基于Arduino的网页端红外温控系统设计*

2021-09-16罗元政叶志诚

科技创新与应用 2021年25期

罗元政，叶志诚，洪渭

（广东海洋大学，广东湛江524088）

自18世纪末，英国人F.W赫歇尔发现红外辐射以来，红外技术已发展百余年，发展状况相比其他领域要缓慢一些[1]。在19世纪初，亚硫酸铊光电导探测器被发明出来，缩短了温度测量的响应时间和提高了测量的灵敏度，但性能还不够。到上世纪40年代，德国研制出了包括硫化铅在内的一系列红外投射材料，证实冷却能使红外探测器的灵敏度提高。随后西方国家相继投入研究，在过去竞争激烈、国际局势动荡、国家间关系紧张的世界格局下，他们热衷将红外技术应用于军事领域，例如在卫星侦测、高空侦察设备等军用产品都能见到这些器件的应用[2]。此后红外材料和红外传感器的研究步入快速发展阶段，并在民用领域取得较为广泛的应用。进入21世纪以来，在红外探测、红外遥感、红外热成像等方面的发展，极大地改变了人们的生活。国内的红外技术研究起步较晚，开始的时候存在着明显的代差。上世纪60年代，我国首次实现研制出第一台红外测温仪。后来在上世纪80年代初期，许多针对较小的目标、远距离生产特点的测温仪器被引进。西方发达国家的技术先进，精度较高，但价格较高，民用企业无法大量采用[3]。随着这些器件陆续实现了国产化，测量精度能与国外产品相媲美，成本更低，使得红外测温仪能够开始在国内得到广泛应用。

现在越来越多的场景不希望与物体接触而得到温度信息，特别是对高温物体、危险物质和腐蚀性液体，将测温探头直接与这些物质接触会对仪器造成损害，更严重的是距离太近可能会对使用这些设备的操作者产生致命的危害，所以以往的测控技术还需要进一步完善和更新。采用红外技术来实现温度的测量是一种很好地解决上述问题的方案，目前在工业领域已经广泛运用先进的红外温度计来实现对生产过程或重要设备的监视和控制。

随着硬件科技的飞速发展，设备与设备之间的互联与智能化程度越来越高，工具和器件愈来愈信息化和集成化。以往的温度测量系统使用的单片机，功能太少，而且功耗较大，运算能量不够，已经不能满足现在的市场需要。近年来，简单灵活、便于上手的开源电子原型平台Arduino被开发出来。其能通过各种各样的传感器来感知环境，也能通过各种输出设备来影响周围的环境[4]。由于其开源的特性，人们可以很方便地对其进行开发，缩短了产品的开发周期[5]。

通过Arduino平台设计一套相对完整的红外温控系统，在探索科技创新的同时，也能为红外温控提供一些可行的方案。因此，本文探索一种无接触的红外温控技术，利用Arduino平台通过软硬件的结合来实现对温度的感知、处理、信号输出与实现对温度的控制。创新设计了一种高效的、无接触的红外温控系统来实现温度测量、温度显示、温度自动调节、自动温度告警及远程监测等功能。

1 研究内容和实验

1.1 系统总体架构

本系统利用Arduino平台、红外测温模块、OLED显示器、NodeMCU平台（搭载ESP8266 Wi-Fi模块）、报警模块及网页用户端，实现了物理世界——微型计算机——网络——用户层级之间的连接。其中红外传感器是作为感知层，将物理量转化为计算机能够识别的电信号；Arduino作为一个处理信息的中心硬件，接收和向各器件传输信号；Wi-Fi模块搭建起用户与硬件之间的桥梁。温控模块包含KY-019 1路继电器、R280直流电机及风扇叶片。温控模块要完成的功能是当温度过高时，及时地对物体进行降温。采取风冷降温的方式，让流动的空气带走物体的热能是较为简便而高效的降温手段。因此，对温控模块要采取单独供电，用继电器来控制独立电源的开和关，并在电路中添加二极管来对电路做整流处理。本系统的整体框架如图1所示。

图1 系统各模块结构图

1.2 红外测温传感器的结构

不同类型的红外测温传感器的测温原理会存在差异，其测量原理主要基于塞贝克效应。热电堆由许多热电偶串联，当接收红外辐射后，热电偶两端出现温度差，产生温差电动势。信号放大器将电压信号放大后，对信号进行补偿与分析，再通过A/D转换器输出数字信号，经过处理后便形成我们想要的温度信息。红外测温传感器主要由光学系统、红外探测器、信号放大器、滤波器、A/D转换器、信号处理及显示输出等部分组成[6]。本文选用了MLX90614红外测温传感器用于探测目标物体的温度，其测量温度范围在-70℃-+380℃。精度高，测量辨析度达到0.02℃，已能够满足大部分使用场景的要求，测量距离在加装透镜后可以到达数米。工作电压为3.3V或5V，可搭配外部器件来支持更加高电压的供电方式。其支持的SMBus命令协议只有两种，分别是读取数据和写入数据，同时也可以选择采用PWM脉冲调制输出模式来输出数字信号。

其内部热电偶的冷接头置于芯片衬底上，热接头置于薄膜上，薄膜通过吸收红外辐射使自身加热会使冷热接头之间造成温度差，产生温差电动势[7]。热电堆输出的电压信号满足以下关系式：

其中Ta为传感芯片的绝对温度，To为目标物体的绝对温度，A为灵敏度。

通过测量热电堆的输出电压，再由芯片上的温度传感器来测量出芯片的温度，经过内部集成的信号处理芯片对这些输出信号进行处理后，生成我们可以直观理解的温度数据并储存在RAM中，后面根据需要可以用Arduino做进一步处理。

1.3 测温系统流程图

本系统的主要运行流程大致是：首先红外温度传感器模块感知温度信号并转换为原始的数字信号输出，Arduino接收到该信号后对该信号进行处理再输出到OLED显示器可供查看并判读当前温度是否过高，做出相应的温度控制操作。同时，把处理好的温度信号传递给NodeMCU，由其再通过所搭载的Wi-Fi模块把数据传送给用户，流程如图2所示。

图2 测温系统流程图

1.4 服务器搭建

使用NodeMCU平台作一个简易的服务器，通过Wi-Fi接入局域网，用户可以在手机或电脑的浏览器中通过IP地址来访问这个服务器，当用户与服务器建立连接时，能实时获取Arduino传输过来的温度数据，并将温度数据显示在网页用户端中。服务器的程序流程如图3所示。

图3 服务器程序流程图

用户端的设计与实现借助超文本标记语言（HTML）来进行网页的设计。HTML通过标记符号来标记网页中要显示的部分，网页本身就是一种文本，通过HTML可以告诉浏览器在什么位置显示什么内容，浏览器将对应展示相应的文本、图片或样式[8-9]。使用HTML最大的优势就是简单易懂，可以在网页上直接进行调试和修改，效果会非常显著。该技术可以实现跨平台使用，不管是PC端还是手机端，任何操作系统都能够兼容。

传输HTML文本往往需要通过HTTP协议，要完成完整的响应-应答信息交换过程，客户请求后，服务器再返回相应的内容给客户[10]。但本设计只需返回给客户网页和温度数据，不需要针对客户其他请求来做出额外的响应，而在本设计中不需要完整的应答过程，故不是严格的HTTP协议过程的Web服务器，而是标准的TCP服务器。在完成HTML代码的编写后，将HTML代码烧写进ESP8266 Wi-Fi模块中，一旦用户设备与服务器建立连接，服务器响应并发送HTML代码给用户设备，用户可在浏览器上接收网页内容。

2 结果与讨论

2.1 温度模块实时显示状况

为了更加清晰完整地获得测试数据和结果，先将Arduino与电脑进行连接，通过Arduino IDE的串口监视器来进行数据的检测和记录。希望更方便地进行报警模块和温控模块的测试，当前设置报警和进行温控的阈值温度为30℃，要求超出该温度时，这两个模块要做出响应。结果表明，当温度高于阈值温度时，报警模块能发出警报，继电器开关吸合启动风扇进行散热，同时OLED显示器打印出报警信息如图4所示。

图4 串口监视器测温报警图

2.2 服务器及用户端功能实现结果

在确定Arduino驱动的模块都达到预期要求后，接着检测简易服务器和网页用户端是否能达到预期要求。将NodeMCU平台通过USB接口连接上电脑，Wi-Fi模块开始工作，并执行程序完成服务器的初始化。通过串口监视器我们可以了解到当前服务器有无接入无线局域网。手机接入无线局域网络后，打开手机的浏览器，输入IP地址来对网页用户端进行访问，服务器与用户建立连接后，串口监视器会打印出“Client Connected”，之后开始接收Arduino传来的温度数据。服务器与用户设备连接后就把网页推送给用户，用户可以得到完整的网页内容，在网页中间显示当前的温度状况，而且每5秒会自动进行网页的刷新来显示新的数据，如图5所示。

图5 手机网页用户端测试结果

测试显示，系统各模块都能正常运转，成功完成了所有电路和软件的设计，已经能完成包括红外测温、信息显示、声光报警、自动温控及远程监测在内的所有功能，并且均能达到预期要求，如图6所示为系统运行情况。但整体信号也偶尔受到电路的干扰，比如在直流电机运转时会对电路其他部分产生电磁干扰，最后通过在继电器信号线上加入二极管进行整流处理，问题得以解决。