面向防疫与环保的智慧社区平台的设计与实现

管赛晖 包浚杞 谢玲 刘红英

（南京理工大学紫金学院计算机学院 江苏省南京市 210023）

1 引言

为了保障公共区域人员的健康，门禁系统需要带有测温功能，在放行前需要精准的测出通行人员的体温，对于体温异常的人员有预警，通知后台进行处理。随着科技的不断发展，智能社区已经在目前的市面上得到了大范围的使用。有了科技助力的监控系统，能够让小区形成完整的智能防护体系。

2 系统总体方案

2.1 功能分析

2.1.1 无接触式人脸识别门禁系统

无接触式人脸识别门禁系统可以独立完成用户的认证，通过人脸识别或读IC 卡号，快速准确识别用户身份并放行，业主也可以在前端APP申请二维码数据发送给访客、访客出示二维码即可进入，其特色功能为实现无接触体温监测，也可以检测人体接近，自动启动身份识别，在没有用户需要验证时停止身份识别。无接触式人脸识别门禁系统能够与服务器交互，完成IC 卡信息的验证、二维码信息的验证、获取当前的防疫等级、上报进门用户体温等功能，方便社区管理人员快速掌握人员流动情况。本系统的完整功能流程如图1 所示。

2.1.2 智能垃圾分类体系

智能垃圾分类体系下的分类垃圾桶当监测到人体靠近的时候，树莓派控制人脸识别和门禁卡识别两个子线程启动，用户可以任选一种方式识别身份。

当用户身份识别成功后，树莓派向服务器发送请求查询用户的userId 并根据userId 查询用户当前的环保积分。环保积分会通过LCD 显示器显示在垃圾桶上。

接着，用户将分类垃圾袋放在摄像头前，树莓派调用颜色识别功能，确定垃圾袋所对应的垃圾类型。树莓派向服务器请求当前分类垃圾桶的剩余量，若垃圾桶剩余量大于10%，树莓派控制舵机打开垃圾桶盖。若剩余量不足，则垃圾桶不会开盖，并通过LCD 提示用户垃圾桶已满。

当用户成功投递垃圾后，树莓派控制舵机关闭垃圾桶盖并计算现在的垃圾桶剩余量。最后向服务器发起请求，更新垃圾桶剩余量、垃圾桶投递记录和用户的积分。本系统的完整功能流程如图2 所示。

3 硬件设计

3.1 无接触式人脸识别门禁系统

3.1.1 硬件平台——树莓派

本系统采用的是树莓派4B，CPU 是ARMCortex-A72，主频达到1.5GHz，拥有2GB LPDDR4 内存、两个USB2.0、两个USB3.0接口、一个千兆以太网和两路micro HDMI 输出。

树莓派支持很多的操作系统，本系统使用的是Raspbian，他是Debian 操作系统在ARM 的编译版。作为官方推荐的操作系统，Raspbian 拥有深度定制的软件程序和硬件驱动，能满足相当一部分的开发需求。树莓派的板载接口如图3 所示。

图1：防疫门禁系统结构图

图2：智能分类垃圾桶结构图

3.1.2 RFID-RC522

图3：树莓派的板载接口

图4：RFID-RC522 模块

图5：HC-SR04

图6：HC-SR501 模块

图7：NEO-6M 模块

图8：LCD1602 模块

图9：防疫门禁系统软件设计

图10：智能垃圾桶软件设计

本系统选用RFID-RC522 作为IC 卡读取模块，用于读取业主IC 卡密，完成用户身份信息的验证。该模块使用了来自飞利浦(Philips)的Mifare 非接触读卡芯片——MFRC522。该芯片拥有优良的性能和极高的性价比，具有丰富的接口，能应用于13.56MHz 非接触通信，且完全支持ISO14443A 协议。RFID-RC522 模块如图4所示。

3.1.3 HC-SR04

HC-SR04是一款被广泛应用的超声波传感器。该模块比较成熟，性能稳定，能较精准的测量距离。在很多领域都有广泛的应用。如图5 所示。

该模块有四个引脚，除去VCC 和GND，Trig 为信号触发脚，在控制芯片发送10us 以上的高电平时，模块就会开始工作，在得到数据后，会在Echo 引脚得到一个长度与测量结果成正比的高电平。只需两个引脚并且操作简单，因此本系统选用此模块，用于人体接近检测。

图11：服务器的数据库

3.1.4 GY-614V3DCC

GY-614V3DCC 是一款非接触式红外测温传感器。非接触式红外测温也叫辐射测温，一般使用热电型或光电探测器作为检测元件。此温度测量系统比较简单，可以实现大面积的测温，也可以是被测物体上某一点的温度测量。它的制造工艺简单，成本较低，测温时不接触被测物体，具有响应时间短、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点， 但利用红外辐射测量温度，也必然受到物体发射率、测温距离、烟尘和水蒸气等外界因素的影响，其测量误差较大。

该模块支持3V-5V 的工作电压，供电电流仅为7mA，且支持串口和i2c 两种通信接口。

3.2 智能垃圾分类体系

3.2.1 人体红外感应技术

人体的温度一般恒定在37℃，因此会辐射出红外线，这种红外线的波长在10um 左右。热释电红外传感器可以用于探测这种红外线。本课题采用HC-SR501 模块。当模块通电后，该模块会在前方产生一个感应区域，当有人体从该感应区域路过时，DOUT 引脚会发出一段高电平。树莓派可以通过监测DOUT 引脚的电平状态，判断是否有人体。图6 为HC-SR501 模块。

3.2.2 GPS 定位技术

GPS 系统，英文名为Global Positioning System，是一种以人造卫星为基础的高精度定位系统，它可以提供准确的地理位置。本课题采用NEO-6MGPS 模块。NEO-6M 是一款具有高灵敏度，低功耗的定位模块。NEO-6M 在任何地理环境下都能提供较高精度的定位信息。图7 为NEO-6M 模块。

3.2.3 LCD 显示

本课题采用LCD1602A 模块，它是广泛使用的一种字符型液晶显示模块[8]。它的主控芯片一般是HD44780。它由5×7 或5×11 点矩阵位置组成；每个位置可以显示一个字符。两个字符之间有一个点距，行之间有一个空格，从而将字符和行分隔开。型号1602 表示它显示2 行，每行可显示16 个字符。图8 为LCD1602 模块。

3.2.4 舵机驱动

本课题采用PCA9685模块和SG90舵机，它是一种精度为12位，使用I2C 总线控制16 路PWM 输出的芯片。当单片机需要同时控制多台舵机，但引脚资源有限时，使用PCA9685 驱动舵机可以实现拓展使用多个舵机、节省单片机IO 口资源的目的。

SG90 是一种角度伺服的驱动器，根据控制信号的变化，伺服驱动器控制其角度的变化。常见的有0-180°、0-360°。SG90 舵机性能高，价格低廉，使用方便，因此它可以很好的实现本课题所需要的驱动功能。

4 软件设计

4.1 无接触式人脸识别门禁系统

因为树莓派对Python 开发比较友好，所以本系统使用Python编程。

在Python 编程的树莓派中，可以直接控制IO 资源，因此可以实现对HC-SR04（超声波模块）的操作。通过SPI 协议可以控制RFID-RC555（RFID 模块），通过UART 可以控制GY-614V4DCC（红外测温模块）。相机则是通过SCI 接口直接与树莓派通信，这在Raspbian 系统中已经优化，使用比较便捷。相机模块在系统中比较重要，人脸识别和二维码检测功能都依赖于相机采集到的图像信息。

有关于防疫功能，在本系统中，会根据防疫等级的设定执行不同程度的门禁制度。防疫等级分为三级：严格、宽松、关闭。在疫情策略严格时，本系统会要求进入用户出示健康码信息，并且对于体温异常者，通知后台进行人工处理。在疫情策略宽松时，本系统会停止登记健康码，对于体温异常者予以放行但仍会进行告警。在关闭时，系统不进行健康码登记和体温检测。本系统会持续与服务器通信，从服务器端获取最新的防疫策略。

有关于人脸识别功能，根据部署的地方区分，可以有部署在本地的基于深度学习的人脸识别和部署在云端的基于API 的人脸识别两种方案。本系统的应用场景在于社区，主要目的在于识别用户身份并快速放行。考虑到社区会有人员的流动，为了方便数据的更新管理，我们选择将数据部署在云端。能否快速准确识别用户身份，是判断门禁系统性能的重要标准，因此本系统选择目前比较稳定的百度智能云。在使用中，系统不断扫描获取摄像头数据并上传到百度云服务器，通过于服务器中的数据库比对，返回验证结果。具体如图9 所示。

4.2 智能垃圾分类体系

针对分类垃圾桶在实际应用中的一些需求，在软件方面具备以下功能：

（1）实现基于百度SDK 的人脸识别；

（2）实现基于OpenCV 的颜色识别；

（3）实现与服务器的数据交互；

（4）驱动各硬件设备正常工作；

（5）处理各硬件的并发需求；

（6）当硬件出现故障时，需要及时发出报警。

具体如图10 所示。

5 测试与总结

5.1 无接触式人脸识别门禁系统

在完成软件和硬件各模块的搭建和调试后，尝试将系统进行了组合，构成一个完整的工程文件。在这一小节，要完整的测试系统功能，并与服务器结合，模拟实际使用场景。

通过测试，人脸识别，IC 卡识别，二维码识别均通过验证，系统工作正常。接下来我们打开服务器数据库，查看服务器是否真的收到了来自门禁上报的日志。

测试时间为2021年4月19日 0 点28 分，数据库显示，在此时间收到了一条用户进入的字段，字段信息包含时间，用户id，出入状态和体温。表明系统与服务器通信正常。服务器的数据库如图11 所示。

5.2 智能垃圾分类体系

调试方法：程序上电启动后，首先通过人体红外感应模块确定有居民靠近，接着使用人脸识别或射频识别居民身份。然后使用颜色识别，确定垃圾袋的类型，控制舵机打开相应的分类垃圾桶。成功投递垃圾后垃圾桶关闭。

结果预期：能够正确检测到有人体靠近，能够正确识别出居民的身份和垃圾袋的颜色，能够正确的打开和关闭分类垃圾桶盖。垃圾投递结束后，可以将数据正常上传到服务器数据库中。

调试结果：程序上电启动后，人体红外感应模块成功感应到有居民靠近，人脸识别和射频识别模块启动，成功确定居民身份。LCD 显示模块显示出从服务器获得的用户积分信息。颜色识别模块成功识别到垃圾袋的颜色，打开对应的分类垃圾桶。完成垃圾投递后，垃圾投递记录，用户积分增加记录等成功上传到服务器的数据库当中。本系统所有功能运行正常，调试通过。

5.3 总结

本次设计的全部功能都已经调试完毕，系统运行正常，后续可拓展其他功能，对平台进行细节化处理，使其更加完善。