基于Arduino的網(wǎng)頁(yè)端紅外溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

羅元政，葉志誠(chéng)，洪 渭

（廣東海洋大學(xué)，廣東 湛江524088）

自18世紀(jì)末，英國(guó)人F.W赫歇爾發(fā)現(xiàn)紅外輻射以來(lái)，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(cè)器被發(fā)明出來(lái)，縮短了溫度測(cè)量的響應(yīng)時(shí)間和提高了測(cè)量的靈敏度，但性能還不夠。到上世紀(jì)40年代，德國(guó)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(cè)器的靈敏度提高。隨后西方國(guó)家相繼投入研究，在過(guò)去競(jìng)爭(zhēng)激烈、國(guó)際局勢(shì)動(dòng)蕩、國(guó)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(cè)、高空偵察設(shè)備等軍用產(chǎn)品都能見(jiàn)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(lái)，在紅外探測(cè)、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(guó)內(nèi)的紅外技術(shù)研究起步較晚，開(kāi)始的時(shí)候存在著明顯的代差。上世紀(jì)60年代，我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)研制出第一臺(tái)紅外測(cè)溫儀。后來(lái)在上世紀(jì)80年代初期，許多針對(duì)較小的目標(biāo)、遠(yuǎn)距離生產(chǎn)特點(diǎn)的測(cè)溫儀器被引進(jìn)。西方發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)先進(jìn)，精度較高，但價(jià)格較高，民用企業(yè)無(wú)法大量采用[3]。隨著這些器件陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，測(cè)量精度能與國(guó)外產(chǎn)品相媲美，成本更低，使得紅外測(cè)溫儀能夠開(kāi)始在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)在越來(lái)越多的場(chǎng)景不希望與物體接觸而得到溫度信息，特別是對(duì)高溫物體、危險(xiǎn)物質(zhì)和腐蝕性液體，將測(cè)溫探頭直接與這些物質(zhì)接觸會(huì)對(duì)儀器造成損害，更嚴(yán)重的是距離太近可能會(huì)對(duì)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(cè)控技術(shù)還需要進(jìn)一步完善和更新。采用紅外技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量是一種很好地解決上述問(wèn)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)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(lái)越高，工具和器件愈來(lái)愈信息化和集成化。以往的溫度測(cè)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(chǎng)需要。近年來(lái)，簡(jiǎn)單靈活、便于上手的開(kāi)源電子原型平臺(tái)Arduino被開(kāi)發(fā)出來(lái)。其能通過(guò)各種各樣的傳感器來(lái)感知環(huán)境，也能通過(guò)各種輸出設(shè)備來(lái)影響周圍的環(huán)境[4]。由于其開(kāi)源的特性，人們可以很方便地對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)，縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期[5]。

通過(guò)Arduino平臺(tái)設(shè)計(jì)一套相對(duì)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(wú)接觸的紅外溫控技術(shù)，利用Arduino平臺(tái)通過(guò)軟硬件的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的感知、處理、信號(hào)輸出與實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種高效的、無(wú)接觸的紅外溫控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量、溫度顯示、溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)溫度告警及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等功能。

1 研究?jī)?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(tái)、紅外測(cè)溫模塊、OLED顯示器、NodeMCU平臺(tái)（搭載ESP8266 Wi-Fi模塊）、報(bào)警模塊及網(wǎng)頁(yè)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(jí)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(shí)別的電信號(hào)；Arduino作為一個(gè)處理信息的中心硬件，接收和向各器件傳輸信號(hào)；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(guò)高時(shí)，及時(shí)地對(duì)物體進(jìn)行降溫。采取風(fēng)冷降溫的方式，讓流動(dòng)的空氣帶走物體的熱能是較為簡(jiǎn)便而高效的降溫手段。因此，對(duì)溫控模塊要采取單獨(dú)供電，用繼電器來(lái)控制獨(dú)立電源的開(kāi)和關(guān)，并在電路中添加二極管來(lái)對(duì)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(cè)溫傳感器的結(jié)構(gòu)

不同類型的紅外測(cè)溫傳感器的測(cè)溫原理會(huì)存在差異，其測(cè)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(dòng)勢(shì)。信號(hào)放大器將電壓信號(hào)放大后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償與分析，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后便形成我們想要的溫度信息。紅外測(cè)溫傳感器主要由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器、信號(hào)放大器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理及顯示輸出等部分組成[6]。本文選用了MLX90614紅外測(cè)溫傳感器用于探測(cè)目標(biāo)物體的溫度，其測(cè)量溫度范圍在-70℃-+380℃。精度高，測(cè)量辨析度達(dá)到0.02℃，已能夠滿足大部分使用場(chǎng)景的要求，測(cè)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(lái)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(xiě)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(lái)輸出數(shù)字信號(hào)。

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(guò)吸收紅外輻射使自身加熱會(huì)使冷熱接頭之間造成溫度差，產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)[7]。熱電堆輸出的電壓信號(hào)滿足以下關(guān)系式：

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

通過(guò)測(cè)量熱電堆的輸出電壓，再由芯片上的溫度傳感器來(lái)測(cè)量出芯片的溫度，經(jīng)過(guò)內(nèi)部集成的信號(hào)處理芯片對(duì)這些輸出信號(hào)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(chǔ)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(cè)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(hào)并轉(zhuǎn)換為原始的數(shù)字信號(hào)輸出，Arduino接收到該信號(hào)后對(duì)該信號(hào)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(guò)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(hào)傳遞給NodeMCU，由其再通過(guò)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(cè)溫系統(tǒng)流程圖

1.4 服務(wù)器搭建

使用NodeMCU平臺(tái)作一個(gè)簡(jiǎn)易的服務(wù)器，通過(guò)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(guò)IP地址來(lái)訪問(wèn)這個(gè)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(guò)來(lái)的溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)顯示在網(wǎng)頁(yè)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(yǔ)言（HTML）來(lái)進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)的設(shè)計(jì)。HTML通過(guò)標(biāo)記符號(hào)來(lái)標(biāo)記網(wǎng)頁(yè)中要顯示的部分，網(wǎng)頁(yè)本身就是一種文本，通過(guò)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(duì)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(shì)就是簡(jiǎn)單易懂，可以在網(wǎng)頁(yè)上直接進(jìn)行調(diào)試和修改，效果會(huì)非常顯著。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)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(guò)HTTP協(xié)議，要完成完整的響應(yīng)-應(yīng)答信息交換過(guò)程，客戶請(qǐng)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(yè)和溫度數(shù)據(jù)，不需要針對(duì)客戶其他請(qǐng)求來(lái)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(guò)程，故不是嚴(yán)格的HTTP協(xié)議過(guò)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(xiě)后，將HTML代碼燒寫(xiě)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(yè)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(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)果，先將Arduino與電腦進(jìn)行連接，通過(guò)Arduino IDE的串口監(jiān)視器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢測(cè)和記錄。希望更方便地進(jìn)行報(bào)警模塊和溫控模塊的測(cè)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(gè)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(kāi)關(guān)吸合啟動(dòng)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(cè)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(dòng)的模塊都達(dá)到預(yù)期要求后，接著檢測(cè)簡(jiǎn)易服務(wù)器和網(wǎng)頁(yè)用戶端是否能達(dá)到預(yù)期要求。將NodeMCU平臺(tái)通過(guò)USB接口連接上電腦，Wi-Fi模塊開(kāi)始工作，并執(zhí)行程序完成服務(wù)器的初始化。通過(guò)串口監(jiān)視器我們可以了解到當(dāng)前服務(wù)器有無(wú)接入無(wú)線局域網(wǎng)。手機(jī)接入無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)后，打開(kāi)手機(jī)的瀏覽器，輸入IP地址來(lái)對(duì)網(wǎng)頁(yè)用戶端進(jìn)行訪問(wèn)，服務(wù)器與用戶建立連接后，串口監(jiān)視器會(huì)打印出“Client Connected”，之后開(kāi)始接收Arduino傳來(lái)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(yè)推送給用戶，用戶可以得到完整的網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容，在網(wǎng)頁(yè)中間顯示當(dāng)前的溫度狀況，而且每5秒會(huì)自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)的刷新來(lái)顯示新的數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 手機(jī)網(wǎng)頁(yè)用戶端測(cè)試結(jié)果

測(cè)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(cè)溫、信息顯示、聲光報(bào)警、自動(dòng)溫控及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(hào)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(huì)對(duì)電路其他部分產(chǎn)生電磁干擾，最后通過(guò)在繼電器信號(hào)線上加入二極管進(jìn)行整流處理，問(wèn)題得以解決。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行展示

3 結(jié)束語(yǔ)

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(guò)程，筆者對(duì)Arduino平臺(tái)、紅外測(cè)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(tái)的優(yōu)勢(shì)，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?jī)?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(cè)功能的系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的整體需求，在基于Arduino平臺(tái)的基礎(chǔ)上，將其分為六大模塊，為它們?cè)O(shè)計(jì)了相應(yīng)的電路和程序。實(shí)現(xiàn)了紅外測(cè)溫、信息顯示、溫度過(guò)高自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)降溫等功能，并通過(guò)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(tái)NodeMCU，通過(guò)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(kāi)發(fā)的技術(shù)，借助HTML完成了網(wǎng)頁(yè)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(cè)，使得用戶能不受距離限制來(lái)獲取當(dāng)前目標(biāo)的溫度數(shù)據(jù)，能充分滿足人們對(duì)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(chǎng)合下有被使用的意義和價(jià)值，同時(shí)帶來(lái)一定的社會(huì)效益。