疫情防疫檢測(cè)智能門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第1章引言1.1研究目的和意義 隨著新型冠狀病毒的迅速傳播，佩戴口罩已經(jīng)成為全球人民的一種普遍習(xí)慣。為了阻止疫情的蔓延，我們強(qiáng)烈建議公眾在外出和工作時(shí)都應(yīng)該佩戴口罩。為了確保公眾的健康和安全，定期對(duì)社會(huì)上的人群進(jìn)行口罩佩戴檢查顯得尤為重要，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正不當(dāng)?shù)氖褂昧?xí)慣，從而維護(hù)社會(huì)的穩(wěn)定。通過采用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)口罩的佩戴情況的監(jiān)控，從而有效地降低檢測(cè)者與被檢測(cè)者之間的交叉?zhèn)鞑?，并且極大地提升了檢測(cè)的效率。人類冠狀病毒可以通過多種方式傳播，包括但不限于咳嗽、打噴嚏、呼吸、說話等，但最重要的是，它可以通過口罩傳播給其他人，從而造成嚴(yán)重的健康風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于未佩戴口罩的人而言，采用準(zhǔn)確的檢測(cè)算法以及運(yùn)用復(fù)雜的細(xì)微差異，將會(huì)極大地提高防護(hù)效果。因此，如何準(zhǔn)確地識(shí)別和定位被遮擋的面部特征，已成為一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。該技術(shù)可以應(yīng)用于各種人群聚集的地方，如機(jī)場(chǎng)、火車站、商圈和公園，以便檢測(cè)出人們是否正確佩戴口罩。除了在社區(qū)中使用，這種技術(shù)還可以用于小區(qū)的門禁系統(tǒng)和企業(yè)的刷卡系統(tǒng)。盡管如此，這些技術(shù)依舊能夠?yàn)槲覀兊娜粘Ｉ顜韼椭?。在安全領(lǐng)域，為了逃避監(jiān)控，許多犯罪嫌疑人都會(huì)戴上帽子或口罩來保護(hù)自己。通過使用更加精確的人臉識(shí)別技術(shù)，我們能夠更有效地解決犯罪問題。除此之外，醫(yī)院也能夠檢測(cè)出醫(yī)務(wù)人員是否按照標(biāo)準(zhǔn)佩戴口罩。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，由于科技的迅猛發(fā)展，深度學(xué)習(xí)已經(jīng)成為人工智能和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的重要組成部分，其卓越的性能，比如人臉識(shí)別、圖像分析等，受到全球的關(guān)注。當(dāng)前，針對(duì)口罩佩戴的檢測(cè)技術(shù)尚未普及。盡管對(duì)口罩的標(biāo)準(zhǔn)佩戴和識(shí)別的研究尚未完全成熟，但是，通過引入基于皮膚的技術(shù)，我們能夠更加精確地辨認(rèn)出口罩的使用狀態(tài)，為個(gè)體的安全和健康帶來了極大的幫助。隨著科技的飛速發(fā)展，人臉識(shí)別技術(shù)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)取得了重大突破，其中最具代表性的機(jī)構(gòu)就是美國(guó)麻省理工學(xué)院和美國(guó)運(yùn)輸局，他們的研究成果為社會(huì)帶來了深遠(yuǎn)的影響，改變了我們的生活方式；人臉識(shí)別技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，從清華大學(xué)到北京工業(yè)大學(xué)，從中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所到中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所，它的普及程度已經(jīng)達(dá)到了前所未有的水平。南加利福尼亞大學(xué)的研究小組開發(fā)出一種新的系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出醫(yī)護(hù)人員是否在手術(shù)室內(nèi)佩戴了醫(yī)用口罩。這個(gè)系統(tǒng)的可靠性超過95%，它能夠捕捉到人臉或口罩佩戴者與攝像頭之間的5米距離。中國(guó)在門禁系統(tǒng)方面的研究相對(duì)落后，其控制方式也相對(duì)保守。發(fā)展的門禁系統(tǒng)和發(fā)展的卡片密不可分。當(dāng)前，在控制方面，我們可以使用各種不同的門禁系統(tǒng)，包括密碼鎖、射頻卡和指紋鎖。射頻感應(yīng)卡已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，并且受到了廣泛的認(rèn)可。中國(guó)生產(chǎn)的感應(yīng)式門禁系統(tǒng)和指紋門禁系統(tǒng)的售價(jià)已經(jīng)顯著降低，降低了10%-50%，但是，為了進(jìn)一步改進(jìn)它們的可靠性、實(shí)用性和安全性，還需要進(jìn)一步改進(jìn)。中國(guó)在IC卡制造和讀寫設(shè)備的安全性、保密性以及其他相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展還有待提高，目前的差距依然很明顯。目前，許多國(guó)內(nèi)的門禁系統(tǒng)只提供了基本的開啟或關(guān)閉功能，但仍然無法提供對(duì)門的狀況、操作、安全性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理。采用精確的監(jiān)督機(jī)制，我們可以以極少的投入就實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的安全性與高效率的運(yùn)營(yíng)。然而，當(dāng)需求極其嚴(yán)格時(shí)，我們必須使用更加可靠的控制系統(tǒng)來滿足這些需求。隨著時(shí)間的推移，我國(guó)的門禁系統(tǒng)發(fā)展迅猛，開發(fā)和設(shè)計(jì)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，為社會(huì)提供了安全保障。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前全球范圍內(nèi)開發(fā)和使用的自動(dòng)識(shí)別門禁系統(tǒng)已經(jīng)從傳統(tǒng)的感應(yīng)式門禁轉(zhuǎn)變?yōu)楦酉冗M(jìn)的生物識(shí)別門禁。目前，感應(yīng)門禁系統(tǒng)和生物識(shí)別門禁系統(tǒng)都得到了廣泛的應(yīng)用，其中感應(yīng)門禁系統(tǒng)的使用最為普遍。隨著最新的芯片、天線、無線收發(fā)、數(shù)據(jù)變換編碼、電磁傳輸?shù)燃夹g(shù)的不斷發(fā)展，尤其是電腦的廣泛使用，門禁系統(tǒng)的安全性已經(jīng)取得了顯著的改善，并且正在迅速走向更高級(jí)、更具智慧的境界。在國(guó)內(nèi)，智能門禁系統(tǒng)的研究和應(yīng)用發(fā)展較為迅速。目前已經(jīng)有多種技術(shù)在門禁系統(tǒng)中應(yīng)用。例如，人臉識(shí)別技術(shù)、指紋識(shí)別技術(shù)、聲音識(shí)別技術(shù)和虹膜識(shí)別技術(shù)等，這些技術(shù)依靠各自的特點(diǎn)，可以在不同場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)門禁的身份驗(yàn)證。此外，近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們開始探索智能門禁與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，開發(fā)了基于云計(jì)算的門禁系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在線遠(yuǎn)程控制、安全監(jiān)控等功能，更適合于現(xiàn)代城市安保需要。當(dāng)前，智能門禁系統(tǒng)的研究已經(jīng)從最初的理解和實(shí)踐階段轉(zhuǎn)變?yōu)榱烁由钊氲腞&D階段。盡管已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但在智能門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和R&D方面仍然存在挑戰(zhàn)，比如如何充分利用國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，并將其融入本土的設(shè)計(jì)中，以提升系統(tǒng)的性能和可靠性；采用最先進(jìn)的集成技術(shù)，如門禁控制器、識(shí)別和讀卡模塊，可以大大提高安全管理的效率和準(zhǔn)確性，從而實(shí)現(xiàn)更加安全可靠的管理。在國(guó)外，智能門禁系統(tǒng)研究始于20世紀(jì)80年代，主要針對(duì)門禁控制技術(shù)的應(yīng)用。隨著智能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，研究者們開始探討智能門禁系統(tǒng)的更多應(yīng)用場(chǎng)景和更加智能化的方案。例如，美國(guó)西北大學(xué)研究了基于人臉識(shí)別的智能門禁系統(tǒng)，提出了一種基于統(tǒng)計(jì)模型的人臉識(shí)別算法，可以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的人臉識(shí)別。英國(guó)的雷丁大學(xué)研究了門禁系統(tǒng)的多模態(tài)身份驗(yàn)證方法，將人臉識(shí)別、指紋識(shí)別和聲音識(shí)別等技術(shù)結(jié)合使用，提高了身份驗(yàn)證的準(zhǔn)確率與安全性。隨著深度學(xué)習(xí)算法的飛速發(fā)展，人臉識(shí)別技術(shù)已經(jīng)取得了顯著的成就，但是，這一領(lǐng)域依然充滿著許多未知的挑戰(zhàn)，需要我們持之以恒地探索和攻克。這其中包括如下三個(gè)維度。人臉可能會(huì)被各種視角的障礙物所掩蓋。由于成像角度的變化，圖像中的人物可能會(huì)出現(xiàn)側(cè)臉或旋轉(zhuǎn)等情況。人有不同的皮膚顏色。影像對(duì)環(huán)境的要求不一樣。第2章系統(tǒng)分析2.1可行性分析通過可行性分析，我們可以深入了解應(yīng)用項(xiàng)目的市場(chǎng)需求、產(chǎn)品來源、機(jī)器狀況、影響因素以及可能帶來的收益。通過對(duì)未來的社會(huì)影響、收益性等進(jìn)行全面評(píng)估，我們可以更好地判斷該項(xiàng)目的價(jià)值，并制定更加科學(xué)的實(shí)施方案，從而更好地指導(dǎo)項(xiàng)目的決策。在進(jìn)行可行性分析時(shí)，應(yīng)注重預(yù)測(cè)能力、公正性、可靠性以及科學(xué)性。系統(tǒng)，開發(fā)者能夠獨(dú)自完成所有的開發(fā)需求，硬件上要擁有安裝了相應(yīng)開發(fā)軟件的電腦一臺(tái)即可，不用消耗太多的資源。因此經(jīng)濟(jì)上是完全可行的。從個(gè)人角度進(jìn)行分析，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，本人就已經(jīng)對(duì)所需要的技術(shù)等進(jìn)行了學(xué)習(xí)，并完成了各種開發(fā)工具以及硬件設(shè)備的準(zhǔn)備。綜合來講，對(duì)于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的時(shí)間安排是非常合理的。系統(tǒng)具備大方簡(jiǎn)潔的頁(yè)面，使用起來更加便利，容易維護(hù)、操作簡(jiǎn)單，而且運(yùn)算速度快，識(shí)別效果好，而且使用此系統(tǒng)可以大大解決民眾是否佩戴口罩等一些列問題。綜上所述，本系統(tǒng)的開發(fā)具備操作可行性。2.2系統(tǒng)需求分析我們探討了如何有效地預(yù)處理輸入圖像，以及如何提高模型的學(xué)習(xí)效果，并且根據(jù)批量數(shù)據(jù)的不同，實(shí)現(xiàn)了對(duì)口罩佩戴的有效訓(xùn)練。通過引入一種新型的口罩佩戴檢測(cè)器，我們可以有效地解決小目標(biāo)和側(cè)面戴口罩人臉漏檢的問題，從而提高效率。這個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)目標(biāo)的快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)。采用多種技術(shù)，如拍攝照片和分析視頻，以檢測(cè)出是否存在未佩戴口罩的人，并將其追蹤到指定的位置。在疫情防控期間，我們強(qiáng)烈建議現(xiàn)場(chǎng)人員佩戴口罩，以提升安全性。在系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)上，應(yīng)該做到簡(jiǎn)單和容易操作、布局明了簡(jiǎn)潔，重點(diǎn)突出重要的信息。檢測(cè)界面應(yīng)當(dāng)做到可靠、簡(jiǎn)單、易懂、易使用。在正常使用時(shí)不出錯(cuò)誤，對(duì)于檢測(cè)錯(cuò)誤的訪問路徑或是其他錯(cuò)誤方式給出相應(yīng)的頁(yè)面提示錯(cuò)誤信息，即時(shí)反饋檢測(cè)的結(jié)果。利用智能視頻分析技術(shù)，智能門禁檢測(cè)系統(tǒng)可以自動(dòng)識(shí)別出人群密集的公共場(chǎng)所，無需人工介入，一旦發(fā)現(xiàn)有人未佩戴口罩，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出警報(bào)，有效地協(xié)助管理人員采取行動(dòng)，大大減少了誤報(bào)和漏報(bào)的情況，從而降低了人力監(jiān)管的成本。界面簡(jiǎn)潔方便，降低操作難度，需要有效的分析并辨別畫面中的人臉是否佩戴口罩，并應(yīng)對(duì)多種場(chǎng)景，多種角度進(jìn)行辨別，使檢測(cè)結(jié)果明確易懂的顯示在界面上。第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)整體硬件架構(gòu)疫情防疫檢測(cè)智能門禁系統(tǒng)的主要以PC和STM32為主控核心，首先是由PC端連接WiFi熱點(diǎn)然后上位機(jī)的主控程序打開PC端攝像頭實(shí)行實(shí)時(shí)檢測(cè)再通過其WiFi模塊將實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果傳輸?shù)轿覀兊腟TM32模塊中進(jìn)行處理，將檢測(cè)結(jié)果通過OLED進(jìn)行顯示，最終蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。圖3-1系統(tǒng)整體架構(gòu)3.2硬件選型3.2.1STM32F103主控STM32F103主控本設(shè)計(jì)的主現(xiàn)對(duì)WiFi模塊的控制，從而完成網(wǎng)絡(luò)通信。為此本設(shè)計(jì)需要控芯片要求實(shí)性能比較高、且具備強(qiáng)干擾能力的單片機(jī)作為主控芯片。經(jīng)過精心比較和深入分析，我們最終決定采用意法半導(dǎo)體公司推出的STM32F103RCT6微控制器來構(gòu)建本系統(tǒng)的核心部件。該款微控制器具有低功耗、高性能等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于本設(shè)計(jì)所需。[1]同時(shí)，該款微控制器還支持多種通信協(xié)議，包括I2C、UART、PWM等，方便與其他外設(shè)進(jìn)行連接與數(shù)據(jù)交換。此外，該款微控制器還擁有豐富的接口資源，可以滿足不同硬件平臺(tái)的需求。在軟件方面，我們采用Keil5開發(fā)環(huán)境來編寫程序代碼。該開發(fā)環(huán)境是一種開源的集成開發(fā)環(huán)境，提供了各種庫(kù)函數(shù)供用戶使用，并且提供了調(diào)試工具以及在線幫助文檔，大大提高了開發(fā)效率。通過以上介紹，已經(jīng)初步了解了本設(shè)計(jì)的主控芯片選型過程及相關(guān)技術(shù)原理。圖3-2STM32F103主控芯片3.2.2無線通信模塊選型采用ESP8266-01作為無線通信模塊，可以實(shí)現(xiàn)極低的能耗，并且可以實(shí)現(xiàn)UART-WiFi的連接。該模塊具有兩種模式：STA路由器與互聯(lián)網(wǎng)的連接、AP熱點(diǎn)與LAN的連接，并且具有串口通信、PWM調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程控制開關(guān)等多種功能，為各種應(yīng)用場(chǎng)景提供了更加完善的解決方案?；贓SP8266-01S無線通信模塊，我們對(duì)PCB天線進(jìn)行了全面優(yōu)化，大大提升了用戶的體驗(yàn)，使得用戶能夠更加便捷地使用該模塊。經(jīng)過優(yōu)化的ESP8266-01S內(nèi)部電路，根據(jù)官方提供的模組選型表，將指示燈的管腳從原有的TXD0改為GPIO2，大大提升了系統(tǒng)的性能和可靠性，使其更加穩(wěn)定可靠；為了提升ESP-01S模塊的性能，我們?cè)谄銲O0、RST和EN管腳上增加了一個(gè)上拉電阻，以實(shí)現(xiàn)更高的可靠性和穩(wěn)定性。ESP-01S的應(yīng)用程序大大減少了兩個(gè)上拉電阻，使得它成為一種理想的替代品，可以有效地取代ESP-01。對(duì)兩個(gè)方案比較分析可知：ESP8266-01無線通信模塊如果同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的話有較大的概率會(huì)連接中斷而掉線，不夠穩(wěn)定，而ESP8266-01S無線通信模塊經(jīng)過了改進(jìn)，比較穩(wěn)定，不容易掉線，所以選擇方案二ESP8266-01S作為無線通信模塊。ESP8266-01S無線通信模塊如下圖所示。圖3-3ESP8266無線通信模塊3.3硬件接口電路設(shè)計(jì)3.3.1硬件接口分配及硬件原理智能疫情口罩檢測(cè)提醒系統(tǒng)設(shè)計(jì)用到STM32F103RCT6接口如下：USB電源輸入接VCC和GND，根據(jù)功能需求分配IO引腳，如表3.1所示。模塊IO口單片機(jī)資源電源VCC、GND電源輸入顯示屏模塊PA8、PA9、PB10、PB11、PB12、PB13SPI蜂鳴器模塊PB6IO無線通信模塊PA2、PA3USART2表3.1系統(tǒng)IO口及資源分配表3.3.2顯示屏模塊選型采用TFT-LCD技術(shù)的方案一，其特性在于采用薄膜晶體管技術(shù)，通過半導(dǎo)體開關(guān)對(duì)每一個(gè)像素進(jìn)行控制，但是功耗率相比較而言高。OLED有機(jī)LED，也被稱為有機(jī)激光顯示，是一種新型的技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)自發(fā)光，不需要外部光源，擁有極佳的對(duì)比度，較薄的厚度，寬的視野，以及極快的反應(yīng)速度。OLED具有更低的功耗，因此更適合用于小型系統(tǒng)。經(jīng)過方案一和方案二的對(duì)比與思考，本設(shè)計(jì)選擇方案二的1.44寸TFT-LCD液晶顯示屏作為疫情門禁檢測(cè)系統(tǒng)的顯示模塊。1.44寸TFT-LCD液晶顯示屏如下圖3-4所示。圖3-41.44寸TFT-LCD液晶顯示屏3.3.3ESP8266模塊這款全新的嵌入式WIFI模塊擁有精致的外觀，搭載UART接口，滿足IEE802.11協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，還擁有TCP/IP協(xié)議棧，讓傳統(tǒng)的串口設(shè)備能夠輕松地實(shí)現(xiàn)wifi連接，無需繁瑣的配置即可實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。ESP8266已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，從智能電網(wǎng)到智能交通，從智能家居到手持設(shè)備，甚至是工業(yè)控制。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，我們將單片機(jī)的WIFI模塊作為AP模式，以便讓更多的設(shè)備能夠訪問和通信。這樣，我們就不需要再讓上位機(jī)連接到這個(gè)模塊，就可以直接訪問和通信了。圖3-5WIFI模塊電路圖該模塊默認(rèn)波特率115200，管腳定義如下：1VCC電源（3.3v~5v）2GND電源地3TXD模塊的串口發(fā)射端可以接入RS232電平，也可以接入單片機(jī)的RXD電平，以實(shí)現(xiàn)更高效的通信功能。4RXD模塊的串口接收端可以與TTL或TXD電平進(jìn)行連接，但是它們之間的通信不能通過RS232電平實(shí)現(xiàn)。5RST復(fù)位（低電平有效）6IO-0可以被用來激活固件燒寫模式，當(dāng)電平較低時(shí)，它會(huì)自動(dòng)進(jìn)入燒寫狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)高效率的編程；當(dāng)電平升高時(shí)，5.3.4TFTLCD模塊將自動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行模式，這是它的一大特性。TFTLCD是一種先進(jìn)的薄膜晶體管液晶顯示器，它擁有出色的分辨率和清晰的亮度。相比于傳統(tǒng)的無源TN-LCD和STN-LCD，新型液晶顯示屏采用了薄膜晶體管（TFT）技術(shù)，這種技術(shù)不僅可以有效抑制噪音，而且還能夠極大地提升顯示屏的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)，使其能夠更加精準(zhǔn)地捕捉細(xì)微的信息，從而大大提升圖像的清晰度和可視角度。TFTLCD顯示出出眾的亮度、清晰的對(duì)比度、豐富的層次感和明快的顏色。LCD顯示器是目前最流行的技術(shù)之一。這個(gè)技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到了許多不同的電子設(shè)備上。圖3-6TFTLCD模塊電路圖TFTLCD模塊電路圖具有如下一些信號(hào)線：CS：TFTLCD片選信號(hào)WR：向TFTLCD寫入數(shù)據(jù)RD：從TFTLCD讀取數(shù)據(jù)D[15：0]：16位雙向數(shù)據(jù)線RST：將TFTLCD硬件復(fù)位，并將其與stm32的復(fù)位端口相連，以實(shí)現(xiàn)快速重置功能。RS：使用數(shù)據(jù)標(biāo)志（0）來進(jìn)行讀寫操作；1，讀取和寫入）2、ILI9341控制器ILI9341控制器是一種TFTLCD的驅(qū)動(dòng)器，它可以以RGB565格式存儲(chǔ)顏色信息，其中16位的信息分別由藍(lán)、綠、紅五種顏色組成，其中，16位的信息越多，顏色就會(huì)越深。所有指令都被設(shè)置為8位，只有在讀取和寫入GRAM時(shí)才會(huì)改變這個(gè)值，其他時(shí)候都保持在8位。3、TFTLCD的使用流程圖3-7TFTLCD流程圖4、用TFTLCD顯示字符和數(shù)字首先，設(shè)置STM32F1與TFTLCD模塊相連接的I/O，用到的是FSMC.然后，初始化TFTLCD模塊最終，我們可以利用函數(shù)來將文本和數(shù)值轉(zhuǎn)換成TFTLCD模型的形式，而不僅僅是按照?qǐng)D片中的流程進(jìn)行。為了實(shí)現(xiàn)更多的轉(zhuǎn)換，我們需要多次執(zhí)行這一步驟。3.3.5蜂鳴器模塊蜂鳴器具備多種功能，既能夠通過直流電源發(fā)出聲音，也能夠被廣泛地應(yīng)用于各種電子設(shè)備，從而滿足不同的使用需求。不論是電腦、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、游戲機(jī)、汽車配件、TEL還是定時(shí)器，它們都能夠通過蜂鳴器來發(fā)出信號(hào)。蜂鳴器是一種多種類型的器件，包括壓電式和電磁式。每種都有其獨(dú)特的用途。它是一種具有獨(dú)特驅(qū)動(dòng)電路的裝置，它能夠通過接收來自外界的信號(hào)來激活內(nèi)部的線圈，并通過這些信號(hào)來產(chǎn)生聲音。這里驅(qū)動(dòng)蜂鳴器使用的是有源蜂鳴器，雖然驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜了一點(diǎn)，但是程序控制比較簡(jiǎn)單，只需要給IO口高低電平，就可以控制蜂鳴器響或者不響。圖3-8蜂鳴器電路圖3.3.6攝像頭模塊AKT-OV2640采用OmniVision公司最先進(jìn)的CMOSUXGA（1632*1232）圖像傳感器，不僅能夠提供卓越的拍攝質(zhì)量，而且具備卓越的穩(wěn)定性，能夠?yàn)橛脩魩順O致的視覺沖擊，使得拍攝體驗(yàn)變得更加完美。該傳感器尺寸緊湊，電壓較低，并且能夠滿足UXGA攝像頭和影像處理器的各種需求。通過使用SCCB總線，我們可以生成各種不同分辨率的8/10位圖像，包括全局、子幀、縮放和取窗口等，從而滿足用戶的需求。該產(chǎn)品UXGA圖像最高達(dá)到15幀/秒（SVGA可達(dá)30幀，CIF可達(dá)60幀）。通過采用我們的先進(jìn)技術(shù)，您將能夠獲得更高質(zhì)量的圖像，擁有更加靈活的數(shù)據(jù)格式，并且大大提高信息傳輸?shù)男?。SCCB接口提供了多種多樣的圖像處理功能，包括伽馬射線、調(diào)節(jié)亮度和調(diào)整顏色，滿足不同需求。OmmiVision圖像傳感器擁有出眾的性能，它不僅能夠有效抑制光學(xué)和電子缺陷，比如固定圖案噪聲、拖尾和浮散，還能夠顯著改善圖像的質(zhì)量，讓圖片變得更加清晰、穩(wěn)定，甚至可以進(jìn)行更為復(fù)雜的圖像處理，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)數(shù)碼相機(jī)的技術(shù)水平。這款先進(jìn)的成像處理器已經(jīng)變得非常重要，因?yàn)橄鄼C(jī)手機(jī)繼續(xù)從一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)備發(fā)展到一個(gè)成熟的數(shù)碼機(jī)。圖3-9攝像頭模塊3.3.7消毒模塊消毒模塊采用1路5V繼電器模塊來控制水泵，模塊的接口:（1）通過改變繼電器的參數(shù)，其輸出電壓可以從5V、9V、12V和24V多種選擇，從而滿足各種復(fù)雜的使用環(huán)境。(2)DC-：接電源負(fù)極（3）IN：通過調(diào)節(jié)電壓，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的高低頻調(diào)節(jié)。圖3-10繼電器模塊圖3-11消毒模塊電路圖第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)整體模塊設(shè)計(jì)4.1.1OpenCV圖像庫(kù)OpenCV是一個(gè)由因特爾發(fā)起的開放平臺(tái)，旨在通過C/C++技術(shù)，為用戶帶來一種前所未有的視覺感受。通過開發(fā)大量圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺算法，我們實(shí)現(xiàn)了令人驚嘆的成果。從OpenCV3開始，開發(fā)團(tuán)隊(duì)開始全面采用C++語言，以取代之前使用的C語言，并且提供了更加靈活的接口，以滿足不同的需求。4.1.2系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)圖4-1整體流程框圖4.1.3TensorFlow深度學(xué)習(xí)開發(fā)框架TensorFlow是一種具有深遠(yuǎn)影響的數(shù)學(xué)框架，其基于數(shù)據(jù)流編程技術(shù)，能夠有效地支持復(fù)雜的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，在當(dāng)今的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)中扮演著不可替代的角色。4.2開發(fā)環(huán)境與工具概述4.2.1開發(fā)工具概述PyCharm是一款廣受好評(píng)的PythonIDE編程工具，由知名的軟件公司JetBrains推出。本項(xiàng)目使用的是免費(fèi)的社區(qū)版本，足以完成整個(gè)項(xiàng)目前端圖形用戶界面的開發(fā)。4.2.2硬件環(huán)境概述這臺(tái)ThinkPad筆記本擁有一顆雙核四線程處理器，主頻高達(dá)2.5GHz，可以滿足多種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。開發(fā)系統(tǒng)平臺(tái)為Windows10x64位操作系統(tǒng)。4.3實(shí)現(xiàn)過程及效果4.3.1模型訓(xùn)練1、數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)備：本文所收集的圖片數(shù)據(jù)集由網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)組成，總共包含8535張圖片，其中有一些圖片沒有被使用，但仍然包含了一些重要的信息。戴口罩的數(shù)據(jù)圖(with_mask):2978個(gè)；未戴口罩的數(shù)據(jù)圖(without_mask):2995個(gè)；帶了口罩但是姿勢(shì)不正確的數(shù)據(jù)圖(mask_weared_incorrect):2994個(gè)。所有圖片均是由人臉識(shí)別模式切割出，每個(gè)圖都只包含小部分圖像，這也使得訓(xùn)練的準(zhǔn)確性有極大的提高，有的圖片還進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)操作實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)增強(qiáng)。下圖4-2是我截圖的部分?jǐn)?shù)據(jù)集（包含了正確佩戴口罩、未佩戴口罩和未正確佩戴口罩三部分的數(shù)據(jù)圖片）。圖4-2數(shù)據(jù)集2、數(shù)據(jù)集訓(xùn)練在準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)圖集之后自然是需要進(jìn)行訓(xùn)練了，對(duì)于每一張圖片畫出區(qū)域的賞本文使用了一款開源的標(biāo)注工具labeling，非常的簡(jiǎn)便、高效。運(yùn)行指定的數(shù)據(jù)集文件夾實(shí)現(xiàn)標(biāo)注，人工標(biāo)注圖片集，將整張臉作為目標(biāo)框標(biāo)注出它的位置，如圖4-3，然后將相應(yīng)的數(shù)據(jù)寫入到相應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)簽。圖4-3標(biāo)注圖片集當(dāng)完成數(shù)據(jù)集標(biāo)注后，每張圖片所對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽文件會(huì)自動(dòng)保存到指定的文件夾，如圖4-4，其中每一行開頭的數(shù)字0和1代表著待檢測(cè)的目標(biāo)類別“with_mask”與“without_mask”，即已佩戴口罩或未佩戴。每行后續(xù)四個(gè)數(shù)字是該目標(biāo)樣本在本張圖片中的位置坐標(biāo)。圖4-4標(biāo)簽文件圖本次制作的目標(biāo)檢測(cè)的數(shù)據(jù)集是由8535張訓(xùn)練集、驗(yàn)證集圖片組成，模型的損失函數(shù)值還是很快地收斂開始無限接近于0，在訓(xùn)練執(zhí)行到第35輪時(shí)模型準(zhǔn)確率接近于90%。隨著訓(xùn)練時(shí)間的增加，模型的準(zhǔn)確度和召回率都有顯著的提升，如圖4-5。圖4-5準(zhǔn)確召回率使用下圖4-6這兩個(gè)函數(shù)繪制訓(xùn)練的loss（圖4-7）和accuracy（圖4-8）曲線，由圖可知正確率達(dá)到了97%左右。 圖4-6部分函數(shù)圖4-7loss曲線圖4-8accuracy曲線將圖片輸入到模型中，會(huì)得到如圖4-9的結(jié)果，圖中信息包含IOU和confidence。計(jì)算召回率和精確率需要準(zhǔn)備原始圖片的位置和類別信息，即xml文件。圖4-9輸出模型3.3.2口罩模型測(cè)試與檢測(cè)接下來展示一下模型在多種不同的情景下的檢測(cè)效果究竟怎么樣，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)我用了紅框表示未正確佩戴口罩，綠框表示正確佩戴口罩，并且會(huì)顯示正確率\錯(cuò)誤率，效果檢測(cè)圖如圖4-10。圖4-10檢測(cè)效果圖（1）夜景暗度正常情況下（見圖4-11）：得出的測(cè)試值為，完全戴好口罩時(shí)的數(shù)據(jù)測(cè)出為綠框佩戴正確率0.97，口罩戴一半時(shí)遮住嘴巴沒有遮住鼻子時(shí)紅框錯(cuò)誤率0.97，口罩放于下巴處沒戴好口罩紅框錯(cuò)誤率0.99，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，效果出奇的好，符合預(yù)期。圖4-11夜景暗度正常測(cè)試（3）背光情況下（見圖4-12）：對(duì)于完全戴好口罩時(shí)的數(shù)據(jù)測(cè)出為綠框1.00，口罩戴一半時(shí)遮住嘴巴沒有遮住鼻子時(shí)綠框正確率錯(cuò)誤率1.00，口罩放于下巴處沒戴好口罩紅框錯(cuò)誤率1.00，檢測(cè)結(jié)果有一個(gè)不準(zhǔn)確，在高度背光的時(shí)候?qū)τ谡诹艘话氲那闆r效果不好，系統(tǒng)誤判了，原因分析是此類樣本數(shù)不夠，之后需要在這個(gè)情況下進(jìn)行改進(jìn)和升級(jí)。圖4-12背光測(cè)試（4）夜景過暗的情況下（見圖4-13）：對(duì)應(yīng)的測(cè)試結(jié)果為完全戴好口罩時(shí)的數(shù)據(jù)測(cè)出為綠框正確率0.9，口罩只戴一半時(shí)遮住嘴巴沒有遮住鼻子時(shí)紅框錯(cuò)誤率0.56，口罩放于下巴處沒戴好口罩紅框錯(cuò)誤率0.91，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，符合預(yù)期。圖4-13夜景過暗測(cè)試（5）高亮的情況下（見圖4-14）：對(duì)應(yīng)的測(cè)試結(jié)果為完全戴好口罩時(shí)的數(shù)據(jù)測(cè)出為綠框正確率1.00，口罩戴一半時(shí)遮住嘴巴沒有遮住鼻子時(shí)綠框1.00【為錯(cuò)誤的判斷】，口罩放于下巴處沒戴好口罩紅框錯(cuò)誤率1.00，檢測(cè)結(jié)果在高亮情況下未正確的佩戴口罩時(shí)結(jié)果是不準(zhǔn)確的，不符合預(yù)期。正常佩戴口罩和未佩戴口罩的識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確無誤，符合預(yù)期效果。圖4-14高亮測(cè)試（6）對(duì)于正常光線情況下（見圖4-15）:口罩正確佩戴+手不完全遮擋，系統(tǒng)誤將手的皮膚判斷為臉的皮膚，產(chǎn)生了誤判，為紅框1.00，認(rèn)為是沒有正確佩戴口罩，未達(dá)到預(yù)期；未佩戴口罩+手不完全遮擋，紅框錯(cuò)誤率1.00，識(shí)別準(zhǔn)確，達(dá)到預(yù)定效果；未佩戴口罩+手完全不規(guī)則遮擋，誤判認(rèn)為戴了口罩綠框1.00，分析情況認(rèn)為是手部遮擋方式和口罩遮擋方式相似，被系統(tǒng)誤判；正確佩戴口罩+沒有遮擋，綠框正確率1.00，識(shí)別準(zhǔn)確，達(dá)到效果。圖4-15正常光線測(cè)試通過上面對(duì)于曝光，過度曝光，正常，夜景，過黑等多個(gè)圖像的測(cè)試結(jié)果看，整個(gè)系統(tǒng)的整體效果已經(jīng)非常的不錯(cuò)了，除了幾個(gè)比較特殊的情況，那就是在背景高量和逆光場(chǎng)景下未完全正確佩戴口罩會(huì)出現(xiàn)誤判的結(jié)果，并且在手部背面完全遮擋和正面不完全遮擋時(shí)也有出現(xiàn)誤判的情況。進(jìn)行了問題分析和猜想，是由于逆光和背光場(chǎng)景的半遮擋數(shù)據(jù)集較少，以至于模型效果還不夠好，還有就是這個(gè)情況下的挑戰(zhàn)其實(shí)是很大的，背景和人臉亮度會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生極大的影響。但是由于目前時(shí)間比較匆忙，以及這樣的數(shù)據(jù)確實(shí)太少了，網(wǎng)絡(luò)和生活中很少有，所以后期會(huì)自己多去收集這方面的圖片，以便于在之后有時(shí)間的時(shí)候去再訓(xùn)練更新一下模型，看能否解決這個(gè)問題。對(duì)于第二個(gè)手部遮擋誤判的問題，我認(rèn)為和前一個(gè)問題一樣，也需要增加更多的相關(guān)數(shù)據(jù)，提升模型的效果，并且去繼續(xù)嘗試一些其他的算法看有沒有更優(yōu)解。對(duì)于其他的情況無論是黑暗的情況還是正常的遮擋和多個(gè)小目標(biāo)的識(shí)別效果都十分的出色了，滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。第5章系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果5.1上電給系統(tǒng)插入電壓為5V的電源，此時(shí)還未連接WiFi，屏幕右下方顯示為DisConnect。圖5-1系統(tǒng)上電5.2連接WiFi等待30秒，再用筆記本連接名為DanChenBS_FaceMask的WiFi，密碼：12345678圖5-2連接系統(tǒng)WIFI5.3打開上位機(jī)打開上位機(jī)，運(yùn)行上位機(jī)。運(yùn)行結(jié)果顯示為以下頁(yè)面，頁(yè)面內(nèi)有服務(wù)器IP和端口，有連接按鈕以及口罩識(shí)別實(shí)時(shí)按鈕。圖5-3上位機(jī)連接顯示5.4連接WiFi的下位機(jī)點(diǎn)擊連接按鈕，等待10秒下位機(jī)屏幕右下方顯示為connect圖5-4下位機(jī)連接顯示5.5系統(tǒng)檢測(cè)的過程連接成功后，點(diǎn)擊口罩檢測(cè)實(shí)時(shí)按鈕，當(dāng)正確佩戴口罩的目標(biāo)人物出現(xiàn)在攝像頭中時(shí)，上位機(jī)會(huì)顯示綠框表示正常，下位機(jī)則會(huì)在屏幕中顯示防控正常運(yùn)行中的字樣，繼電器綠燈不亮，消毒裝置不響應(yīng)。上位機(jī)的檢測(cè)結(jié)果如下：圖5-5上位機(jī)檢測(cè)結(jié)果（正常）下位機(jī)的檢測(cè)結(jié)果如下：圖5-6下位機(jī)檢測(cè)結(jié)果（正常）消毒裝置檢測(cè)結(jié)果如下：圖5-7繼電器狀態(tài)圖如未佩戴口罩的目標(biāo)人物出現(xiàn)在攝像頭內(nèi)時(shí)，上位機(jī)會(huì)顯示紅框異常，下位機(jī)屏幕會(huì)顯示發(fā)現(xiàn)有人未戴口罩,隨著蜂鳴器發(fā)出警報(bào),繼電器綠燈亮起，消毒裝置啟動(dòng)。上位機(jī)檢測(cè)結(jié)果如下：圖5-8上位機(jī)檢測(cè)結(jié)果(異常)下位機(jī)檢測(cè)結(jié)果如下：圖5-9下位機(jī)檢測(cè)結(jié)果（異常）消毒裝置檢測(cè)結(jié)果如下：圖5-10繼電器狀態(tài)圖本章小結(jié)本章節(jié)就測(cè)試展開了論述，主要闡明了測(cè)試的意義和目的。從測(cè)試的結(jié)果上來看，基本上達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果，系統(tǒng)基本的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是吻合的。不同的測(cè)試類型需要不同的測(cè)試方法，這里分為輸入數(shù)據(jù)和點(diǎn)擊數(shù)據(jù)，并且需要設(shè)置不同的測(cè)試條件來檢查功能的完整性和缺陷所在，若實(shí)際的測(cè)試結(jié)果滿足預(yù)期測(cè)試結(jié)果，那么該功能就是符合要求的。

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