智慧社區(qū)防疫門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝鑫焱，祁晉東，楊 晨，楊 翔

(西藏大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，拉薩 850011)

本研究設(shè)計(jì)核心是人臉識(shí)別、健康碼核驗(yàn)、口罩識(shí)別。人臉識(shí)別技術(shù)在樹莓派4b上搭載環(huán)境，借助百度智能云，通過攝像頭，采集人臉信息，上傳至百度云進(jìn)行對比，返回識(shí)別結(jié)果。健康碼識(shí)別在OpenMV攝像頭上實(shí)現(xiàn)，采用顏色和二維碼識(shí)別算法，對綠碼紅碼進(jìn)行識(shí)別。口罩識(shí)別采用YOLO2網(wǎng)絡(luò)檢測算法，通過訓(xùn)練后部署在K210攝像頭上進(jìn)行識(shí)別。主要功能如下：對未佩戴口罩的人員進(jìn)行口罩佩戴提醒；核驗(yàn)人員健康碼信息為綠碼后進(jìn)行人臉識(shí)別；對人員進(jìn)行無接觸測溫，溫度過高會(huì)自動(dòng)報(bào)警；對人員進(jìn)行噴霧和無接觸雙手消毒。

1 人臉識(shí)別及健康碼識(shí)別的設(shè)計(jì)

在樹莓派4b上搭載人臉識(shí)別環(huán)境。先在百度智能云上錄入人臉信息，通過樹莓派4b攝像頭采集人臉信息，上傳至云端進(jìn)行對比，最后返回一個(gè)識(shí)別結(jié)果(圖1)。

采用顏色識(shí)別和二維碼識(shí)別算法，通過調(diào)用OpenMV尋找色塊函數(shù)，設(shè)置顏色閾值，找到色塊后用矩形框出來，完成健康碼識(shí)別。圖2為OpenMV攝像頭，圖3為健康碼識(shí)別結(jié)果。

圖1 人臉識(shí)別流程圖Fig.1 Flow chart of face recognition

圖2 OpenMV攝像頭Fig.2 Open MV camera

圖3 健康碼識(shí)別結(jié)果Fig.3 Results of health code recognition

2 口罩識(shí)別的設(shè)計(jì)

采用基于YOLO2的人臉口罩識(shí)別模型,訓(xùn)練集收集了大約10 000張不同的圖片，使用Image_tool，將數(shù)據(jù)集分辨率轉(zhuǎn)換為224×224，使用vott對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)集進(jìn)行標(biāo)注。標(biāo)注類型為mask、no_mask兩類。使用云端訓(xùn)練方式訓(xùn)練一個(gè)用于人臉口罩識(shí)別的YOLO2模型，輸出一個(gè)smodel文件，將該模型文件下載到 K210處理器FLASH中。K210會(huì)將 smodel 轉(zhuǎn)換為識(shí)別模型并將訓(xùn)練好的參數(shù)加載到KPU中，對輸入的人臉圖像進(jìn)行卷積運(yùn)算，通過YOLO2口罩識(shí)別模型，識(shí)別人臉口罩。K210識(shí)別置信度可達(dá)到80%以上(圖4、圖5)。

圖4 進(jìn)行未佩戴口罩識(shí)別Fig.4 Recognition of not wearing mask

圖5 進(jìn)行口罩佩戴識(shí)別Fig.5 Recognition of mask wearing

3 系統(tǒng)模型

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件由K210處理器、樹莓派4b處理器、OpenMV攝像頭、STM32單片機(jī)、舵機(jī)、紅外測溫傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、水泵、霧化模塊、語音播報(bào)模塊、數(shù)碼管組成，系統(tǒng)主要通過K210處理器對行人進(jìn)行口罩佩戴檢測，當(dāng)行人未佩戴口罩時(shí)，語音播報(bào)模塊會(huì)發(fā)出請佩戴口罩的語音提示。其余信息檢查流程通過OpenMV攝像頭對人員健康碼進(jìn)行核驗(yàn)、無接觸測溫，并在數(shù)碼管上顯示溫度，當(dāng)以上兩個(gè)信息無異常，將會(huì)打開樹莓派4b上的CSI攝像頭采集人臉信息，通過百度云進(jìn)行對比。如果對比成功，將會(huì)控制舵機(jī)打開門禁，同時(shí)發(fā)出相應(yīng)的語音提示，最后在以上信息核驗(yàn)完成后，人員走到消毒區(qū)經(jīng)超聲波感應(yīng)，通過霧化消毒模塊進(jìn)行霧化消毒，雙手伸至消毒區(qū)消毒液會(huì)自動(dòng)噴灑至雙手，實(shí)現(xiàn)全身消毒。人臉識(shí)別、健康碼核驗(yàn)及無接觸測溫端如圖6所示，口罩識(shí)別端如圖7所示，無接觸消毒端如圖8所示。

圖6 人臉識(shí)別、健康碼核驗(yàn)及無接觸測溫端Fig.6 Face recognition, health code verification and non-contact temperature measurement

圖7 口罩識(shí)別端Fig.7 Mask recognition end

圖8 無接觸消毒端Fig.8 Non-contact disinfection end

樹莓派4b主控板：樹莓派4b主控板擁有四核64位ARMCortex-A72，主頻達(dá)1.5 GHz，擁有4 GB內(nèi)存、2個(gè)USB 2.0和2個(gè)USB 3.0 接口、1個(gè)5.0藍(lán)牙。樹莓派支持很多操作系統(tǒng)，可滿足本項(xiàng)目的開發(fā)。

K210處理器：口罩識(shí)別采用嘉楠科技K210處理器，有著雙核64位CPU處理器，內(nèi)置FPU、KPU、FFT加速器，板載OV2640攝像頭。其特點(diǎn)為芯片架構(gòu)中包含了1個(gè)自研的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件加速器KPU，可以高性能地進(jìn)行卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算。

OpenMV攝像頭：OpenMV是一款功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺模塊。OpenMV 攝像頭以STM32H7為核心，集成了OV7725攝像頭芯片，方便開發(fā)者使用Python進(jìn)行編程。OpenMV 攝像頭在該設(shè)計(jì)的主要功能為核驗(yàn)健康碼信息，并通過串口通信發(fā)送指令至樹莓派4b。

STM32單片機(jī)：STM32F103ZET6 單片機(jī)具有 32 位基于ARM核心的微控制器及2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級定時(shí)器、3個(gè)SPI、2 個(gè)IIC、5個(gè)串口、1個(gè) USB、3個(gè)12位 ADC、1個(gè)12位DAC及112個(gè)通用IO口。通過該單片機(jī)實(shí)現(xiàn)無接觸消毒端各個(gè)模塊的控制。

紅外測溫模塊：MLX90614是一款無接觸的紅外測溫傳感器，集成了紅外探測熱電堆芯片與信號處理專用集成芯片。由于集成了低噪聲放大器、17位ADC和強(qiáng)大的DSP處理單元，使得高精度和高分辨度的溫度計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。使用MLX90614模塊與數(shù)碼管結(jié)合，實(shí)現(xiàn)防疫系統(tǒng)的無接觸測溫。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

人臉識(shí)別、健康碼核驗(yàn)及無接觸測溫端：該部分的設(shè)計(jì)將樹莓派4b作為系統(tǒng)的主控，將自己的健康碼信息放入識(shí)別區(qū)進(jìn)行識(shí)別。若為綠碼，將進(jìn)行測溫。溫度如果正常，將打開攝像頭采集人臉信息，經(jīng)過百度云對比成功之后，門禁將會(huì)開啟(圖9)。

圖9 主程序軟件流程圖Fig.9 Flow chart of main program software

口罩識(shí)別端：當(dāng)行人走到口罩識(shí)別區(qū)時(shí)，加載至K210上的口罩識(shí)別模型將會(huì)通過攝像頭采集信息，對未佩戴口罩的行人進(jìn)行口罩佩戴的提醒(圖10)。

圖10 口罩識(shí)別軟件流程圖Fig.10 Flow chart of mask recognition software

無接觸消毒端：使用STM32單片機(jī)作為主控，當(dāng)測得行人距離超聲波10 cm時(shí)就會(huì)讓霧化消毒模塊噴出霧化消毒液，對行人進(jìn)行表面消毒。當(dāng)行人雙手伸至紅外傳感器1 cm的位置，水泵將會(huì)開啟，噴灑出液體消毒液，對雙手進(jìn)行消毒(圖11、12)。

圖11 霧化消毒Fig.11 Atomization disinfection

圖12 雙手消毒Fig.12 Disinfection of hands

3.3 整體測試結(jié)果

經(jīng)測試，該防疫系統(tǒng)可識(shí)別人臉信息，核驗(yàn)健康碼信息，對未佩戴口罩的人進(jìn)行口罩佩戴提醒，并進(jìn)行無接觸測溫和消毒(圖13)。

圖13 系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.13 System physical diagram

4 結(jié)束語

提出的智慧社區(qū)防疫門禁系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無人化防疫，做到無人化進(jìn)行人臉識(shí)別、藏易通健康碼核驗(yàn)、口罩識(shí)別、無接觸測溫和消毒。這種方式可減少交叉感染風(fēng)險(xiǎn)，減少人工對各類信息核驗(yàn)時(shí)的疏漏，適合廣泛用于公共場合。