一种基于目标检测的体温监测系统及方法

技术领域

本发明涉及物联网通信技术领域，具体涉及目标识别追踪、目标温度监测领域。

背景技术

研究表明，人体表面不同部位有较大的温差，同时与气温有一定关联。传统的非接触体温检测方式是直接通过红外测温获取体温数据。测温门等设备仅能检测被检测人员体表最高温度，不能精准获取目标特定体表温度。没有与总控中心、小程序等联动。不能实现无人化值守。

得益于物联网技术、通信技术、人工智能技术、微电子芯片技术的发展使得本远程传输控制系统得以实现。

发明内容

本发明目的：在于提供一种基于目标检测的体温监测系统及方法，引入环境气温对人体体温的影响因素，实现对目标对象的体温的准确检测，且检测结果与视频监控中心、终端设备联动，实现无人化值守。

为实现以上功能，本发明设计一种基于目标检测的体温监测系统，包括图像采集设备、气温模块、体温监测模块、测距模块、告警模块、云台模块、单片机、显示模块、计算机、视频监控中心、服务器、终端设备；

其中，气温模块、体温监测模块、测距模块、告警模块、云台模块、显示模块、计算机分别均与单片机相连接，图像采集设备、视频监控中心、服务器分别均与计算机相连接，服务器与终端设备通讯连接；云台模块包括由电机驱动的两轴云台，图像采集设备、体温监测模块、测距模块均安装于两轴云台上，且图像采集设备与体温监测模块同轴，测距模块的测距方向与图像采集设备、体温监测模块所在轴线方向保持预设角度；

其中，告警模块包括红绿黄三色LED灯、嗡鸣器。

本发明还设计一种基于目标检测的体温监测方法，基于所述的目标检测的体温监测系统，针对目标人体，执行以下步骤S1-步骤S7,完成对目标对象的体温检测：

步骤S1：将图像采集设备所采集的目标对象的图像、云台电机的当前角度输入计算机，基于人脸检测算法，确定目标对象的被测部位在图像中的位置，并根据云台电机的当前角度，基于PID网络，调整云台电机的角度，使目标对象的被测部位在图像中的预设位置；

步骤S2：将体温监测模块所测得的目标对象的被测部位的体温、测距模块所测得的目标对象与测距模块的距离、气温模块所测得的当前气温输入单片机，根据恒温水浴法，计算目标对象的被测部位的实际体温，单片机将计算结果、气温模块所测得的当前气温输出至计算机，并且单片机将计算结果输出至显示模块进行显示；

步骤S3：计算机基于当前气温，根据曲线拟合法，获得与当前气温相对应的、用于判断目标对象是否发烧的发烧警报门限；

步骤S4：计算机通过服务器与终端设备通讯连接，计算机定时通过服务器向终端设备发送包含目标对象的被测部位的实际体温、当前气温、检测标志位的数据报A，终端设备定时通过服务器向计算机发送包含强制警报、解除警报的数据报B，计算机接收数据报B并缓存；

步骤S5：计算机根据目标对象的被测部位的实际体温、发烧警报门限，判断判断目标对象是否发烧，计算机将判断结果、目标对象的被测部位的实际体温在图像采集设备所采集的图像中标注，并保存图像；

步骤S6：计算机将包含数据报A、数据报B、云台电机的角度、检测标志位的数据报同时发送至单片机，并将步骤S5所获得的图像发送至视频监控中心；

步骤S7：单片机接收到计算机发送的数据报，将数据报中的云台电机的角度输出至云台模块的云台电机，调整云台电机转动至预设角度，单片机将数据报中的检测标志位输出至告警模块，告警模块根据检测标志位做出相应警示。

作为本发明的一种优选技术方案：步骤S1的具体步骤如下：

步骤S11：将图像采集设备所采集的目标对象的图像输入计算机，计算机基于人脸检测算法，获得各目标框的中心点坐标(x,y)、宽度w、高度h，通过非极大值抑制法，以面积最大的目标框作为目标对象的检测框；

步骤S12：以额头作为目标对象的被测部位，额头中心点坐标为

步骤S13：将误差坐标(x

作为本发明的一种优选技术方案：步骤S2的具体步骤如下：

步骤S21：单片机触发体温监测模块、测距模块、气温模块在预设周期内对目标对象的被测部位的体温、目标对象与测距模块的距离、当前气温进行预设次数的测量；

步骤S22：根据恒温水浴法，计算目标对象的被测部位的实际体温，其中恒温水浴法拟合的补偿系数如下式：

y

式中，x

步骤S23：单片机计算预设周期内目标对象的被测部位的实际体温、目标对象与测距模块的距离、当前气温的均值，并以(目标对象的被测部位的实际体温、当前气温、距离使能标志位)数据报形式发送至计算机，其中目标对象与测距模块的距离小于预设值时，距离使能标志位为高位，否则为低位。

作为本发明的一种优选技术方案：步骤S3中根据曲线拟合法，获得发烧警报门限的方法如下式：

y

式中，x

作为本发明的一种优选技术方案：步骤S4的具体步骤如下：

步骤S41：计算机定时向服务器发送数据报A，数据报A形式为(目标对象的被测部位的实际体温、当前气温、检测标志位)；

步骤S42：终端设备定时从服务器获取数据报A，并显示；

步骤S43：终端设备定时向服务器发送数据报B,数据报B形式为(强制警报、解除警报)，强制警报、解除警报的状态包括0、1，状态为1时有效；

步骤S44：计算机定时从服务器获取数据报B，并缓存。

作为本发明的一种优选技术方案：步骤S5的具体方法如下：

设置发烧标志位，计算机基于步骤S4所缓存的数据报，其中强制警报为1时，检测标志位置为1，解除警报为1时，发烧标志位置为0，且解除警报的优先级低于强制警报；

对图像采集设备所采集的图像归一化，目标对象的被测部位中心点坐标位于归一化图像预设区间内，且距离使能标志位为高位，则检测标志位置为3，否则检测标志位置为0；

计算机将目标对象的被测部位的实际体温从高到低排序并缓存，若检测时间大于两秒且最高实际体温不大于发烧警报门限，则判定目标对象体温正常，检测标志位置为2，在图像中标注实际体温并保存图像；

若最高实际体温大于发烧警报门限，则检测标志位置为1，发烧标志位置为1，在图像中标注发烧，标注实际体温并保存图像。

作为本发明的一种优选技术方案：步骤S7中单片机接收到计算机发送的数据报后，将云台电机的角度(degree_x1,degree_y1)以PWM信号输出至云台模块的云台电机，调整云台电机转动至预设角度；

单片机将数据报中的检测标志位输出至告警模块，告警模块根据检测标志位做出相应警示，其中检测标志位为1时，告警模块执行声光警报红灯闪烁；检测标志位为2时，告警模块提示绿灯；检测标志位为3时，告警模块提示黄灯；检测标志位为0时，告警模块的红、绿、黄灯均不亮。

作为本发明的一种优选技术方案：步骤S5中计算机设置循环标志位、排位标识符，检测标志位第一次置为3时，循环标志位置为1，排位标识符加一；以检测标志位第一次置为3时刻为起始，若检测标志位不为0，则循环标志位和排位标识符保持不变，直至检测标志位置为0；

若循环标志位为1，截取图像采集设备所采集图像，并获取当前最高的目标对象的被测部位的实际体温，并在图像中标注，以排位标识符命名覆盖保存在计算机中相应的文件夹，完成实时最高目标对象的被测部位的实际体温的更新；

若检测标志位为0，表示当前目标对象已完成检测，则循环标志位置0。

有益效果：相对于现有技术，本发明的优点包括：

(1)采用目标检测技术使得检测位置精准可控。

(2)通过激光测距、气温等数据快速、精确测量体温并压低了发烧报警门限。

(3)检测数据实时发送视频监控中心与终端设备实现无人化值守，提高了人员调度效率。

(4)目标检测运行于计算机，可以节省资源实现低成本运行。

(5)测距模块有一定下倾角，减少了目标对象的头发对测距结果的影响，使得测温测距结果更精准。

(6)单片机可脱离计算机与网络独立运行准确测温。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的基于目标检测的体温监测系统结构图；

图2是根据本发明实施例提供的图像采集设备与体温监测模块的结构示意图；

图3是根据本发明实施例提供的ESP32管脚位图；

图4是根据本发明实施例提供的I2C总线连接原理图

图5是根据本发明实施例提供的微信小程序效果图；

图6是根据本发明实施例提供的步骤S5中检测标志位处理流程图；

图7是根据本发明实施例提供的重复测温实验结果波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明实施例提供的一种基于目标检测的体温监测系统，参照图1，包括图像采集设备、气温模块、体温监测模块、测距模块、告警模块、云台模块、单片机、显示模块、计算机、视频监控中心、服务器、终端设备；

其中，气温模块、体温监测模块、测距模块、告警模块、云台模块、显示模块、计算机分别均与单片机相连接，图像采集设备、视频监控中心、服务器分别均与计算机相连接，服务器与终端设备通讯连接；云台模块包括由电机驱动的两轴云台，图像采集设备、体温监测模块、测距模块均安装于两轴云台上，且图像采集设备与体温监测模块同轴，测距模块的测距方向与图像采集设备、体温监测模块所在轴线方向保持预设角度，参照图2，所述预设角度为5.7度下倾角。

其中，告警模块包括红绿黄三色LED灯、嗡鸣器。

在一个实施例中，所述单片机型号为ESP32，图像采集设备为USB高速摄像头，气温模块、体温监测模块采用MLX90614-DCI，测距模块采用VL53L0X，显示模块采用0.91寸OLED显示屏。

参照图3，云台PWM信号由GPIO16、GPIO17输出，频率50HZ，分辨率12bit。红绿黄色LED灯由GPIO12、GPIO13、GPIO14分别输出，蜂鸣器与红色LED灯并联使用一个三极管作为开关放大电流使用。I2C总线接入GPIO22(SCL)与GPIO21(SDA)。

参照图4，MLX90614-DCI、XL53LOX、OLED显示屏均采用I2C总线与ESP32连接，三模块均采用3.3v供电，SDA、SCL总线需要有两个4.7KΩ的上拉电阻。

本发明实施例提供的一种基于目标检测的体温监测方法，基于所述的目标检测的体温监测系统，针对目标人体，执行以下步骤S1-步骤S7,完成对目标对象的体温检测：

步骤S1：将图像采集设备所采集的目标对象的图像、云台电机的当前角度输入计算机，基于人脸检测算法，确定目标对象的被测部位在图像中的位置，并根据云台电机的当前角度，基于PID网络，调整云台电机的角度，使目标对象的被测部位在图像中的预设位置。

步骤S1的具体步骤如下：

步骤S11：将图像采集设备所采集的目标对象的图像输入计算机，计算机基于YOLOv5人脸检测算法，获得各目标框的中心点坐标(x,y)、宽度w、高度h，通过非极大值抑制法，以面积最大的目标框作为目标对象的检测框；

步骤S12：以额头作为目标对象的被测部位，额头中心点坐标为

步骤S13：将误差坐标(x

步骤S2：将体温监测模块所测得的目标对象的被测部位的体温、测距模块所测得的目标对象与测距模块的距离、气温模块所测得的当前气温输入单片机，根据恒温水浴法，计算目标对象的被测部位的实际体温，单片机将计算结果、气温模块所测得的当前气温输出至计算机，并且单片机将计算结果输出至显示模块进行显示。

步骤S2的具体步骤如下：

步骤S21：单片机触发体温监测模块、测距模块、气温模块在预设周期内对目标对象的被测部位的体温、目标对象与测距模块的距离、当前气温进行预设次数的测量；

在一个实施例中，采用ESP32单片机自带的硬件定时器获得10HZ的触发信号，每个周期内对对目标对象的被测部位的体温、目标对象与测距模块的距离、当前气温采样6次求均值。

步骤S22：根据恒温水浴法，计算目标对象的被测部位的实际体温(ObjectTemp)，其中恒温水浴法拟合的补偿系数如下式：

y

式中，x

步骤S23：单片机计算预设周期内目标对象的被测部位的实际体温、目标对象与测距模块的距离、当前气温的均值，并以(目标对象的被测部位的实际体温、当前气温、距离使能标志位)数据报形式、10HZ频率发送至计算机，其中目标对象与测距模块的距离小于120cm时，距离使能标志位为高位，否则为低位。

步骤S3：计算机基于当前气温，根据曲线拟合法，获得与当前气温相对应的、用于判断目标对象是否发烧的发烧警报门限，其中曲线可由软件后期载入。

其中根据曲线拟合法，获得发烧警报门限的方法如下式：

y

式中，x

步骤S4：计算机与终端设备之间通过MQTT(消息队列遥测传输)服务器转发进行通讯，计算机定时通过服务器向终端设备发送包含目标对象的被测部位的实际体温、当前气温、检测标志位的数据报A，终端设备定时通过服务器向计算机发送包含强制警报、解除警报的数据报B，计算机接收数据报B并缓存。

步骤S4的具体步骤如下：

步骤S41：计算机定时向服务器主题A发送数据报A，数据报A形式为(目标对象的被测部位的实际体温、当前气温、检测标志位)；

步骤S42：终端设备定时向服务器订阅的主题A获取数据报A，并显示；

步骤S43：终端设备定时向服务器主题B发送数据报B,数据报B形式为(强制警报、解除警报)，强制警报、解除警报的状态包括0、1，状态为1时有效，强制警报、解除警报在终端设备上以按钮形式供工作人员操作；

步骤S44：计算机定时从服务器获取数据报B，并缓存。

在一个实施例中，参照图5，所述终端设备为微信小程序，能获取设备状态警报状态，气温体温信息，同时能够手动控制警报的开关，具体实现原理是利用发布订阅模式实现小程序数据与检测中心的数据的同步。

订阅即获取给定的一个主题/频道的信息。发布是将信息发送到指定的主题/频道。只有订阅该主题的设备才可以收到发往该主题的消息。

小程序端流程：首先设置client端的mqtt服务器地址，然后通过client.subscribe订阅相应的主题，通过data.client.on()函数获取mqtt服务器的体温气温等数据，并将数据按照特定的分隔符分割，显示在小程序上；通过data.client.publish()函数将警报开关信息上传至服务器，等待python端读取，以实现信息同步。

Python端MQTT流程：同样先订阅相应的主题，通过msg.topic函数读取警报开关信息，传递给下位机操作，由于python端同时需要完成检测对象的操作，实时传输会影响程序效率，严重时会导致程序崩溃，因而在获取数据时借助client.loop_start()函数采用多线程的操作。

步骤S5：计算机根据目标对象的被测部位的实际体温、发烧警报门限，判断判断目标对象是否发烧，计算机将判断结果、目标对象的被测部位的实际体温在图像采集设备所采集的图像中标注，并保存图像；

参照图6，步骤S5的具体方法如下：

设置发烧标志位，计算机基于步骤S4所缓存的数据报，其中强制警报为1时，检测标志位(testing)置为1，解除警报为1时，发烧标志位置为0，且解除警报的优先级低于强制警报；

对图像采集设备所采集的图像归一化，目标对象的被测部位中心点坐标位于归一化图像0.4～0.6区间内，且距离使能标志位为高位，则检测标志位置为3，表示图像采集设备已对准目标对象的被测部位，否则检测标志位置为0；

计算机将目标对象的被测部位的实际体温从高到低排序并缓存，若检测时间大于两秒且最高实际体温不大于发烧警报门限，则判定目标对象体温正常，检测标志位置为2，在图像中标注实际体温并保存图像；

若最高实际体温大于发烧警报门限，则检测标志位置为1，发烧标志位置为1，在图像中标注发烧，标注实际体温并保存图像。

步骤S5中计算机设置循环标志位(first)、排位标识符(rank)，检测标志位第一次置为3时，循环标志位置为1，排位标识符加一；以检测标志位第一次置为3时刻为起始，若检测标志位不为0，则循环标志位和排位标识符保持不变，直至检测标志位置为0；

若循环标志位为1，以10HZ频率截取图像采集设备所采集图像，并获取当前最高的目标对象的被测部位的实际体温，并在图像中标注，以排位标识符命名覆盖保存在计算机中相应的文件夹，完成实时最高目标对象的被测部位的实际体温的更新；

若检测标志位为0，表示当前目标对象已完成检测，则循环标志位置0，等待下一个人重新进行循环。

步骤S6：计算机将包含数据报A、数据报B、云台电机的角度、检测标志位的数据报同时发送至单片机，并将步骤S5所获得的图像发送至视频监控中心；

在一个实施例中，图像采集设备为多路摄像头，步骤S6中计算机以(“A”+degree_x1+“B”+degree_y1+“C”+testing)数据报格式，最高100HZ频率发送至单片机。计算机通过OpenCV拉流，进行分帧检测，并将多路摄像头所采集的图像进行拼接，将拼接所获得的图像推入由nginx搭建的rtmp流媒体服务器的管道中，实现rtmp的推流。

步骤S7：单片机接收到计算机发送的数据报，将数据报中的云台电机的角度输出至云台模块的云台电机，调整云台电机转动至预设角度，单片机将数据报中的检测标志位输出至告警模块，告警模块根据检测标志位做出相应警示。

步骤S7中单片机接收到计算机发送的数据报后，将云台电机的角度(degree_x1,degree_y1)以PWM信号输出至云台模块的云台电机，调整云台电机转动至预设角度；

单片机将数据报中的检测标志位输出至告警模块，告警模块根据检测标志位做出相应警示，其中检测标志位为1时，告警模块执行声光警报红灯闪烁；检测标志位为2时，告警模块提示绿灯；检测标志位为3时，告警模块提示黄灯；检测标志位为0时，表示无检测对象，告警模块的红、绿、黄灯均不亮。

参照图7，实验表明本发明可以快速、高精度的测量体温，准确的得出报警温度，极大提高了发烧人员的检出率。非接触测温检测距离可达100CM，在体温范围内可达0.2℃的精度，检测时间仅需两秒钟。与视频监控中心、小程序交互良好。可应用于多种目标跟踪测温场合。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。