在室外復(fù)雜環(huán)境下測溫曲線的修正和優(yōu)化

周逸倫，李 軍，蔡 屹

(1.深圳市軟筑信息技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518034；2.深圳市檢驗檢疫科學(xué)研究院，廣東 深圳 518033；3.深圳海關(guān)信息中心，廣東 深圳 518033）

引言

利用紅外熱成像的方法對被測物進行溫度測量，不需要與被測物體進行接觸，對于具有高傳染性的流行性疾病具有很好的防治作用。通過紅外熱成像顯示的偽彩色圖像再結(jié)合軟件系統(tǒng)中的測溫模塊對疑似患者進行遠距離體溫測量，既可以發(fā)現(xiàn)密集人群中體溫偏高者，又可以在自身不被傳染的前提下對疑似患者進行體溫測定。

從紅外測溫的原理出發(fā)，研究了紅外測溫儀測溫的原理，首先從理論上分析了影響紅外測溫精度的因素。通過一個現(xiàn)有的紅外測溫探頭設(shè)計了一個紅外測溫系統(tǒng)，并依此系統(tǒng)實際分析了影響測溫精度的因素，設(shè)計了基于環(huán)境溫度變化補償?shù)募t外測溫系統(tǒng)。

1 紅外測溫系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)文獻[1-3]中設(shè)計的體溫測量記錄系統(tǒng)，本研究結(jié)合了自身的應(yīng)用場景，設(shè)計了主要由紅外攝像機、單片機、環(huán)境溫度傳感器、超聲波傳感器和模擬小黑體組成的紅外測溫系統(tǒng)。傳感器數(shù)據(jù)采集單片機作為控制單元，不僅需要控制紅外傳感器、DS18B20 環(huán)境溫度傳感器、模擬小黑體STS3x 傳感器和超聲波單元進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)讀取和處理，還要將得到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到工控機中，通信協(xié)議采用RS232。傳感器數(shù)據(jù)采集單片機將采集到的數(shù)據(jù)通過RS232 串口傳輸?shù)缴衔粰C中，上位機使用Python 進行數(shù)據(jù)接收并把數(shù)據(jù)存儲在文本文檔中。當(dāng)處理數(shù)據(jù)的時候，Python 能夠方便的進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

2 用Python 實現(xiàn)工控機與傳感器數(shù)據(jù)采集單片機的串行通信

Python 具有幾百個內(nèi)部函數(shù)還有三十幾種能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)專業(yè)的數(shù)據(jù)處理與分析的工具包。在串行通信中主要用到的是設(shè)備控制箱，這個工具箱提供了對RS-232/RS-485 通信標(biāo)準的串口通信的支持。

2.1 Python 串行通信流程介紹

基于Co1texM4 內(nèi)核的STM32F407 傳感器數(shù)據(jù)采集單片機為下位機，工控機為上位機。工控機串口與單片機主通訊串口相連。系統(tǒng)工作時Python 首先調(diào)用設(shè)備控制工具箱中的serial 類及相關(guān)函數(shù)創(chuàng)建串口設(shè)備對象，設(shè)置與單片機相對應(yīng)的波特率、數(shù)據(jù)位等通信格式，打開串口設(shè)備文件，就可以用16 進制ascii 碼對串口進行相應(yīng)的操作。

2.2 工控機與傳感器數(shù)據(jù)采集單片機串口通訊的實現(xiàn)

傳感器數(shù)據(jù)采集單片機串口與工控機串口相連,工控機上我們使用了Python 語言在Pycharm 中開發(fā)了上位機，工控機通過串口向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，單片機的串口收到指令后，分別使用環(huán)境溫度傳感器DS18B20、超聲波傳感器AJ-SRO4M-T-X 和模擬小黑體STS3x 進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集, 然后單片機將采集的數(shù)值送往串口, 上位機直接接收數(shù)據(jù)并打印輸出溫度數(shù)據(jù),并將采集到的數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫進行保存。Python 為我們提供了串口操作的類, 使用較少代碼就可以實現(xiàn)從PC 的串口接收數(shù)據(jù), 將串口傳過來的溫度數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫,也可以利用Python 的flask 框架進行數(shù)據(jù)的查詢展示，工作流程見圖1。

圖1 Python 串行數(shù)據(jù)采集流程圖

3 像采集功能的實現(xiàn)

基于windows 工控機的圖像采集模塊：

通過LabView 編寫相應(yīng)的圖像采集和處理用戶程序，控制USB 接口的歐普士XI400 熱像儀和抓拍或者連續(xù)采集圖像，保存圖像文件，并對圖像進行壓縮和灰度、二值化及增強等圖像處理。

圖像采集和抓取程序包括兩個事件：一是抓取圖像并輸出到圖像顯示窗口；二是將抓取的圖像存儲到文件。程序執(zhí)行的過程是首先打開所選擇的歐普士XI400 熱像儀，啟動圖像抓取，LabView 會獲取歐普士XI400 熱像儀的當(dāng)前幀，獲取成功后會以“JEPG”格式保存到文件。

4 測量溫度值優(yōu)化

算法介紹：

理論依據(jù)來源于兩點測溫法，直接測量在同一物體表面的溫度，計算被測面上兩點的溫度差。需已知被測物體表面的發(fā)射率和環(huán)境溫度，可以由測量的輻射溫度計算出表面真實溫度。由于誤差累積，紅外測溫設(shè)備的局限性，采用以上方法誤差較大。

由上文可以看出，影響紅外測溫精度的因素有環(huán)境溫度和發(fā)射率，文獻[4-6]討論了其他因素對紅外熱像儀測溫準確度的影響，如環(huán)境溫度、大氣濕度、發(fā)射率等，文獻[7]討論了環(huán)境中高溫物體對紅外測溫精度產(chǎn)生的影響。

因此引入相對測溫法，測量不同表面的目標(biāo)與參考體的溫度、環(huán)境溫度（這里的環(huán)境是指從被測點到熱像儀的所經(jīng)過的環(huán)境）和發(fā)射率，所測溫度由參考溫度計算出來。通過引用相對測溫法，模擬小黑體與黑體輻射源當(dāng)成測量時的兩個點。選模擬小黑體為校準基準點，黑體輻射源作為被測點，小黑體上的溫度傳感器值即為已知溫度值，由于并非同一表面的溫度差，由計算式可知，自制小黑體的環(huán)境溫度要和人臉環(huán)境溫度接近，才能減少誤差。

圖2 熱像儀所測溫度比對圖

當(dāng)進行測溫校準時，需要在紅外相機內(nèi)標(biāo)定兩個區(qū)域，人體測溫區(qū)域設(shè)定為區(qū)域1，模擬小黑體校準參考區(qū)為區(qū)域2（如圖3 所示），模擬小黑體與人體測溫區(qū)當(dāng)成測量時的兩個點。根據(jù)文獻[8-9]所描述，人體額頭區(qū)域平坦，測溫面積大，有利于測溫，所以將人體的額頭部設(shè)為所述被測溫區(qū)，使用紅外熱成像相機獲取所述被測溫區(qū)的目標(biāo)溫度，模擬小黑體校準參考區(qū)設(shè)在所述紅外熱成像相機的鏡頭前方，使用紅外熱成像相機溫度傳感器獲取所述校準區(qū)的參考溫度。由于模擬小黑體校準參考區(qū)溫度已知，那么通過兩點法公式的計算，區(qū)域2 可以實時的修正區(qū)域1 的測溫數(shù)值。

圖3 不同發(fā)射率下的溫度比對圖

圖4 紅外相機內(nèi)標(biāo)定模擬小黑體

根據(jù)文獻[10]中的人體額頭皮膚表面溫度與實際體溫對照表為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)分析后優(yōu)化并補充了對照表，補充后的結(jié)果見表1，通過該對照表，測溫所得到的額頭溫度加上偏差值，最終就可以計算出人體的體溫。

表1 人體額頭皮膚表面溫度、實際體溫和偏差值關(guān)系表

5 結(jié)論

本課題以非接觸人體溫度測量為主要內(nèi)容，進行了非接觸的誤差分析及補償。從軟件上解決了紅外溫度計測溫不精確的缺點。綜上所述可知：

（1） 誤差分析及補償 車輛駕駛員與乘客健康管理及快速驗放設(shè)備使用場合多為半室外或者全室外，環(huán)境較為復(fù)雜，在通道內(nèi)搭建黑體進行紅外相機測量的溫度進行校準。黑體能吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過。也就是說，絕對黑體只發(fā)射紅外電磁波，但不反射外界環(huán)境的電磁波，使其輻射情況只與溫度有關(guān)，有效避免外界環(huán)境干擾以及自身材料影響，將黑體輻射源（校準裝置）設(shè)置在熱成像攝像機視野范圍內(nèi)，建立灰度與溫度的準確對應(yīng)關(guān)系，進行測量溫度實時校正，將視頻畫面和個人體溫對應(yīng)顯示，可以大幅度提高人體測溫的精度，減少測溫誤差到±0.3 ℃。

（2） 現(xiàn)在已經(jīng)有了可變焦的紅外測溫儀，因此未來應(yīng)用在醫(yī)療上的紅外測溫儀將向可變焦、熱圖像感應(yīng)方向發(fā)展，本研究設(shè)計的系統(tǒng)只能作為過渡產(chǎn)品來使用，因此，從根本上提高測溫儀的精度才能解決問題，這是以后所需要研究并著力的地方。