DEVELOPMENT OF A NON-CONTACT THERMOMETER MODULE BASED ON THE ARDUINO HARDWARE FOR A TURNSTILE SYSTEM IN AN EDUCATIONAL INSTITUTION

РАЗРАБОТКА МОДУЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ТЕРМОМЕТРА НА ОСНОВЕ АППАРАТНОЙ ПЛАТФОРМЫ ARDUINO ДЛЯ ТУРНИКЕТНОЙ СИСТЕМЫ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ УЧРЕЖДЕНИИ

Научная статья

Савков М.В.¹, Матюнин К.А.², Петрова И.А.^3, *

³ ORCID: 0000-0001-8758-6697;

^{1, 2, 3}Лесосибирский филиал Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева, Лесосибирск, Россия

* Корреспондирующий автор: (inftex2010[at]mail.ru)

Аннотация

В статье рассмотрен вопрос о необходимости разработки модуля бесконтактного термометра, позволяющего измерять температуру обучающихся и педагогов на входе в образовательное учреждение. Образовательные учреждения должны продолжать работу, несмотря на известные ограничения в условиях распространения COVID-19. В то же время не все могут использовать в своей деятельности дорогостоящее оборудование, предупреждающие риск распространения вирусных инфекций. Разработанный модуль бесконтактного термометра позволит бесконтактно измерять температуру тела, увеличить скорость входа и выхода обучающихся и педагогов, вести электронный журнал посещений и измерений температуры тела.

Ключевые слова: бесконтактный термометр, турникет, платформа Arduino Nano 3.0, образовательное учреждение.

DEVELOPMENT OF A NON-CONTACT THERMOMETER MODULE BASED ON THE ARDUINO HARDWARE FOR A TURNSTILE SYSTEM IN AN EDUCATIONAL INSTITUTION

Research article

Savkov M.V.¹, Matyunin K.A.², Petrova I.A.^3, *

³ ORCID: 0000-0001-8758-6697;

^{1, 2, 3} Lesosibirsk branch of the Siberian State Aerospace University, Lesosibirsk, Russia

* Corresponding author: (inftex2010[at]mail.ru)

Abstract

The article examines the need to develop a non-contact thermometer module that allows measuring the temperature of students and teachers at the entrance to an educational institution. Educational institutions should continue to work in spite of the known restrictions in the context of the spread of COVID-19. At the same time, not everyone can use expensive equipment that prevents the risk of spreading viral infections. The developed non-contact thermometer module will allow measuring body temperature without contact, increase the speed of entry and exit of the students and staff, and keep an electronic log of visits and body temperature measurements.

Keywords: non-contact thermometer, turnstile, Arduino Nano 3.0 platform, educational institution.

Многим 2020 год запомнится пандемией коронавируса по всему земному шару. Коронавирус затронул все страны мира, в том числе и Россию. Уже в январе 2020 года в России создан оперативный штаб для борьбы с COVID-19. В России в конце января были выявлены первые случаи заражения и количество зараженных неуклонно росло [1]. Это заставило министерство здравоохранения ввести обязательное измерение температуры на входе в образовательные и социальные учреждения.

Возникла проблема быстрого и бесконтактного измерения температуры обучающихся и педагогов на входе в образовательное учреждение. Для решения этой проблемы нами была выдвинута идея внедрения модуля измерения температуры в существующую на базе МБОУ «Лицей» города Лесосибирска турникетную систему.

Целью данной работы является разработка и внедрение в турникетную систему образовательного учреждения модуля бесконтактного термометра на основе аппаратной платформы Arduino.

Поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать существующие на данный момент аналоги бесконтактных термометров;
2. Спроектировать принципиальную схему модуля бесконтактного термометра;
3. Подключить датчики к платформе Arduino Nano0 и написать программу, позволяющую записывать показания температуры тела входящих посетителей в базу данных на сервере;
4. Спроектировать и реализовать систему крепления к существующему турникету в образовательном учреждении и устройство для передачи температуры в базу данных на сервере.
5. Смонтировать и ввести модуль бесконтактного термометра в эксплуатацию.

При разработке проекта были рассмотрены существующие комплексы для бесконтактного измерения температуры тела, в таблице 1 приведены их характеристики и цена [2].

 

Таблица 1 – Анализ аналогов

Название	Пределы измерения температур, °C	Погрешность при измерении, °C	Цена, руб
IPTRONICIPT-T70FR	35-42	± 0.3	108 810
HilkvisionISD-SMG318LT-F	От 30 до 45	± 0.5	699 990
Блокпост ТДК-01	От 34 до 42	± 0.2	32 395
Dahua dh-tpc-BF5421P-T	-	± 0.2	999 990
HikvisionDS-2TP31B-3AUF	От 30 до 45	± 0.5	113 290

 

Рассмотрим более подробно существующие комплексы для бесконтактного измерения температуры тела:

1. Терминал системы контроля и управления доступом (СКУД) IPTRONIC IPT-T70FR имеет следующие функции: бесконтактное измерение температуры тела и систему распознавания лиц. Явными преимуществами СКУД IPTRONIC IPT-T70FR являются:

• Надежность. Терминал работает на операционной системе LINUX, которая считается наиболее надежной и стабильной системой, устойчив к изменению температур в пределах от 10⁰ до 40⁰ C, его металлический корпус герметичен по IP
• Универсальность. Имеет функцию распознавания лиц и его можно применять для дистанционного контроля температуры в общественных местах, таких как кинотеатры, магазины, вокзалы и др.
• Дружелюбность. При проведении распознавания лица и бесконтактного измерения температуры полученные результаты озвучиваются голосом, например «проход разрешен» или «температура в норме».
• Возможность различных способов установки. Стандартно СКУД IPT-T70FR устанавливается на шарнирную опору, которая крепится на турникет или другую горизонтальную поверхность чуть ниже уровня лица[3].

2. Металлодетектор со встроенной тепловизорной камерой Hikvision ISD-SMG318LT-F, основными преимуществами данного устройства являются:

• Бесконтактное измерение температуры от ±0,5⁰ происходит с точностью на расстоянии от 0,3 м до 3 м при высоте цели от 1,45 м до 1,85 м по целевой точке на лице.
• Фильтр температур: возможность установки порога определенной температуры при превышении запустится звуковой сигнал тревоги.
• Отображение статистики: сбор информации о количестве прошедших через металлодетектор, об обнаружении металлических предметов, срабатываний тревоги, определение числа людей с температурой выше нормы [4].

3. Блокпост ТДК-01. Основными преимуществами данного устройства являются: система автоматической дезинфекции рук, бесконтактное измерение температуры тела, возможность работы устройства как от сети, так и автономно от батареек, а также повышенная работоспособность, компактность и мобильность устройства [5].
4. Гибридная тепловизорная цилиндрическая видеокамера DAHUA DH-TPC-BF5421P-T. Основными преимуществами данного устройства являются: устойчивая работа устройства в нестабильных уличных условиях, быстрая работа в местах больших скоплений посетителей, использование для предварительного мониторинга температурных изменений от +30°C до +45°C, также имеет интеллектуальную сигнализацию, срабатывание которой происходит при превышении заданного температурного порога [6].
5. Последний рассматриваемый аналог HIKVISION DS-2TP31B-3AUF. Основными преимуществами данного устройства являются: легкость изменения режима работы: может из ручного (портативного) превратиться в стационарный на штативе, удобство в работе (питание от аккумуляторов), сбор и просмотр результатов онлайн с использованием мобильного устройства или персонального компьютера, бесконтактное измерение температуры, точное определение показателей от (±0,5⁰ C) и возможность измерения в трех зонах (max, min, center) [7].

Проанализировав параметры комплексов для бесконтактного измерения температуры тела, можно сделать вывод, что главным их недостатком даже при выборе из самых дешевых аналогов, является цена, что для образовательного учреждения является очень важным фактором.

Для разработки модуля бесконтактного термометра была выбрана платформа Arduino Nano 3.0 [8], так как существующая система с ней совместима, а у технического специалиста, являющегося представителем стороны заказчика, есть опыт работы с данной аппаратной платформой.

Платформа Arduino это современный программно-аппаратный комплекс, получивший в настоящее время огромное распространение в различных отраслях как промышленного, так и бытового применения [9].

Существует множество определений данной платформы, приведем некоторые из них. Arduino это:

• платформа позволяющая проектировать электронные устройства, более плотно взаимодействующих с окружающей физической средой, построенная на простой печатной плате с современной средой для написания программного обеспечения с открытым программным кодом [10].
• электронная платформа, включающая так называемые стартовые наборы разработчика (starter kit), открытое программное обеспечение, предназначенное для быстрого создания интерактивных электронных устройств [11].
• торговая марка аппаратно-программных средств для построения простых систем автоматики и робототехники, ориентированная на непрофессиональных пользователей [12].

Рис. 1 – Схема модуля бесконтактного термометра

 

Заказчик в техническом задании указал следующие требования: компактность модуля, простота и надежность корпуса, бесконтактность, максимальное использование существующих материалов, правильный выбор расположения на турникете, разработка крепления.

Выполняемые работы: проектирование принципиальной схемы модуля бесконтактного термометра, подключение датчиков к платформе Arduino Nano 3.0 [13], написание программы, позволяющей записывать показания температуры тела входящих посетителей в базу данных на сервере, проектирование и реализация системы механического крепления прибора к существующему турникету в учреждении, монтаж и ввод модуля бесконтактного термометра в эксплуатацию.

В собираемой схеме использовались такие компоненты, как распределительная плата, Arduino Nano 3.0, датчик бесконтактного измерения температуры MLX 90614, соединительные провода и кабель питания. Технические характеристики датчика MLX 90614: точность в диапазоне до +60 0.5⁰ C, разрешение 0.01⁰ C, и диапазон измерения -70⁰ C … +380⁰ C.

Рис. 2 – Соединение турникета и модуля бесконтактного термометра

 

Разработанный модуль будет располагаться на фронтальной стороне турникета, ниже датчика считывания. Для использования входящему необходимо поднести пропускной браслет к считывающему элементу, а затем, авторизовавшись в системе, приложить руку к датчику температуры. Полученную информацию от датчика и считывателя микрокомпьютер Banana Pi отправит с помощью HTML запроса на сервер, тем самым записав информацию на сервер и, если температура удовлетворяет допустимой, разрешит доступ в учреждение.

Таким образом, ввод модуля бесконтактного термометра в эксплуатацию в образовательном учреждении обеспечит безопасное измерение температуры тела посетителя. С учетом низкой стоимости разрабатываемого модуля бесконтактного термометра он будет востребованным в образовательных учреждениях.

Кроме того, использование данной платформы в образовательном учреждении позволяет получить возможность развить навыки программирования на практике, а также освоить азы схемотехники [14], что дает возможность обучающимся освоить основные приемы разработки аппаратной и программной части автономных автоматизированных комплексов.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. РИА НОВОСТИ. Хроника распространения COVID-19 в России [Электронный ресурс] – URL: https://ria.ru/20210305/koronavirus-1599707836.html (дата обращения 04.03.2021)
2. Видеоглаз. Системы контроля и управления доступом (СКУД) [Электронный ресурс] – URL: https://videoglaz.ru/teplovizory-dlya-izmereniya-temperatury-tela/hikvision/hikvision-ds-2td2636b-13p-1 (дата обращения 04.03.2021)
3. Терминал для бесконтактного измерения температуры IPTRONIC IPT-T70FR [Электронный ресурс] – URL: https://clck.ru/UF5Hb (дата обращения 04.03.2021)
4. Паспорт изделия. Металлодетектор со встроенной тепловизионной камерой ISD-SMG318LT-F [Электронный ресурс] – URL: https://www.ami-com.ru/upload/iblock/47c/isd_smg318lt_f.pdf (дата обращения 04.03.2021)
5. Технический паспорт (инструкция по эксплуатации) Блокпост ТДК-01. [Электронный ресурс] – URL: https://www.tinko.ru/upload/ftp/ ftpextrafiles/docs/E/2/ E243460CB1E4DFE9ED88F460D9D2Apdf (дата обращения 04.03.2021)
6. Тепловизоры для измерения температуры тела [Электронный ресурс] – URL: https://redutsb.ru/catalog/teplovizory-dlya-izmereniya-temperatury-tela/ (дата обращения 04.03.2021)
7. Паспорт изделия. Ручной термограф DS-2TP31B-3AUF [Электронный ресурс] – URL: https://www.powervideo.ru/assets/files/products/15176/ds-2tp31b-3auf.pdf (дата обращения 04.03.2021)
8. Набор для робототехники Arduino UNO R3 с комплектом датчиков в кейсе и 10 уроками [Электронный ресурс] – URL: https://clck.ru/UF5K7 (дата обращения 04.03.2021)
9. Ситников П.Л. Принцип политехнизма на уроках информатики и ИКТ / П.Л. Ситников // Информационные и педагогические технологии в современном образовательном учреждении: Материалы междунар. науч.–практ. Конф. 28 апреля2014 г./ под ред. М.И. Шутиковой
10. Что такое Arduino. [Электронный ресурс]. – URL: http://advocat-volodarsky.kiev.ua/chto-takoe-arduino.html / (дата обращения 20.11.14)
11. Arduino [Электронный ресурс]. – URL: http://arduino.cc (дата обращения 04.03.2021).
12. Максимов П.В. Анализ одноплатных компьютеров, потенциально пригодных для использования в обучении / П.В. Максимов, Ю.В. Корнилов // Педагогическое мастерство и педагогические технологии: Материалы VI Междунар. науч.-практ. конф. (Чебоксары, 27 нояб. 2015 г.). В 2 т. Т. 2 / Редкол.: О.Н. Широков [и др.]. – Чебоксары: ЦНС «Интерактив плюс», 2015. – №4 (6). – С. 244–246.
13. Технические характеристики набора датчиков для Arduino проектов [Электронный ресурс] – URL: https://supereyes.ru/catalog/Nabory_kit/s3_enhanced_edition/?r1=yandext&r2=&ymclid=16115058109940064605600004 (дата обращения 04.03.2021)
14. Копосов Д.Г. Начала микроэлектроники на уроках информатики / Д.Г. Копосов // Всероссийский съезд учителей информатики. Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова. 24–26 марта 2011: Тезисы докладов. – М: Издательство Московского университета: 2011. – С. 600–601.

Список литературы на английском языке / References in English

1. RIA NOVOSTI. Khronika rasprostranenija COVID-19 v Rossii [RIA NOVOSTI. A Chronicle of the Spread of COVID-19 in Russia] [Electronic resource] - URL: https://ria.ru/20210305/koronavirus-1599707836.html (accessed: 04.03.2021) [in Russian]
2. Sistemy kontrolja i upravlenija dostupom (SKUD) [Videoglaz. Access Control Systems  (ACS)] [Electronic resource] - URL: https://videoglaz.ru/teplovizory-dlya-izmereniya-temperatury-tela/hikvision/hikvision-ds-2td2636b-13p-1(accessed 04.03.2021) [in Russian]
3. Terminal dlja beskontaktnogo izmerenija temperatury IPTRONIC IPT-T70FR [IPTRONIC IPT-T70FR Non-contact Temperature Measurement Terminal] [Electronic resource] - URL: https://clck.ru/UF5Hb (accessed: 04.03.2021) [in Russian]
4. Pasport izdelija. Metallodetektor so vstroennojj teplovizionnojj kamerojj ISD-SMG318LT-F [Datasheet. Metal Detector With Integrated Thermal Imaging Camera ISD-SMG318LT-F] [Electronic resource] - URL: https://www.ami-com.ru/upload/iblock/47c/isd_smg318lt_f.pdf (accessed: 04.03.2021) [in Russian]
5. Tekhnicheskijj pasport (instrukcija po ehkspluatacii) Blokpost TDK-01 [Technical Datasheet (Operating Instructions) Blokpost TDK-01] [Electronic resource] - URL: https://www.tinko.ru/upload/ftp/ ftpextrafiles/docs/E/2/ E243460CB1E4DFE9ED88F460D9D2A864. pdf (accessed: 04.03.2021) [in Russian]
6. Teplovizory dlja izmerenija temperatury tela [Thermal Imagers for Measuring Body Temperature] [Electronic resource] - URL: https://redutsb.ru/catalog/teplovizory-dlya-izmereniya-temperatury-tela/ (accessed: 04.03.2021) [in Russian]
7. Pasport izdelija. Ruchnojj termograf DS-2TP31B-3AUF [Datasheet. DS-2TP31B-3AUF Manual Thermograph] [Electronic resource] - URL: https://www.powervideo.ru/assets/files/products/15176/ds-2tp31b-3auf.pdf (accessed: 04.03.2021) [in Russian]
8. Nabor dlja robototekhniki Arduino UNO R3 s komplektom datchikov v kejjse i 10 urokami [Arduino Uno r3 Robotics Toolset With a Set of Sensors in a Case and 10 Lessons] [Electronic resource] - URL: https://clck.ru/UF5K7 (accessed: 04.03.2021) [in Russian]
9. Sitnikov P. L. Princip politekhnizma na urokakh informatiki i IKT [The Principle of Politechnism in the Lessons of Informatics and Ict] / P. L. Sitnikov // Informacionnye i pedagogicheskie tekhnologii v so-vremennom obrazovatel'nom uchrezhdenii: Materialy mezhdunar. nauch.–prakt. Konf [Information and Pedagogical Technologies in a Modern Educational Institution: Proceedings of the International Scientific and Practical Research Conference. April 28, 2014] / edited by M. I. Shutikova [in Russian]
10. Chto takoe Arduino [What is Arduino] [Electronic resource]. URL: http://advocat-volodarsky.kiev.ua/chto-takoe-arduino.html / (accessed: 20.11.14) [in Russian]
11. Arduino [Electronic resource]. URL: http://arduino.cc/ (accessed: 20.11.14) [in Russian]
12. Maksimov P. V. Analiz odnoplatnykh komp'juterov, potencial'no prigodnykh dlja ispol'zovanija v obuchenii [Analysis of Single-Board Computers Potentially Suitable for Use in Training] / P. V. Maksimov, Yu. V. Kornilov // Pedagogicheskoe masterstvo i pedagogicheskie tekhnologii: Materialy VI Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. (Cheboksary, 27 nojab. 2015 g.). 2 [Pedagogical Mastery and Pedagogical Technologies: Proceedings of the VI International Scientific and Practical Conference (Cheboksary, November 27, 2015). in 2 Volumes. Vol. 2] / Edited by O. N. Shirokov [et al.]. - Cheboksary: Center for Scientific Cooperation "Interaktiv Plus", 2015. – №4 (6), pp. 244-246. [in Russian]
13. Tekhnicheskie kharakteristiki nabora datchikov dlja Arduino proektov [Technical Characteristics of a Set of Sensors for Arduino Projects] [Electronic resource] - URL: https://clck.ru/UF5aS (accessed 04.03.2021) [in Russian]
14. Koposov D. G. The beginning of microelectronics at the lessons of informatics / D. G. Koposov // Vse-rossijjskijj s"ezd uchitelejj informatiki. Moskva, MGU imeni M.V. Lomono-sova. 24–26 marta 2011: Tezisy dokladov. [All-Russian Congress of Teachers of Informatics. Moscow, Moscow State University. March 24-26, 2011: Abstracts of reports]. - M: Moscow University Press: 2011, pp. 600-601 [in Russian]