝置，能夠輸出線性或準(zhǔn)線性信號(hào)。該模塊以MLX81101熱電原件作為紅外感應(yīng)部分。輸出是被測(cè)物體溫度T0與傳感器自身溫度Ta共同作用的結(jié)果，理想狀態(tài)下熱元件輸出的電壓如式(1)所示：

其中溫度的單位均為絕對(duì)溫度（開爾文），A是元件的敏感度。對(duì)得到的數(shù)據(jù)通過(guò)MATLAB進(jìn)行非線性標(biāo)定，得到的相關(guān)系數(shù)體現(xiàn)在程序中，如圖3、圖4所示。

表1 識(shí)別精度和體溫測(cè)試數(shù)據(jù)

4 總結(jié)

本系統(tǒng)測(cè)試人員由三個(gè)隊(duì)員（已經(jīng)過(guò)模塊學(xué)習(xí)）和兩個(gè)隨機(jī)人員組成（未經(jīng)過(guò)模塊學(xué)習(xí)），液體溫度測(cè)試隨機(jī)選擇28℃～48℃范圍內(nèi)；經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，隨機(jī)選取其中一次結(jié)果展示，如表1所示。

通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出該設(shè)計(jì)結(jié)果與驗(yàn)證結(jié)果較為貼合，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求，在本設(shè)計(jì)中我們使用了模擬電子電路、數(shù)字電子電路、嵌入式系統(tǒng)、人臉識(shí)別算法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)及制作。雖然在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了很多問(wèn)題，如溫度識(shí)別模塊測(cè)試的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確（相差>2°）；身份識(shí)別模塊識(shí)別點(diǎn)和識(shí)別度不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)誤判等；但經(jīng)過(guò)對(duì)本系統(tǒng)軟件進(jìn)行不斷的調(diào)試與測(cè)試，最終提高了本系統(tǒng)的精準(zhǔn)度，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)作品無(wú)接觸溫度測(cè)量和身份識(shí)別模塊的功能。