CN113465743A - 一种基于正态分布特征的红外非接触体温测量系统和方法 - Google Patents

一种基于正态分布特征的红外非接触体温测量系统和方法 Download PDF

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CN113465743A CN202011300163.3A CN202011300163A CN113465743A CN 113465743 A CN113465743 A CN 113465743A CN 202011300163 A CN202011300163 A CN 202011300163A CN 113465743 A CN113465743 A CN 113465743A
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王金涛
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Abstract

本发明提出一种基于正态分布特征的红外非接触体温测量系统和方法，系统主要包括实现待测人员位置测量的激光测距模块，实现数据分析、处理和模块控制的主控模块（主控芯片为FPGA芯片），实现监测待测区域的人体感应模块，实现待测区域测温的红外阵列测温模块以及现场实时信息提示、信号预警的TFT‑LCD显示和语音模块。方法主要包括人体红外感应模块监测待测区域是否出现待测人员、激光测距检测待测人员站位以及基于人体体温正态分布特征的人体定位测温算法。本发明具有非接触、安装灵活、成本低的优点，能够识别多种异常温度情况，智能提醒待测人员调整站位，适应当今新冠疫情环境下对于非接触测温需要，满足小成本市场的需求。

Description

一种基于正态分布特征的红外非接触体温测量系统和方法
技术领域
本发明涉及红外测温技术领域，具体来说，涉及一种基于正态分布特征的红外非接触体温测量系统和方法。
背景技术
目前红外测温技术发展迅速，准确度与传统测温方式相当，并且今年受新冠疫情影响，为了疫情防控，筛查发热人员，便捷、准确、非接触的测温方式成了现实环境的迫切要求。红外测温特点有非接触、直观、高效、实时，可捕获目标“整体温度分布”，便于分析。目前市场主要有两种红外体温测量仪，一种是手持便携式，另一种是双目测温式。手持便携式一般采用
Figure 734144DEST_PATH_IMAGE001
像素红外测温传感器，由工作人员手持对待测人员测温，此类测量仪快速方便，但耗费人力。双目测温式采用可见光摄像头和热成像传感器摄像头作为图像输入模块，其中可见光图像根据人脸特征算法实现人脸位置定位，并由红外热成像确定该位置温度，该方案准确性高，但成本高昂。
发明内容
针对相关技术中的上述问题，本发明提出一种基于正态分布特征的红外非接触体温测量系统和方法，能够克服现有技术的上述不足。
根据本发明具体实施方式的一种基于正态分布特征的红外非接触体温测量系统和方法，包括以下步骤：
S1，人体红外感应模块检测待测区域有无待测人员，数据通过IIC上传至主控模块；
S1.1，当主控模块判断为待测区域内有人出现时，将启动激光测距模块检测待测人员是否位于待测点；
S1.2，当主控模块判断为待测区域无人时，则继续进行步骤S1；
S2，激光测距模块单次测量待测人员与测温装置距离，数据由UART串口上传到主控模块；
S2.1，当主控模块判断为待测人员不在待测点、位置过近或过远时，将使用显示屏及语音提示“请站在待测点”，并返回步骤S1；
S2.2，当主控模块判断待测人员在待测点时，使用显示屏及语音提示“位置正确”，继续步骤S3；
S3，启动红外阵列测温模块进行温度采集，得到
Figure 61220DEST_PATH_IMAGE002
的温度数据矩阵，红外阵列测温模块将温度数据通过IIC上传至主控模块；
S4，主控模块将选择所测最高温度值为T点，并以垂直向下90°方向，左下与垂直地面夹角30°方向和右下与垂直地面夹角30°方向进行正态性检验，当有其中一个方向的温度符合正态性，则该位置为人体，将T点温度值定为人体温度；
S5，主控模块对待测者体温进行异常温度、正常温度和疑似发热的界定判断；
S5.1，判断T是否为异常温度：当
Figure 17675DEST_PATH_IMAGE003
或
Figure 430202DEST_PATH_IMAGE004
时，认为所测温度异常，则由TFT-LCD显示屏显示当前温度值、语音播报“温度异常”，步骤将返回S1，所测温度非异常情况则进行步骤S5.2；
S5.2,判断T是否为正常温度:当
Figure 395884DEST_PATH_IMAGE005
时，认为所测温度为正常温度，则显示当前温度值，语音播报“温度正常”，返回步骤S1;
S5.3,判断T是否为疑似发热:当
Figure 577466DEST_PATH_IMAGE006
时，认为所测人员疑似发烧，则显示当前温度值，语音播报“体温偏高”，返回步骤S1。
人体红外辐射中心波长为
Figure 970402DEST_PATH_IMAGE007
，在步骤S1中，采用热释电红外传感器作为人体红外感应模块的核心元件，而该传感器的红外辐射感应波长为
Figure 604645DEST_PATH_IMAGE008
，因此在适当调整探测距离后，可以极为精准的判断感知区域是否有待测人员出现。在没有探测到待测人员时，人体红外感应模块会实时监测，直到探测到待测人员，则进行步骤S2。
在步骤S2中，采用GY-53激光测距模块实现测距功能，与主控模块采用串口通信方式。当主控模块发送启动命令时，激光测距模块测量待测点物体与测温装置距离，然后主控模块查询输出距离数据得到两者距离。由于人们身材差异，主控模块将为判断待测者站位是否合理情况留有0.2m裕度，即测量距离在0.5m和0.9m之间，都将认为测量者站位正确。
步骤S3所述的红外阵列温度采集功能，使用红外阵列温度传感器，该传感器可测量采集区域物体温度，构成
Figure 108439DEST_PATH_IMAGE009
像素红外阵列，它的每个像素点灰度值都可经相应算法转化后显示为探测点的温度值。
步骤S4中，主控模块将选择所测最高温度值为T点，并以该点垂直向下90°方向，左下与垂直地面夹角30°方向和右下与垂直地面夹角30°方向的温度值作为观测数据进行正态性检验，当有其中一个方向的温度符合正态性，则该位置为人体，将T点温度值定为人体温度。由于所取观测数据的样本容量
Figure 410107DEST_PATH_IMAGE010
，所以选用适用于样本容量在
Figure 971014DEST_PATH_IMAGE011
的
Figure 92554DEST_PATH_IMAGE012
检验（Shapiro-Wilk检验）作为观测数据正态性检验的算法。
Figure 400038DEST_PATH_IMAGE013
：总体服从正态分布
以
Figure 556213DEST_PATH_IMAGE012
检验方法检验原假设
Figure 290951DEST_PATH_IMAGE014
的步骤如下：
（1）把样本观测值按由小到大的次序排列成：
Figure 899787DEST_PATH_IMAGE015
（2）
Figure 745383DEST_PATH_IMAGE012
检验的统计量为：
Figure 756065DEST_PATH_IMAGE016
其中
Figure 661704DEST_PATH_IMAGE017
表示样本均值，
Figure 757836DEST_PATH_IMAGE018
的值由查找表查找得，将
Figure 407123DEST_PATH_IMAGE019
至
Figure 272311DEST_PATH_IMAGE020
的值代入上式计算统计量
Figure 348851DEST_PATH_IMAGE012
的值。
（3）根据给定的检验水平
Figure 932279DEST_PATH_IMAGE021
和样本容量
Figure 385257DEST_PATH_IMAGE022
查表得
Figure 104952DEST_PATH_IMAGE012
的
Figure 355323DEST_PATH_IMAGE021
分位数
Figure 426047DEST_PATH_IMAGE023
。
（4）做出判断：若
Figure 417137DEST_PATH_IMAGE024
，则拒绝
Figure 256917DEST_PATH_IMAGE025
，认为总体不服从正态分布；若
Figure 675260DEST_PATH_IMAGE026
，则不拒绝
Figure 233280DEST_PATH_IMAGE025
。
步骤S4中，红外温度采集区域内温度值符合正态分布特征的区域认为是人体位置，若温度值不符合正态分布特征，则判断为非人体。
本发明选择符合正态分布温度值的最高温度T为人体最高温度，当
Figure 762482DEST_PATH_IMAGE027
或
Figure 456768DEST_PATH_IMAGE028
时，认为所测温度异常，则显示当前温度值并返回步骤S1；当
Figure 311592DEST_PATH_IMAGE029
时，认为所测温度为正常温度，则显示温度值并语音提示体温正常；当
Figure 91329DEST_PATH_IMAGE030
时，认为所测人员疑似发烧，则显示当前温度值并语音提示体温偏高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实例一种基于正态分布特征的红外非接触体温测量系统框图；
图2是本发明实例一种基于正态分布特征的红外非接触体温测量系统流程示意图；
图3是本发明实例探测位置示意图；
图4是本发明实例探测区域平面图；
图5是本发明实例红外测温区域正态性检验方向示意图；
图6是本发明实例激光测距模块流程图；
图7是本发明实例人体红外感应模块流程图；
图8是本发明实例基于正态分布特征的人体位置和最高体温确定方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于正态分布特征的红外非接触体温测量系统和方法，能够便捷、准确的测量出待测人员体温，能够在不需要可见光相机环境下实现人体定位，在不需要人工手持测量的情况下极大的降低硬件成本，满足小成本市场需求。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图 1 所示， 根据本发明实施例所述的一种基于正态分布特征的红外非接触体温测量系统和方法，包括如下步骤：
S1，人体红外感应模块检测待测区域有无待测人员，数据通过IIC上传至主控模块；
S1.1，当主控模块判断为待测区域内有人出现时，将启动激光测距模块检测待测人员是否位于待测点；
S1.2，当主控模块判断为待测区域无人时，则继续进行步骤S1；
S2，激光测距模块单次测量待测人员与测温装置距离，数据由UART串口上传到主控模块；
S2.1，当主控模块判断为待测人员不在待测点、位置过近或过远时，将使用显示屏及语音提示“请站在待测点”，返回步骤S1；
S2.2，当主控模块判断待测人员在待测点时，显示屏及语音提示“位置正确”，继续步骤S3；
S3，启动红外阵列测温模块进行温度采集，得到
Figure 424221DEST_PATH_IMAGE031
的温度数据矩阵，红外阵列测温模块将温度数据通过IIC上传至主控模块；
S4，主控模块将选择所测最高温度值为T点，并以垂直向下90°方向，左下与垂直地面夹角30°方向和右下与垂直地面夹角30°方向进行正态性检验，当有其中一个方向的温度符合正态性，则该位置为人体，将T点温度值定为人体温度；
S5，主控模块对待测者体温进行异常温度、正常温度和疑似发热的界定判断；
S5.1，判断T是否为异常温度：当
Figure 238594DEST_PATH_IMAGE032
或
Figure 998739DEST_PATH_IMAGE028
时，认为所测温度异常，则由TFT-LCD显示屏显示当前温度值、语音播报“温度异常”，步骤将返回S1，所测温度非异常情况则进行步骤S5.2；
S5.2，判断T是否为正常温度:当
Figure 265772DEST_PATH_IMAGE029
时，认为所测温度为正常温度，则显示当前温度值，语音播报“温度正常”，返回步骤S1；
S5.3，判断T是否为疑似发热:当
Figure 402356DEST_PATH_IMAGE030
时，认为所测人员疑似发烧，则显示当前温度值，语音播报“体温偏高”，返回步骤S1。
在一具体实施例中，步骤S1中具体为：测温装置的放置位置应为垂直地面1.3m高度，待测点位置应为装置正前方，两者水平相距0.7m为宜。人体红外感应模块采用热释电红外传感器HC-SR501作为人体红外感应模块的核心元件，当传感器检测到探测区域有波长为
Figure 71234DEST_PATH_IMAGE033
红外辐射（人体红外辐射中心波长为
Figure 999352DEST_PATH_IMAGE034
）时，则认为待测人员出现。该模块探测广角为100°，根据所述装置及探测点位置关系，由勾股定理可知，在待测点最低可监测约0.47m，最高可监测2.13m，符合大多数人身高特征。当传感器检测到有人员出现时开始启动激光测距模块，而没有待测人员出现时，则人体感应传感器将继续监测。
在一具体实施例中，步骤S2中具体为：激光测距模块GY-53，探测距离为2m，视野角度（FOV）为25°。可选的，本模块与主控模块采用UART串口通信，测距模块设置为单次测距。当主控模块发送启动命令时，激光测距模块测量待测点物体与测温装置距离，然后主控模块查询输出距离数据得到两者距离。由于人们身材差异，主控模块将为判断待测者站位是否合理情况留有0.2m裕度，即测量距离在0.5m和0.9m之间，都将认为测量者站位正确。如附图4所示由于人体感应为圆形区域，因此在左侧和右侧有部分区域为人体感应可监测而红外阵列无法取温，为防止出现待测人员站在偏离测温区域的左侧或右侧而误测情况发生，采用激光测距模块以25°广角区域限定待测人员不可左右方向过度偏离待测点。
在一具体实施例中，步骤S3中具体为：可选的采用MLX90640红外阵列温度传感器探测采集区域物体温度，该传感器具有
Figure 753681DEST_PATH_IMAGE035
像素红外阵列，在本发明实例中，为与人体感应区域相近，将该传感器顺时针旋转90°放置，数据经相应算法处理即转为
Figure 428376DEST_PATH_IMAGE002
像素红外阵列。芯片根据设定的刷新频率4Hz扫描768个像元，并利用存储在 EEPROM 中的校准常数计算每个像素点的测温数值。
在一具体实施例中，步骤S4中具体为：可选的，采用
Figure 951761DEST_PATH_IMAGE012
检验作为正态性检验的算法，主控模块将选择所测最高温度值为T点，并以垂直向下90°方向，左下与垂直地面夹角30°方向和右下与垂直地面夹角30°方向的测量温度作为观测数据。具体的，如图5所示，垂直方向即T，A0,A1...所示方向；左下与垂直地面夹角30°方向为T,B0,B1...所示方向；右下与垂直地面夹角30°方向为T,C0,C1...所示方向。在算法中，设定一个假设
Figure 319289DEST_PATH_IMAGE025
：样本整体服从正态分布。之后，如进行垂直方向正态性检验时，将观测数据从小到大依次记为
Figure 560914DEST_PATH_IMAGE036
，
Figure 773721DEST_PATH_IMAGE037
，...，
Figure 417192DEST_PATH_IMAGE038
，并代入
Figure 690041DEST_PATH_IMAGE012
检验公式中，求得
Figure 418963DEST_PATH_IMAGE012
，根据给定的检验水平
Figure 435460DEST_PATH_IMAGE021
和样本容量
Figure 933438DEST_PATH_IMAGE039
查表得
Figure 642768DEST_PATH_IMAGE012
的
Figure 593406DEST_PATH_IMAGE040
分位数
Figure 413595DEST_PATH_IMAGE041
。若
Figure 766079DEST_PATH_IMAGE024
，则拒绝
Figure 660958DEST_PATH_IMAGE025
，认为总体不服从正态分布；若
Figure 98893DEST_PATH_IMAGE026
，则不拒绝
Figure 457193DEST_PATH_IMAGE025
。其他方向亦是。
在一具体实施例中，步骤S5具体为：主控模块对待测者体温进行异常温度、正常温度和疑似发热的界定判断。当
Figure 929763DEST_PATH_IMAGE032
或
Figure 980895DEST_PATH_IMAGE028
时，认为所测温度异常，则由TFT-LCD显示屏显示当前温度值、语音播报“温度异常”；当
Figure 906126DEST_PATH_IMAGE029
时，认为所测温度为正常温度，则显示当前温度值，语音播报“温度正常”；当
Figure 68117DEST_PATH_IMAGE030
时，认为所测人员疑似发烧，则显示当前温度值，语音播报“体温偏高”。之后将返回继续执行步骤S1，以实现实时监测的效果。
与现有技术相比，本实施例提供的一种基于正态分布特征的红外非接触体温测量系统和方法具有以下有益效果：
1.节省人力资源：在安装过程中，本装置安装简单，布置灵活，不需多人协作安装。在实施过程中，本方法可实现无需手持测温仪即可无接触测温，大大降低了人力成本。
2.无需多次校准：MLX90640测得的 768个目标区域温度、传感器温度和芯片电压存储在内部RAM中，EEPROM中存储的是传感器出厂时的校准参数，该参数用来补偿不同传感器之间的差异，可通过I2C获取RAM和EEPROM的数据，不需要根据特定温度进行重新校准，可确保连续监控和降低运营成本。
3.节省硬件成本：与其他可实现人体定位的红外测温方法相比，本发明无需使用可见光相机，对于主控芯片的要求也低于其他方法，可在多方面节省硬件成本。
根据本发明所述的一种基于正态分布特征的红外非接触体温测量系统和方法，其中测温用到的相关公式或定律：
1.
Figure 129614DEST_PATH_IMAGE012
检验
Figure 351648DEST_PATH_IMAGE025
：总体服从正态分布
以
Figure 764175DEST_PATH_IMAGE012
检验方法检验原假设
Figure 729857DEST_PATH_IMAGE025
的步骤如下：
1.1把样本观测值按由小到大的次序排列成：
Figure 911439DEST_PATH_IMAGE042
1.2
Figure 38795DEST_PATH_IMAGE012
检验的统计量为：
Figure 938618DEST_PATH_IMAGE043
其中
Figure 504729DEST_PATH_IMAGE017
表示样本均值，
Figure 744080DEST_PATH_IMAGE018
的值由查找表查找得，将
Figure 104654DEST_PATH_IMAGE019
至
Figure 426527DEST_PATH_IMAGE038
的值代入上式计算统计量
Figure 796328DEST_PATH_IMAGE012
的值。其中，
Figure 624607DEST_PATH_IMAGE044
2.测温公式
2.1芯片绝对温度
Figure 421662DEST_PATH_IMAGE045
（传感器温度）
IR 传感器的输出和冷端温度相关，所以需知道芯片温度来计算每个像素“感应”到的物体温度。
Figure 968181DEST_PATH_IMAGE046
其中，△V从RAM地址0x072A中读取，其余参数从EEPROM中读取，代入公式运算即可。
2.2红外阵列像素温度
Figure 141673DEST_PATH_IMAGE047
Figure 90038DEST_PATH_IMAGE048
Figure 57994DEST_PATH_IMAGE049
其中，
Figure 91809DEST_PATH_IMAGE050
是无寄生效应的IR补偿信号，
Figure 803413DEST_PATH_IMAGE051
是每个独立像素灵敏度系数，
Figure 606284DEST_PATH_IMAGE052
从EEPROM地址0x243D中读取。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于正态分布特征的红外非接触体温测量系统和方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，人体红外感应模块检测待测区域有无待测人员，数据通过IIC上传至主控模块；
S1.1，当主控模块判断为待测区域内有人出现时，将启动激光测距模块检测待测人员是否位于待测点；
S1.2，当主控模块判断为待测区域无人时，则继续进行步骤S1；
S2，激光测距模块单次测量待测人员与测温装置距离，数据由UART串口上传到主控模块；
S2.1，当主控模块判断为待测人员不在待测点、位置过近或过远时，将使用显示屏及语音提示“请站在待测点”，返回步骤S1；
S2.2，当主控模块判断待测人员在待测点时，显示屏及语音提示“位置正确”，进行步骤S3；
S3，启动红外阵列测温模块进行温度采集，得到
Figure 144149DEST_PATH_IMAGE001
的测温区域温度数据，测温模块将温度数据以IIC通信上传至主控模块；
S4，主控模块将选择所测最高温度值为T点，并以垂直向下90°方向，左下与垂直地面夹角30°方向和右下与垂直地面夹角30°方向依次进行正态性检验，当有其中一个方向的温度符合正态性，则该位置为人体，将T点温度值定为人体温度，温度值记为温度T；
S5，主控模块对待测者体温进行异常温度、正常温度和疑似发热的界定判断；
S5.1，判断T是否为异常温度：当
Figure 782941DEST_PATH_IMAGE002
或
Figure 646992DEST_PATH_IMAGE003
时，认为所测温度异常，则由TFT-LCD显示屏显示当前温度值，语音播报“温度异常”，步骤将返回S1，所测温度非异常情况则进行步骤S5.2；
S5.2，判断T是否为正常温度:当
Figure 537063DEST_PATH_IMAGE004
时，认为所测温度为正常温度，则显示当前温度值，语音播报“温度正常”，返回步骤S1；
S5.3,断T是否为疑似发热:当
Figure 93946DEST_PATH_IMAGE005
时，认为所测人员疑似发烧，则显示当前温度值，语音播报“体温偏高”，返回步骤S1。
2.根据权利1所述一种基于正态分布特征的红外非接触体温测量系统与方法，其特征在于，测温装置的放置位置应为垂直地面高度1.3m，待测点位置应为装置正前方，两者水平相距0.7m为宜。
3.根据权利1所述主控模块，其特征在于，选择Altera公司FPGA芯片EP4CE10F17C8作为数据处理和模块控制的主控芯片，其他硬件如DDR3、IIC、UART、D/A转换、LCD-RGB接口、电源等保障主控模块功能完整性。
4.根据权利1中所述人体红外感应模块，其特征在于步骤S1中，采用热释电红外传感器HC-SR501作为人体红外感应模块的核心元件，由于人体红外辐射中心波长为
Figure 954455DEST_PATH_IMAGE006
，因此当传感器检测到探测区域有波长为
Figure 356617DEST_PATH_IMAGE007
红外辐射时，系统认为待测人员出现；该模块探测广角为100°，根据权利2所述装置及探测点位置关系，由勾股定理可知，在待测点最低可监测0.47m，最高可监测2.13m，符合大多数人身高特征。
5.根据权利1中所述激光测距模块，其特征在于步骤S2中，采用GY-53激光测距模块实现测距功能，由于人们身材差异，主控模块将为判断待测者站位是否合理情况留有0.2m裕度，即测量距离在0.5m和0.9m之间，都将认为测量者站位正确。
6.根据权利1要求所述的一种基于正态分布特征的红外非接触体温测量系统和方法，其特征在于步骤S4中，根据人体体温的正态分布特征，在测温区域选取观测数据，经相应正态性检验算法判断出人体和最高体温位置。
7.根据权利1所述的红外阵列测温模块，其特征在于步骤S3中使用MLX90640红外阵列温度传感器探测采集区域物体温度，该传感器具有像素，探测广角分为110°和55°两款,为使得探测区域与权利4中所述人体感应区域相近，本发明选择110°款，并将传感器顺时针90°旋转，经算法转化为
Figure 759917DEST_PATH_IMAGE001
温度矩阵。
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