基于圖像識別技術的地鐵站智能閘機系統設計

自新冠疫情爆發以來，疫情已經給民生、經濟、貿易和出行產生了巨大影響。目前，我國已經成功地戰勝疫情，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、守護這來之不易的成果，國家對各種交通運輸場所都制定了相關的防疫規定。如何在疫情防控期間做好常態化交通出行的同時，保障出行乘客的安全是當下至關重要的任務。

地鐵是居民的重要出行工具，也是疫情防控的重點場所。對于地鐵站這種客流量大的交通場所，如果僅靠人工對乘客進行測溫、驗碼等工作不僅會耗費大量的人力，還可能發生漏檢、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測溫、口罩識別、健康碼核驗、實時視頻傳輸等多種功能的地鐵站智能閘機系統。其主控設備為樹莓派、硬件核心為STM32F103 單片機，系統通過HC-SR04 傳感器與GY-906 傳感器分別進行測距和測溫，通過深度攝像頭進行圖像識別，將接收到的信息通過STM32F013 單片機發送給樹莓派，樹莓派經過分析和計算后判斷乘客的信息是否異常后進行決策。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硬件設備，本文采用了CAN總線的接線方式連接系統的硬件設備。CAN 總線的接線方式不僅可以減少單片機I/O口的使用數量，簡化通行邏輯控制板的設計，還可以優化閘機內部的線路布局，降低系統運行所出現的故障率。其中閘機CAN總線的節點及控制面板設計如圖3 所示。

圖3 CAN總線接線板設計

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 單片機與樹莓派4b 作為核心控制單元。STM32F103 單片機具有高頻穩定的特點，擁有8 位CPU，在系統內部具有可編程Flash 且操作簡單，可高效完成系統設計中的距離檢測、溫度檢測；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，不僅具有高效的運行速度，還可實現復雜多變的控制，從而輕松完成系統中復雜的圖像處理任務。

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。該模塊可以通過光電探測器將聚集的紅外能量轉變為電信號，電信號經過放大器和信號處理電路，按照儀器內的算法和目標發射率校正后轉變為被測目標的溫度值，從而檢測出進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，還能快速地完成對目標的識別與跟蹤任務。電路使用樹莓派與深度攝像頭進行連接，攝像頭將采集到的圖像通過USB 傳輸給樹莓派，由樹莓派進行一系列的分析和判斷后完成圖像的識別任務，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、實時視頻傳輸3 個方面展開具體研究，將其設計成3 個不同的子系統進行工作，高效完成地鐵站內復雜的檢測任務。

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統計學的方法進行實現，根據人體膚色的聚類特性提取出圖像中的特定區域，通過Open CV 中的級聯分類器進行分類和判斷，確定出人的眼部區域，在人眼上下特定距離處選取特征點進行計算，并結合口罩人臉的數據集進行比對和分析，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獲取QR二維碼符號的4個頂點，完成健康碼的8位譯碼過程，在譯碼結束后還需對健康碼進行顏色識別和實時信息的提取，對健康碼異常的乘客及時進行登記和隔離，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，本文設計了實時視頻傳輸和異常數據處理等功能。系統將樹莓派和工作人員的電腦網絡連接至同一局域網下，并以樹莓派為發送端、電腦主機為接收端，通過UDP傳輸協議將發送端采集的動態視頻流實時發送到接收端，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。實時視頻傳輸程序流程如圖8所示。

圖8 實時視頻傳輸程序流程圖

5 實驗與性能分析

本項目系統調試為軟件方案測試，通過對紅外測溫、口罩識別、健康碼核驗以及實時視頻傳輸等功能的測試和分析來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，紅外傳感器開始采集乘客的和紅外輻射，并將采集到的信息通過單片機I/O口進行線性電壓傳輸，單片機通過串口進行數據接收，經過內部的ADC 模數轉換功能將接收到的電壓值轉換成乘客實際的溫度值，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，本項目使用樹莓派調用Open CV庫完成口罩識別功能。樹莓派打開深度攝像頭獲取乘客面部圖像，調用Open CV 庫進行識別和計算，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 未戴口罩時測試結果

圖11 戴口罩時測試結果

5.3 健康碼核驗效果測試

與口罩識別過程類似，對于健康碼檢測過程，本項目仍采用Open CV 庫結合圖像數據集的方式進行健康碼核驗。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，通過人工標簽的方式畫出矩形框完成訓練。經過團隊成員多輪的測試后，發現該方法可以準確的測試出乘客門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 實時視頻傳輸效果測試

本項目將樹莓派與工作人員的電腦進行連接，根據互聯網傳輸中的UDP 協議實現實時視頻傳輸的功能。通過UDP 協議發送和接收測試結果如圖13 和14 所示。

圖13 發送測試圖

圖14 接收測試圖

6 結束語

為確保疫情防控下地鐵乘車的安全以及地鐵的運行效率，實現地鐵口的多項檢測任務，本文設計了一種新型的地鐵站智能門閘系統。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個系統中，還增加了語音提醒、系統報警及物聯網等功能，將整個檢測過程更為人工化和智能化。并且根據市場調查和需求分析，目前地鐵站內并未有該類綜合性門閘系統投入使用，有著較好的市場發展前景。隨著日后技術的進一步發展和硬件的完善，此系統可能會被廣泛推行使用。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年3月期）