基于物聯(lián)網(wǎng)的醫院疫情防控系統設計

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(shí)現溫度采集、口罩識別、以及自動(dòng)分配消毒液。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸監測數據并統計數據將其繪制為折線(xiàn)圖，方便管理者監視。最后經(jīng)測試表明，所設計的系統運行穩定可行，完成了對人體溫度，口罩佩戴情況和自動(dòng)分配消毒液的實(shí)時(shí)數據采集、顯示、傳輸、報警及存儲等功能。應用場(chǎng)景為醫院科室、病房等的入口處，通過(guò)對出入人員進(jìn)行檢測實(shí)現對病毒的阻控，一定程度上防止交叉感染。

關(guān)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(lèi)生命健康造成了巨大威脅的同時(shí)也對人類(lèi)社會(huì )以及經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生重大破壞。根據臨床醫學(xué)觀(guān)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。根據傳染病學(xué)研究，疫情防控有傳染源和傳播途徑兩個(gè)關(guān)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測及消毒系統可以通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)、計算機通信技術(shù)以及傳感器技術(shù)等實(shí)現如醫院等公共場(chǎng)所出入人員的體溫、口罩佩戴與否的實(shí)時(shí)監控并實(shí)現無(wú)接觸式消毒，從而實(shí)現疫情防控自動(dòng)化、數據采集處理自動(dòng)化等目標功能。因此依托紅外測溫技術(shù)、口罩識別技術(shù)及無(wú)接觸式消毒的測量系統在未來(lái)對各類(lèi)呼吸道疫情的阻控有著(zhù)重要意義。

1 總體方案設計

本次研究是以 STM32F103RC 為核心的醫院疫情防控系統，采用二級式分布，可分為下位機傳感器進(jìn)行數據采集以及發(fā)送部分，上位機數據接收處理報警部分。其中，下位機部分由體溫采集、口罩檢測、自動(dòng)感應消毒三部分構成。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據、OpenMV 完成的口罩檢測數據、紅外感應傳感器感應的人數進(jìn)行整合統計分析，并將處理后的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn) WiFi 通信發(fā)送至上位機。

本系統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。系統總體結構框圖如圖 1 所示。

圖1 系統總體結構框圖

3 硬件電路設計

3.1 STM32F103RCT6單片機最小系統設計

本次選用 STM32F103RCT6 作為中心控制芯片。STM32F103RCT6 基于 ARM Cortex-M 內核，具有高性能、低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，片上資源包括 48kB SRAM，256kB Flash，11 個(gè)定時(shí)器，2 個(gè) IIC，5 個(gè)串口，1 個(gè) USB，3 個(gè) SPI，3 個(gè) 12 位 ADC，2 個(gè) 12 位 DAC 及 51 個(gè)通用 IO 口。

圖2 STM32單片機

3.2 紅外測溫模塊設計

本次監測系統設計中非接觸式測溫部分的功能是由 GY-906 傳感器實(shí)現的，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(dòng)發(fā)出的紅外輻射能量進(jìn)行測量來(lái)實(shí)現的。GY-906 傳感器外觀(guān)以及引腳結構如圖 3 所示。

圖3 GY-906模塊外觀(guān)以及引腳結構

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

本次設計內容中的口罩檢測識別部分通過(guò) OpenMV 實(shí)現。OpenMV 是一種開(kāi)源機器視覺(jué)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，支持建立數據庫來(lái)進(jìn)行所需要的算法編寫(xiě)，此外配置 1 個(gè) SPI 總線(xiàn)與 1 個(gè) IIC 總線(xiàn)、CAN 總線(xiàn)和 1 個(gè)異步串口總線(xiàn)（TX/ RX）使其具有與其他設備進(jìn)行串口通信的功能，具備 1 個(gè) 12 位的 AD 和 1 個(gè) 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(yǔ)言進(jìn)行編程，并且該軟件上包含各類(lèi)機器視覺(jué)算法，在進(jìn)行軟件程序編寫(xiě)時(shí)有很大的參考價(jià)值。本次設計采用了模板匹配算法進(jìn)行口罩檢測識別，并通過(guò)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

本次設計內容中的自動(dòng)分配消毒液部分傳感器應用紅外感應模塊，當紅外線(xiàn)被接收后輸出低電平，同時(shí)模塊具有輸出指示燈，此時(shí)指示燈會(huì )亮起。反之當沒(méi)有反射紅外線(xiàn)，模塊將輸出高電平，輸出指示燈熄滅。同時(shí)檢測范圍可以通過(guò)調節電位器擴大或減小。自動(dòng)分配消毒劑是利用紅外反射原理，將手放入消毒感應區時(shí)紅外線(xiàn)發(fā)射管發(fā)出紅外，通過(guò)人體反射到紅外線(xiàn)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(dòng)關(guān)閉。當手離開(kāi)的感應區域，從而實(shí)現對人手進(jìn)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

在系統的軟件程序設計中，通過(guò)編寫(xiě)主函數并調用子程序的方式來(lái)實(shí)現目標功能。傳感器采集數據包含紅外溫度采集，OpenMV 口罩識別，紅外感應自動(dòng)消毒以及數據處理，將檢測數據在 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

在本系統中通過(guò)選用 GY-906 紅外測溫傳感器實(shí)現對人體溫度的非接觸式測量，GY-906 模塊采集數據過(guò)程的時(shí)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 位數據分兩次傳輸，每次傳送一個(gè)字節。每個(gè)字節都是按照高位（MSB）在前，低位（LSB）在后的格式傳輸，兩個(gè)字節中間的第 9 個(gè)時(shí)鐘是應答時(shí)鐘。

圖8 GY-906模塊采集溫度數據過(guò)程時(shí)序圖

GY-906 模塊對周?chē)h(huán)境的溫度和物體的溫度進(jìn)行測量，內置的紅外傳感器包含若干個(gè)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(guò)吸收或者發(fā)射紅外線(xiàn)感應器來(lái)進(jìn)行加熱和降溫。熱電偶的輸出信號為：

該模塊與單片機進(jìn)行通信時(shí)，傳輸和接收的數據是以字節為單位的，每次發(fā)送 1 個(gè)位，8 位為 1 個(gè)字節，發(fā)送一個(gè)字節完成后單片機進(jìn)行判斷，成功接收一個(gè)字節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據進(jìn)行，當測溫模塊發(fā)送下一個(gè)字節時(shí)，如果單片機沒(méi)有接收信號重復發(fā)送該字節，直到數據全部發(fā)送完即為結束。

圖9 GY-906模塊發(fā)送數據子程序設計流程

4.3 紅外感應自動(dòng)消毒子程序設計

在本系統中自動(dòng)消毒部分使用紅外感應對人手進(jìn)行檢測，通過(guò)物體對紅外線(xiàn)反射的原理，可以準確判斷感應區是否存在人手，其初始化狀態(tài)為無(wú)物體情況，通過(guò)單片機獲取紅外感應傳感器數據，判斷是否有物體，當檢測到物體也就是人手時(shí)，從而驅動(dòng)電機對消毒液進(jìn)行擠壓操作。直流電機內部具有磁場(chǎng)，磁場(chǎng)內的線(xiàn)圈通過(guò)的電流產(chǎn)生變化，產(chǎn)生安培力從而調節直流電機的轉動(dòng)過(guò)程。直流電機的初始狀態(tài)為停止，系統啟動(dòng)，定時(shí)器t₀ 啟動(dòng)。t₀ 的中斷服務(wù)程序用于通過(guò)改變在磁場(chǎng)中的線(xiàn)圈通過(guò)的電流，啟動(dòng)直流電機轉動(dòng)實(shí)現功能。

圖10 紅外感應自動(dòng)消毒子程序設計流程

4.4 OpenMV識別口罩程序設計

在本系統中口罩識別檢測部分是通過(guò) OpenMV 實(shí)現的，OpenMV 檢測完畢后將檢測到的數據通過(guò)串口通信發(fā)送給單片機?？谡肿R別算法隸屬于機器視覺(jué)領(lǐng)域的分支，尤其是在新冠疫情爆發(fā)以來(lái)，對公共場(chǎng)合人員佩戴口罩檢測的需求大大增加，因此該技術(shù)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(shí)現的。模板匹配的原理是利用算法通過(guò)對一幅大圖像進(jìn)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(guān)法、誤差法以及二次匹配誤差算法，經(jīng)過(guò)實(shí)驗論證與實(shí)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(lǐng)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(jìn)行：第 1 次匹配是粗略匹配。取模板的隔行隔列數據，即 1/4 的模板數據。由于其截取隔行隔列即整體的 1/4 數據使數據量大幅減少，匹配速度顯著(zhù)提高。誤差閾值 E₀：

圖 11 為 OpenMV 進(jìn)行口罩佩戴檢測并發(fā)送數據的子程序流程圖。

圖11 OpenMV進(jìn)行口罩佩戴檢測并發(fā)送數據程序設計流程

5 結束語(yǔ)

本文從新冠疫情防疫的實(shí)際情況出發(fā)，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的醫院疫情防控系統設計方案。選用紅外測溫傳感器和 OpenMV 分別進(jìn)行體溫與口罩檢測，同時(shí)應用紅外感應和電機實(shí)現自動(dòng)分發(fā)消毒液的功能。采用系統分布式設計理念和物聯(lián)網(wǎng)上位機設計平臺，實(shí)現了對人體體溫，口罩佩戴情況以及紅外識別人數的實(shí)時(shí)監控。在實(shí)際的運行和調試過(guò)程中，傳感器節點(diǎn)與 OpenMV 網(wǎng)絡(luò )運行情況良好，采集數據準確穩定，能夠做到實(shí)時(shí)采集數據并通過(guò) LCD 液晶屏顯示?？梢詫⒉杉降臄? 據經(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(jìn)行數據顯示和保存。整個(gè)醫院疫情防控系統的設計具有可擴展性強、經(jīng)濟成本低等特點(diǎn)，并且技術(shù)手段簡(jiǎn)潔明了，可以根據不同背景情況，自主設置控制目標和方案。

參考文獻：

[1] 胡子峰,王昭君,金路,等.非調制雙色紅外測溫誤差實(shí)時(shí)補償方法研究[J].光學(xué)儀器,2020,42(3):15-56.

[2] 蔣思中,白雪.工業(yè)機器人目標識別與智能檢測技術(shù)研究現狀與發(fā)展趨勢[J].輕工科技,2020,36(02):65-66.

[3] 蘇建奎，桂星雨.醫用紅外體溫測量?jì)x的現狀與發(fā)展[J].醫療衛生裝備,2016,37(1):110-129.

[4] 鄔忠萍,易威,劉冬.基于汽車(chē)自動(dòng)空調的紅外溫度傳感器性能研究[J].山東工業(yè)技術(shù),2015(6):178-179.

[5] 左力,王棟民.圖像處理系統在自動(dòng)化設備中用作位置反饋的一種方法[J].機械與電子,2004(1):43-44.

(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年11月期)