羅元政，葉志誠，洪 渭

（廣東海洋大學(xué)，廣東 湛江524088）

自18世紀(jì)末，英國人F.W赫歇爾發(fā)現(xiàn)紅外輻射以來，紅外技術(shù)已發(fā)展百余年，發(fā)展?fàn)顩r相比其他領(lǐng)域要緩慢一些[1]。在19世紀(jì)初，亞硫酸鉈光電導(dǎo)探測器被發(fā)明出來，縮短了溫度測量的響應(yīng)時(shí)間和提高了測量的靈敏度，但性能還不夠。到上世紀(jì)40年代，德國研制出了包括硫化鉛在內(nèi)的一系列紅外投射材料，證實(shí)冷卻能使紅外探測器的靈敏度提高。隨后西方國家相繼投入研究，在過去競爭激烈、國際局勢動蕩、國家間關(guān)系緊張的世界格局下，他們熱衷將紅外技術(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，例如在衛(wèi)星偵測、高空偵察設(shè)備等軍用產(chǎn)品都能見到這些器件的應(yīng)用[2]。此后紅外材料和紅外傳感器的研究步入快速發(fā)展階段，并在民用領(lǐng)域取得較為廣泛的應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)以來，在紅外探測、紅外遙感、紅外熱成像等方面的發(fā)展，極大地改變了人們的生活。國內(nèi)的紅外技術(shù)研究起步較晚，開始的時(shí)候存在著明顯的代差。上世紀(jì)60年代，我國首次實(shí)現(xiàn)研制出第一臺紅外測溫儀。后來在上世紀(jì)80年代初期，許多針對較小的目標(biāo)、遠(yuǎn)距離生產(chǎn)特點(diǎn)的測溫儀器被引進(jìn)。西方發(fā)達(dá)國家的技術(shù)先進(jìn)，精度較高，但價(jià)格較高，民用企業(yè)無法大量采用[3]。隨著這些器件陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，測量精度能與國外產(chǎn)品相媲美，成本更低，使得紅外測溫儀能夠開始在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)在越來越多的場景不希望與物體接觸而得到溫度信息，特別是對高溫物體、危險(xiǎn)物質(zhì)和腐蝕性液體，將測溫探頭直接與這些物質(zhì)接觸會對儀器造成損害，更嚴(yán)重的是距離太近可能會對使用這些設(shè)備的操作者產(chǎn)生致命的危害，所以以往的測控技術(shù)還需要進(jìn)一步完善和更新。采用紅外技術(shù)來實(shí)現(xiàn)溫度的測量是一種很好地解決上述問題的方案，目前在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)廣泛運(yùn)用先進(jìn)的紅外溫度計(jì)來實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程或重要設(shè)備的監(jiān)視和控制。

隨著硬件科技的飛速發(fā)展，設(shè)備與設(shè)備之間的互聯(lián)與智能化程度越來越高，工具和器件愈來愈信息化和集成化。以往的溫度測量系統(tǒng)使用的單片機(jī)，功能太少，而且功耗較大，運(yùn)算能量不夠，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的市場需要。近年來，簡單靈活、便于上手的開源電子原型平臺Arduino被開發(fā)出來。其能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，也能通過各種輸出設(shè)備來影響周圍的環(huán)境[4]。由于其開源的特性，人們可以很方便地對其進(jìn)行開發(fā)，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期[5]。

通過Arduino平臺設(shè)計(jì)一套相對完整的紅外溫控系統(tǒng)，在探索科技創(chuàng)新的同時(shí)，也能為紅外溫控提供一些可行的方案。因此，本文探索一種無接觸的紅外溫控技術(shù)，利用Arduino平臺通過軟硬件的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)對溫度的感知、處理、信號輸出與實(shí)現(xiàn)對溫度的控制。創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種高效的、無接觸的紅外溫控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)溫度測量、溫度顯示、溫度自動調(diào)節(jié)、自動溫度告警及遠(yuǎn)程監(jiān)測等功能。

1 研究內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)利用Arduino平臺、紅外測溫模塊、OLED顯示器、NodeMCU平臺（搭載ESP8266 Wi-Fi模塊）、報(bào)警模塊及網(wǎng)頁用戶端，實(shí)現(xiàn)了物理世界——微型計(jì)算機(jī)——網(wǎng)絡(luò)——用戶層級之間的連接。其中紅外傳感器是作為感知層，將物理量轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠識別的電信號；Arduino作為一個處理信息的中心硬件，接收和向各器件傳輸信號；Wi-Fi模塊搭建起用戶與硬件之間的橋梁。溫控模塊包含KY-019 1路繼電器、R280直流電機(jī)及風(fēng)扇葉片。溫控模塊要完成的功能是當(dāng)溫度過高時(shí)，及時(shí)地對物體進(jìn)行降溫。采取風(fēng)冷降溫的方式，讓流動的空氣帶走物體的熱能是較為簡便而高效的降溫手段。因此，對溫控模塊要采取單獨(dú)供電，用繼電器來控制獨(dú)立電源的開和關(guān)，并在電路中添加二極管來對電路做整流處理。本系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)各模塊結(jié)構(gòu)圖

1.2 紅外測溫傳感器的結(jié)構(gòu)

不同類型的紅外測溫傳感器的測溫原理會存在差異，其測量原理主要基于塞貝克效應(yīng)。熱電堆由許多熱電偶串聯(lián)，當(dāng)接收紅外輻射后，熱電偶兩端出現(xiàn)溫度差，產(chǎn)生溫差電動勢。信號放大器將電壓信號放大后，對信號進(jìn)行補(bǔ)償與分析，再通過A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號，經(jīng)過處理后便形成我們想要的溫度信息。紅外測溫傳感器主要由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器、信號放大器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理及顯示輸出等部分組成[6]。本文選用了MLX90614紅外測溫傳感器用于探測目標(biāo)物體的溫度，其測量溫度范圍在-70℃-+380℃。精度高，測量辨析度達(dá)到0.02℃，已能夠滿足大部分使用場景的要求，測量距離在加裝透鏡后可以到達(dá)數(shù)米。工作電壓為3.3V或5V，可搭配外部器件來支持更加高電壓的供電方式。其支持的SMBus命令協(xié)議只有兩種，分別是讀取數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以選擇采用PWM脈沖調(diào)制輸出模式來輸出數(shù)字信號。

其內(nèi)部熱電偶的冷接頭置于芯片襯底上，熱接頭置于薄膜上，薄膜通過吸收紅外輻射使自身加熱會使冷熱接頭之間造成溫度差，產(chǎn)生溫差電動勢[7]。熱電堆輸出的電壓信號滿足以下關(guān)系式：

其中Ta為傳感芯片的絕對溫度，To為目標(biāo)物體的絕對溫度，A為靈敏度。

通過測量熱電堆的輸出電壓，再由芯片上的溫度傳感器來測量出芯片的溫度，經(jīng)過內(nèi)部集成的信號處理芯片對這些輸出信號進(jìn)行處理后，生成我們可以直觀理解的溫度數(shù)據(jù)并儲存在RAM中，后面根據(jù)需要可以用Arduino做進(jìn)一步處理。

1.3 測溫系統(tǒng)流程圖

本系統(tǒng)的主要運(yùn)行流程大致是：首先紅外溫度傳感器模塊感知溫度信號并轉(zhuǎn)換為原始的數(shù)字信號輸出，Arduino接收到該信號后對該信號進(jìn)行處理再輸出到OLED顯示器可供查看并判讀當(dāng)前溫度是否過高，做出相應(yīng)的溫度控制操作。同時(shí)，把處理好的溫度信號傳遞給NodeMCU，由其再通過所搭載的Wi-Fi模塊把數(shù)據(jù)傳送給用戶，流程如圖2所示。

圖2 測溫系統(tǒng)流程圖

1.4 服務(wù)器搭建

使用NodeMCU平臺作一個簡易的服務(wù)器，通過Wi-Fi接入局域網(wǎng)，用戶可以在手機(jī)或電腦的瀏覽器中通過IP地址來訪問這個服務(wù)器，當(dāng)用戶與服務(wù)器建立連接時(shí)，能實(shí)時(shí)獲取Arduino傳輸過來的溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)顯示在網(wǎng)頁用戶端中。服務(wù)器的程序流程如圖3所示。

圖3 服務(wù)器程序流程圖

用戶端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)借助超文本標(biāo)記語言（HTML）來進(jìn)行網(wǎng)頁的設(shè)計(jì)。HTML通過標(biāo)記符號來標(biāo)記網(wǎng)頁中要顯示的部分，網(wǎng)頁本身就是一種文本，通過HTML可以告訴瀏覽器在什么位置顯示什么內(nèi)容，瀏覽器將對應(yīng)展示相應(yīng)的文本、圖片或樣式[8-9]。使用HTML最大的優(yōu)勢就是簡單易懂，可以在網(wǎng)頁上直接進(jìn)行調(diào)試和修改，效果會非常顯著。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)跨平臺使用，不管是PC端還是手機(jī)端，任何操作系統(tǒng)都能夠兼容。

傳輸HTML文本往往需要通過HTTP協(xié)議，要完成完整的響應(yīng)-應(yīng)答信息交換過程，客戶請求后，服務(wù)器再返回相應(yīng)的內(nèi)容給客戶[10]。但本設(shè)計(jì)只需返回給客戶網(wǎng)頁和溫度數(shù)據(jù)，不需要針對客戶其他請求來做出額外的響應(yīng)，而在本設(shè)計(jì)中不需要完整的應(yīng)答過程，故不是嚴(yán)格的HTTP協(xié)議過程的Web服務(wù)器，而是標(biāo)準(zhǔn)的TCP服務(wù)器。在完成HTML代碼的編寫后，將HTML代碼燒寫進(jìn)ESP8266 Wi-Fi模塊中，一旦用戶設(shè)備與服務(wù)器建立連接，服務(wù)器響應(yīng)并發(fā)送HTML代碼給用戶設(shè)備，用戶可在瀏覽器上接收網(wǎng)頁內(nèi)容。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度模塊實(shí)時(shí)顯示狀況

為了更加清晰完整地獲得測試數(shù)據(jù)和結(jié)果，先將Arduino與電腦進(jìn)行連接，通過Arduino IDE的串口監(jiān)視器來進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢測和記錄。希望更方便地進(jìn)行報(bào)警模塊和溫控模塊的測試，當(dāng)前設(shè)置報(bào)警和進(jìn)行溫控的閾值溫度為30℃，要求超出該溫度時(shí)，這兩個模塊要做出響應(yīng)。結(jié)果表明，當(dāng)溫度高于閾值溫度時(shí)，報(bào)警模塊能發(fā)出警報(bào)，繼電器開關(guān)吸合啟動風(fēng)扇進(jìn)行散熱，同時(shí)OLED顯示器打印出報(bào)警信息如圖4所示。

圖4 串口監(jiān)視器測溫報(bào)警圖

2.2 服務(wù)器及用戶端功能實(shí)現(xiàn)結(jié)果

在確定Arduino驅(qū)動的模塊都達(dá)到預(yù)期要求后，接著檢測簡易服務(wù)器和網(wǎng)頁用戶端是否能達(dá)到預(yù)期要求。將NodeMCU平臺通過USB接口連接上電腦，Wi-Fi模塊開始工作，并執(zhí)行程序完成服務(wù)器的初始化。通過串口監(jiān)視器我們可以了解到當(dāng)前服務(wù)器有無接入無線局域網(wǎng)。手機(jī)接入無線局域網(wǎng)絡(luò)后，打開手機(jī)的瀏覽器，輸入IP地址來對網(wǎng)頁用戶端進(jìn)行訪問，服務(wù)器與用戶建立連接后，串口監(jiān)視器會打印出“Client Connected”，之后開始接收Arduino傳來的溫度數(shù)據(jù)。服務(wù)器與用戶設(shè)備連接后就把網(wǎng)頁推送給用戶，用戶可以得到完整的網(wǎng)頁內(nèi)容，在網(wǎng)頁中間顯示當(dāng)前的溫度狀況，而且每5秒會自動進(jìn)行網(wǎng)頁的刷新來顯示新的數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 手機(jī)網(wǎng)頁用戶端測試結(jié)果

測試顯示，系統(tǒng)各模塊都能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，成功完成了所有電路和軟件的設(shè)計(jì)，已經(jīng)能完成包括紅外測溫、信息顯示、聲光報(bào)警、自動溫控及遠(yuǎn)程監(jiān)測在內(nèi)的所有功能，并且均能達(dá)到預(yù)期要求，如圖6所示為系統(tǒng)運(yùn)行情況。但整體信號也偶爾受到電路的干擾，比如在直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會對電路其他部分產(chǎn)生電磁干擾，最后通過在繼電器信號線上加入二極管進(jìn)行整流處理，問題得以解決。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行展示

3 結(jié)束語

本文分析了基于Arduino的紅外溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程和實(shí)現(xiàn)過程，筆者對Arduino平臺、紅外測溫原理以及Wi-Fi通信技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究。整合各平臺的優(yōu)勢，將軟件和硬件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了這套紅外溫控系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容和取得的主要成果如下：

（1）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種能進(jìn)行紅外溫控并支持遠(yuǎn)程監(jiān)測功能的系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的整體需求，在基于Arduino平臺的基礎(chǔ)上，將其分為六大模塊，為它們設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電路和程序。實(shí)現(xiàn)了紅外測溫、信息顯示、溫度過高自動報(bào)警、自動降溫等功能，并通過Wi-Fi技術(shù)傳輸溫度數(shù)據(jù)給用戶。

（2）利用了目前比較新的物聯(lián)網(wǎng)平臺NodeMCU，通過它可以為系統(tǒng)擴(kuò)展一些物聯(lián)網(wǎng)的功能，其搭載的ESP8266 Wi-Fi模塊是一款非常優(yōu)秀的器件，可以較方便地實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)與用戶的遠(yuǎn)程連接。

（3）結(jié)合了前端開發(fā)的技術(shù)，借助HTML完成了網(wǎng)頁用戶端的設(shè)計(jì)，設(shè)置合理的UI布局，能夠在各類設(shè)備中進(jìn)行瀏覽，充分滿足用戶的使用需求。

本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測，使得用戶能不受距離限制來獲取當(dāng)前目標(biāo)的溫度數(shù)據(jù)，能充分滿足人們對設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)化要求，在如今智能化和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代背景下，賦予該系統(tǒng)能夠在更多的場合下有被使用的意義和價(jià)值，同時(shí)帶來一定的社會效益。