基于圖像識別技術(shù)的地鐵站智能閘機系統設計

自新冠疫情爆發(fā)以來(lái)，疫情已經(jīng)給民生、經(jīng)濟、貿易和出行產(chǎn)生了巨大影響。目前，我國已經(jīng)成功地戰勝疫情，并恢復了公交、地鐵等交通工具的正常使用。但為了更好地防范疫情、守護這來(lái)之不易的成果，國家對各種交通運輸場(chǎng)所都制定了相關(guān)的防疫規定。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。對于地鐵站這種客流量大的交通場(chǎng)所，如果僅靠人工對乘客進(jìn)行測溫、驗碼等工作不僅會(huì )耗費大量的人力，還可能發(fā)生漏檢、誤檢等情況。因此人工檢測的方式仍有一定的缺陷和不足，需要設計出一種高效智能的安全檢測防疫系統。

1 系統總體結構

本文設計了一種可以自動(dòng)測溫、口罩識別、健康碼核驗、實(shí)時(shí)視頻傳輸等多種功能的地鐵站智能閘機系統。其主控設備為樹(shù)莓派、硬件核心為STM32F103 單片機，系統通過(guò)HC-SR04 傳感器與GY-906 傳感器分別進(jìn)行測距和測溫，通過(guò)深度攝像頭進(jìn)行圖像識別，將接收到的信息通過(guò)STM32F013 單片機發(fā)送給樹(shù)莓派，樹(shù)莓派經(jīng)過(guò)分析和計算后判斷乘客的信息是否異常后進(jìn)行決策。系統總體結構圖如圖1 所示。

圖1 系統總體結構圖

2 系統結構設計

本文結合系統內各個(gè)傳感器檢測的精度，圖像識別的最佳范圍以及出入乘客的舒適度，設計了長(cháng)1.3 m，寬0.3 m，高為1 m，通道寬度為0.55 m 的閘機系統。其系統立體結構如圖2 所示。

圖2 閘機立體結構圖

2.1 系統接口設計

閘機系統包含顯示屏、紅外溫度傳感器等多個(gè)硬件設備，本文采用了CAN總線(xiàn)的接線(xiàn)方式連接系統的硬件設備。CAN 總線(xiàn)的接線(xiàn)方式不僅可以減少單片機I/O口的使用數量，簡(jiǎn)化通行邏輯控制板的設計，還可以?xún)?yōu)化閘機內部的線(xiàn)路布局，降低系統運行所出現的故障率。其中閘機CAN總線(xiàn)的節點(diǎn)及控制面板設計如圖3 所示。

圖3 CAN總線(xiàn)接線(xiàn)板設計

3 系統硬件設計

3.1 主控模塊設計

防疫檢測識別電路最為主要的是核心控制模塊，電路采用STM32F103 單片機與樹(shù)莓派4b 作為核心控制單元。STM32F103 單片機具有高頻穩定的特點(diǎn)，擁有8 位CPU，在系統內部具有可編程Flash 且操作簡(jiǎn)單，可高效完成系統設計中的距離檢測、溫度檢測；樹(shù)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，不僅具有高效的運行速度，還可實(shí)現復雜多變的控制，從而輕松完成系統中復雜的圖像處理任務(wù)。

3.2 紅外測溫電路設計

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

圖4 紅外測溫電路圖

3.3 圖像識別電路設計

為確保系統圖像識別的精度，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目標圖像的分割、標記、識別、跟蹤等傳統功能的同時(shí)，還能快速地完成對目標的識別與跟蹤任務(wù)。電路使用樹(shù)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(shù)莓派，由樹(shù)莓派進(jìn)行一系列的分析和判斷后完成圖像的識別任務(wù)，其電路設計如圖5 所示。

圖5 圖像識別設計電路圖

4 系統軟件設計

本文從口罩識別、健康碼核驗、實(shí)時(shí)視頻傳輸3 個(gè)方面展開(kāi)具體研究，將其設計成3 個(gè)不同的子系統進(jìn)行工作，高效完成地鐵站內復雜的檢測任務(wù)。

4.1 口罩識別軟件系統設計

乘客是否佩戴口罩不僅對乘客個(gè)人的安全防護具有重要的作用，對地鐵站內的疫情防控也具有十分重要的戰略意義。如何構建足夠豐富的數據集樣本、建立更為精確的口罩識別算法就變得尤為重要。

本項目口罩識別算法主要是通過(guò)統計學(xué)的方法進(jìn)行實(shí)現，根據人體膚色的聚類(lèi)特性提取出圖像中的特定區域，通過(guò)Open CV 中的級聯(lián)分類(lèi)器進(jìn)行分類(lèi)和判斷，確定出人的眼部區域，在人眼上下特定距離處選取特征點(diǎn)進(jìn)行計算，并結合口罩人臉的數據集進(jìn)行比對和分析，最終判斷乘客是否佩戴口罩，其程序設計流程如圖6 所示。

圖6 口罩識別程序設計流程

4.2 健康碼核驗系統設計

在疫情防范的地鐵交通中，健康碼作為當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。

在健康碼核驗系統中，首先需要完成健康碼的識別工作。健康碼屬于QR二維碼，根據其位置探測圖形的模塊寬度為1:1:3:1:1在任意情況下是不變的性質(zhì)獲取QR二維碼符號的4個(gè)頂點(diǎn)，完成健康碼的8位譯碼過(guò)程，在譯碼結束后還需對健康碼進(jìn)行顏色識別和實(shí)時(shí)信息的提取，對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。健康碼核驗程序流程如圖7所示。

圖7 健康碼核驗程序設計流程圖

4.3 視頻傳輸軟件系統設計

為方便工作人員的監督和使用，確保地鐵站內的安全，本文設計了實(shí)時(shí)視頻傳輸和異常數據處理等功能。系統將樹(shù)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(shù)莓派為發(fā)送端、電腦主機為接收端，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的人流信息和系統的工作情況。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)驗與性能分析

本項目系統調試為軟件方案測試，通過(guò)對紅外測溫、口罩識別、健康碼核驗以及實(shí)時(shí)視頻傳輸等功能的測試和分析來(lái)驗證系統的穩定性和可行性。

5.1 紅外測溫模塊測試

測溫模塊通過(guò)HC-SR04 超聲波傳感器和GY-906紅外傳感器完成系統的測溫功能，當超聲波傳感器檢測到乘客出現在設定的距離范圍內，紅外傳感器開(kāi)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I/O口進(jìn)行線(xiàn)性電壓傳輸，單片機通過(guò)串口進(jìn)行數據接收，經(jīng)過(guò)內部的ADC 模數轉換功能將接收到的電壓值轉換成乘客實(shí)際的溫度值，紅外測溫結果如圖9所示。

圖9 紅外測溫結果圖

5.2 口罩識別效果測試

針對地鐵站內乘客口罩的佩戴情況，本項目使用樹(shù)莓派調用Open CV庫完成口罩識別功能。樹(shù)莓派打開(kāi)深度攝像頭獲取乘客面部圖像，調用Open CV 庫進(jìn)行識別和計算，提取出人臉的特征區域，并結合人臉面部數據庫中的圖像進(jìn)行分析和比對，最終確定出乘客是否佩戴口罩，口罩識別測試結果分別如圖10和圖11所示。

圖10 未戴口罩時(shí)測試結果

圖11 戴口罩時(shí)測試結果

5.3 健康碼核驗效果測試

與口罩識別過(guò)程類(lèi)似，對于健康碼檢測過(guò)程，本項目仍采用Open CV 庫結合圖像數據集的方式進(jìn)行健康碼核驗。團隊成員選用了3 000 張各種不同姿勢下的健康碼作為數據集，并將其分成30 份，按每份數據7:2:1的比例分為訓練集、測試集和驗證集，通過(guò)人工標簽的方式畫(huà)出矩形框完成訓練。經(jīng)過(guò)團隊成員多輪的測試后，發(fā)現該方法可以準確的測試出乘客門(mén)健康碼正常和異常的情況，健康碼綠碼測試效果如圖12 所示。

圖12 健康碼綠碼檢測效果

5.4 實(shí)時(shí)視頻傳輸效果測試

本項目將樹(shù)莓派與工作人員的電腦進(jìn)行連接，根據互聯(lián)網(wǎng)傳輸中的UDP 協(xié)議實(shí)現實(shí)時(shí)視頻傳輸的功能。通過(guò)UDP 協(xié)議發(fā)送和接收測試結果如圖13 和14 所示。

圖13 發(fā)送測試圖

圖14 接收測試圖

6 結束語(yǔ)

為確保疫情防控下地鐵乘車(chē)的安全以及地鐵的運行效率，實(shí)現地鐵口的多項檢測任務(wù)，本文設計了一種新型的地鐵站智能門(mén)閘系統。該系統不僅將人工檢測中的紅外測溫、口罩識別及健康碼檢測等分立的模塊融合到1個(gè)系統中，還增加了語(yǔ)音提醒、系統報警及物聯(lián)網(wǎng)等功能，將整個(gè)檢測過(guò)程更為人工化和智能化。并且根據市場(chǎng)調查和需求分析，目前地鐵站內并未有該類(lèi)綜合性門(mén)閘系統投入使用，有著(zhù)較好的市場(chǎng)發(fā)展前景。隨著(zhù)日后技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和硬件的完善，此系統可能會(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）